智能花椒采摘机的设计研究*

蔡芳兰

（兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730101）

0 引言

目前我国花椒栽培的主产区在甘肃、陕西、四川、河南、河北、山西和山东等省，据2016年资料统计，甘肃花椒种植面积突破27万hm2，居全国种植面积首位，在甘肃花椒种植地区，花椒是大部分农户的主要经济来源。花椒采摘方式以手工为主，采摘工作效率低，花椒生有皮刺，采摘速度慢、难度大、用工多，人工采摘已成为制约花椒产业发展的一个限制因素，特别是近年来花椒采摘工价不断攀升，2020年高达12元/kg，用工费用占近1/3的花椒产值，致使花椒生产“丰产不丰收”，广大椒农的利益得不到保障，严重制约了花椒产业的健康发展[1-2]。我国花椒采摘科研起步晚、力量分散，在许多地区的研究还不够深入。

花椒采摘智能化、一体化的实现，采摘机轻量化、便携带、易操作、可靠性等方面的性能提升及降低对果品和枝叶损伤方面的研究，能够提高椒农对采摘机的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的问题。随着农村城镇化建设的推进，椒农以中老年人居多，采摘机的创新设计进一步减缓了农村劳动力缺乏与用工需求增加之间的矛盾，符合当前花椒产业省力化、机械化、智能化栽培的要求[3-4]。

1 智能花椒采摘机的工作原理及设计步骤

1.1 工作原理

智能花椒采摘机主要应用于大面积种植花椒的农田，采用四轮履带式底盘设计，这种结构能更好地适应不同地形，拥有更高的机动性、灵活性；同时，四条履带在转弯的时候可以减少与地面的摩擦面积从而降低履带的磨损程度，节约生产成本。机械臂采用二节式手臂，底座应用滚动轴承和步进电机来实现机械臂360°精准旋转；第一节手臂是连杆机构，便于快速地伸缩，提高机械臂的工作效率以及减少其工作时间；第二节手臂顶端配备了一枚摄像头，可以实时监控本机器运动状态并采集信息；同时，采用的是拼装结构，可以通过拼装连接机械爪或装有裁剪部件来实现一机多用，机械爪采用关节式结构以达到精准进行抓取的目的[5]。

主控采用STM32单片机搭配openMV模块实现。首先，openMV完成花椒的识别和定位，然后，将花椒的位置信息发送给STM32主控芯片；芯片根据收到的位置信息控制机械手臂运行，将花椒摘下，摘下后的花椒由机械抓手送入收集袋。

首先由openMV将摄像头拍摄到的不同形状、不同相对位置的花椒照片存储于openMV内置存储卡中，形成模板库。然后，在识别和定位时利用模块特征点提取函数，将实时拍摄到的照片与模板进行匹配，达到阈值后，则匹配成功；再利用色块识别函数完成对花椒颜色的识别，当其LAB值在预期范围内，识别成功[6]。将以上两者的识别结果和匹配结果求交集都满足时，才为识别成功，大大降低了识别的错误率。

当识别成功时，机械手臂动作到openMV返回的坐标位置。其动作由STM32单片机在空间柱坐标系中求逆解获得运动轨迹后，控制电机实现。当机械手臂运动到指定位置时，连杆夹紧机构动作，利用连杆端部刀具将花椒根部切断[7]。花椒采摘完成后，机械

手臂运动到收集箱位置，连杆夹紧机构松开，花椒送到收集箱。由此完成一个周期的工作。

1.2 设计步骤的主要内容

1）底盘结构设计：采用四轮履带式底盘设计，与一般的两条履带模式相比，这种结构能更好地适应不同地形，拥有更高的机动性、灵活性。小车底盘采用铝合金材质或亚克力板等材料，达到了硬度和轻量化的需求，同时，加装1020铝型材为车架，增强整体车身载重能力；分别设计履带直线行走、转向及原地自转；底部履带直流电机的选取：设底盘的移动速度为v1，承受正压力F1，摩擦系数f=Fm/F1，Fm为摩擦力，则计算电机功率

①整体悬挂分析：对于载重小车来说，悬挂系统十分重要。其主要功能是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，同时，缓解车辆在多种复杂路面运行时给车身、车架带来的冲击，并衰减由此引起的震动，以保证车辆平顺行驶。然而，由于小车需要适用于多种地形，因此采用了坦克上扭杆式悬挂。

扭杆悬挂工作原理：扭杆实际上也是弹簧，但它通过金属结构的扭转运动，从而获得弹性力。一般来说，小车的负重轮通过肘节与扭杆连接，当负重轮上下运动时，肘节把运动转换为扭转扭杆的运动，使扭杆的弹性力产生缓冲作用。扭杆式悬挂特点：一是扭矩大，弹性力强；二是运行路程大，扭转几乎不占空间，这要比弹簧好得多；三是结构比弹簧组件更加简单而且更加牢固，可靠性更高；四是整体占地空间很小。

