高档名优绿茶仿生采摘指气动控制系统研制*

2021-04-09刘俊锋潘志刚陈勇肖宏儒韩余郝淼

中国农机化学报 2021年3期

刘俊锋，潘志刚，陈勇，肖宏儒，韩余，郝淼

(1.南京林业大学机械电子工程学院，南京市，210037；2.农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

采茶劳动力紧缺和人工成本高是名优绿茶产业发展的瓶颈。然而市场对于名优绿茶的需求越来越大，导致了名优绿茶的供需不平衡。目前，大宗茶的采摘已经基本实现机械化，市场上普遍使用采茶机将茶树冠部全部剪切收集，这种采摘方式对叶片造成了不同程度的损坏，大大降低了茶叶的品质[1]，存在芽叶破碎、混杂老梗老叶等问题。对于高档名优绿茶一芽一叶、一芽两叶的采摘标准，这种剪切式的采茶机并不适用。因此，研发适用于名优绿茶新梢的采摘装置是解决当前茶产业劳动力紧缺问题的关键。

近年来，已有学者开始了名优绿茶智能化采摘的研究。浙江工业大学[2-4]将机器视觉应用于乘坐式采茶机上，识别新梢后机器自动调整割刀的高度，使其与所采新梢高度相对应。南京林业大学[5-8]基于机器视觉、光谱分析、并联机器人等技术，研发了对新梢有选择性采摘的机器人。安徽农业大学[9-10]开展了履带式智能采茶机的研究，利用自动感应切割深度的筛选板，可根据新梢长度、叶张幅宽及茶蓬高度来调节切割器采摘高度。台湾大学[11-12]利用深度学习来完成采茶机导航和茶叶采摘点的定位。另外，文献检索表明，国内外尚未研制出适用于名优绿茶智能化采摘的末端执行器。

针对现有的采茶机对新梢采摘缺乏选择性，且专门用于高档名优绿茶的采摘设备尚处于探索阶段的问题。本文创新性地研制用于采茶机器人的仿生采摘指，通过固定、提拉等动作将新梢的茎拉断，其效果如同人工“提手采”，重点开展采摘指气动控制系统设计，并进行采摘试验。

1 仿生采摘整体方案

采茶机器人在待采摘区域利用机器视觉对茶蓬表面的新梢进行识别，然后机器人上的线性模组将仿生采摘指送至采摘点。采摘指模仿人工“提手采”的动作，对名优绿茶新梢实现成功采摘，在该区域识别出的新梢采摘完成后，机器人移动至下一个待采摘区域进行采摘作业。

1.1 新梢识别方案

实现采茶机器人的自动化采茶，首先要解决茶树新梢识别问题。新梢与老叶、枝干、土壤等背景的颜色特征具有一定差异性，因此在颜色空间中提取新梢图像的R、G、B分量，利用像素分布法和因子迭代法确定三个分量的关系式，可有效划分新梢与背景区域[13]。分割处理后图像采用连通域标记的面积滤波法过滤提取，保留较为完整可采摘的茶树新梢，便于采摘指进行采摘。新梢识别效果如图1所示。

(a)原始图像

1.2 采摘指整体结构

本文以采摘新梢中一芽一叶为例，在新梢芽和叶之间设定A、B两个夹持点，两点间距称第一节间距，如图2所示。

图2 茶叶新梢示意图

根据对品种为“龙井43”茶树新梢的形态特性和力学参数实地测量，结合人工“提手采”动作要领分析及测量结果，设计了仿生采摘指的机械结构，如图3所示。上夹爪和下夹爪分别通过气缸活塞杆带动连杆运动，实现对A点、B点位置的夹持和松开动作。待上夹爪和下夹爪完成对新梢的夹持后，升降机构通过气缸活塞杆推出带动整个里层套结构向上运动，使被夹紧的A点向上移动，完成一芽一叶的采摘。