②直线行走原理：直流电机在地面驱动履带转动，只要选用的直流电机的功率足够大，就可以轻松驱动履带转动，所以履带在各种地形上就像在平地上一样顺利地行走。履带的特殊性，使得对机器人前进的分析比较复杂，为了简化分析过程，假定一个非常柔软的带子作为机器人行走的履带，每一节履带都作为一个点。设履带相对于机器人的转动速率为Vx，履带随机体一同前进的牵连速率为Vq，履带上的某一点的绝对速率Vj应为相对速率和牵连速率的向量和，如式（1）所示。

③转向原理：履带机器人转向时，机体做平面运动，两组履带之间产生差速，从而使机体平面绕某一点旋转。用纵向速度，侧向速度v2、角速度可以完全描述机体的运动。在机体转动的任一时间，机体的平面运动都可以当作机体绕该平面的某一点做旋转运动，这个点就是机器人的转动圆心。履带和地面接触部分与地面之间的运动关系决定了转动过程当中墙面和履带之间的作用力（水平面内），所以对于履带的运动，主要分析履带和地面接触部分的运动[9]。

转弯运动学分析履带机器人转向过程中履带和地面接触部分的运动，履带和地面接触部分的运动是机体运动和履带卷绕运动的复合。机体的运动为绕转动圆心的旋转运动，转动角速度为ω，履带和地面接触部分的任意一点的牵连速率如式（2）所示：

④原地自转原理：当小车遇到前方障碍物过大时，需要大角度调节自身位置，两边电机便可反向旋转，让小车两条履带反方向转动，可以达到原地360°旋转的效果。履带驱动成熟简单，增大接触面，能很好地分散压力，更大的优点是履带式机器人的行走重心更平稳，重心能最大限度地贴近地面，从而减小机械误差。

2）对机器要用到的直流电机、步进电机、舵机等的功率进行计算；设计可调控伸缩杆；步进电机选用两相步进电机驱动，可实现正反转控制，通过3位拨码开关选择7挡细分控制，通过3位拨码开关选择8挡电流控制。适合驱动57型、42型两相、四相混合式步进电机。驱动电机能达到低振动、小噪声、高速度的效果。机械臂采用二节式手臂，底座应用滚动轴承和步进电机来实现机械臂360°精准旋转。手臂自由度的计算：首先采用的是两节式手臂，底部有一个平面180°旋转，中间有上下120°旋转，手爪有一个捏合，手臂有三个活动构件，则F2=3n-(2pl+ph)=3*3-(2*2+1)=4，所以手臂自由度为4。

3）手爪摄像头的选取：摄像头镜头规格为F2.0光圈、110°广角；分辨率为1 920*1 080（1 080 P），夜视距离可达9 m；具有防抖功能以解决机械臂抖动时拍摄不清的问题。

4）控制单元：编写主控S T M 3 2单片机及openMV模块控制程序；openMV以STM32F767CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口。基于ARM® Cortex®-M4的STM32F4系列单片机（MCU）采用了意法半导体的NVM工艺和ART加速器，在180 MHz的工作频率下通过闪存执行指令时可实现225 DMIPS/608 CoreMark的性能。STM32F4系列包括11条兼容的数字信号控制器（DSC）产品线，是MCU实时控制功能与DSP信号处理功能的完美结合体。采用蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通信，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。

5）组装及功能测试流程如表1所示。

表1 组装及功能测试流程

2 智能花椒采摘机的创新点

1）借助高速图像识别模块，识别准确率高、速度快；2）采用了四轮履带式底盘设计，这种结构能更好地适应不同地形，拥有更高的机动性、灵活性；3）移动式底盘和可调控伸缩杆设计满足机械臂工作高度和移动的需求，使采摘机对花椒树干的大小有很强的适应性，能在树干间自由工作，降低了损伤花椒果茎和叶子的可能性[10]；4）机械臂平台应用步进电机和滚动轴承来实现360°精准转动，同时，使用关节式结构实现准确定位；5）生产成本低，自动化程度高，人工干预少；6）采用蓝牙控制，并预留GPS和4G接口，方便远程部署和调度。

3 结语

花椒采摘智能化、轻量化、便携带、易操作、可靠性等方面的提升及降低对果品和枝叶损伤方面的研究，能够提高种植户对花椒采摘机的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的问题。采摘机的智能化设计进一步减缓了农村劳动力缺乏与用工需求增加之间的矛盾，符合当前花椒产业机械化、智能化栽培的要求。