图3 采摘指整体结构图

2 采摘指控制系统设计

采摘指控制系统采用STM32为主控芯片，控制光耦合器的通断使继电器吸合或释放，进而控制电磁换向阀的两个出气口有序开启，来实现气缸活塞杆的推出和退回，使采摘指进行新梢采摘。

2.1 采摘指控制系统气路设计

根据采摘指的控制要求，设计了控制系统气路如图4所示。气源装置产生高压气体通过PU管输送到气动三联件中，对气体进行过滤干燥。过滤后的气体进入调压阀中进行压力调节，以满足执行元件的气压要求。调节后的高压气体经过油雾器，与雾化油滴混合对执行元件内部进行润滑提高采摘动作流畅性。本文通过十字四涌接头，将高压气体分为三路，分别驱动上夹爪气缸、下夹爪气缸和升降气缸。

图4 采摘指控制系统气路图

以上夹爪控制气路为例，如图5所示：当高压气体进入电磁换向阀进气口P后，控制信号接通电磁阀A1，此时电磁阀芯通过电磁力向左移动接通P-A和B-S口。高压气体从P-A口流出，进入单向节流阀I的进气口。经过节流阀I对气体流量的调节后，降低了气体推动气缸活塞的速度，防止夹爪运动过快对新梢造成损伤。此时气缸右腔气体受到活塞推动，从电磁阀排气口排出。气缸活塞杆随活塞一起向右推出，通过气缸杆连接支架带动芯轴运动，驱使上夹爪内连杆与外连杆运动，使对称的一对上夹爪进行夹持动作。完成夹持后电磁阀失电，由于电磁阀具有中位自锁功能，保证了新梢与茎秆分离前，上夹爪对新梢的稳定夹持。

图5 上夹爪控制气路图

当新梢与茎秆分离后，控制信号接通电磁阀A2，此时电磁阀芯向右移动接通P-B和A-R口。高压气体通过P-B口从电磁阀流出，再通过单向节流阀Ⅱ限流后进入到气缸右腔，推动气缸活塞向左移动，气缸左腔气体受到挤压从电磁阀左腔排气口排出。此时气缸活塞杆退回，带动夹爪松开新梢，复位到初始位置。

2.2 采摘指气路元件选型设计

为了便于采摘指的控制和对新梢的稳定夹持，本文将选用三个同样规格的双作用气缸作为气动控制系统的执行元件。根据气缸的理论输出力计算公式，可以确定气缸内径。

(1)

(2)

式中：η——气缸负载率；

F——气缸负载力；

F0——气缸理论输出力；

D——气缸内径；

d——气缸活塞杆直径；

p——气缸工作压力。

根据对新梢力学特性的研究[14]，升降气缸需满足负载力为40 N。取η=0.5，活塞杆直径d=0.2D，可得气缸内径D=15.55 mm。考虑到气缸内径均为整数，取D=16 mm。

气缸的选型还需确定气缸行程：升降气缸行程要保证新梢与茎秆完全分离，上夹爪和下夹爪气缸行程则要满足采摘指夹爪的张开距离。为防止夹持新梢时夹到其他叶片和合拢时间过长，取夹爪张开距离为50 mm。由于夹爪是左右对称的，所以左右部分进行夹持动作各需移动25 mm，即取气缸行程L=25 mm。综上分析，本文选用的气缸型号为CDJ2B16-25，气缸规格参数：气缸内径为16 mm，行程为25 mm，使用压力范围0.06～0.7 MPa，符合要求。

气缸耗气量是气路中其他元件选型的重要依据，其计算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中：V1——活塞伸出时排气量；

V2——活塞退回时排气量。

气缸活塞往复一次所耗压缩空气量

(5)

单个气缸每分钟工作次数为N，则每分钟活塞运动的耗气量

V′=V×N

(6)

采摘指完成一次采摘动作的时间是可调节的，为了便于进行采摘试验，初步设定完成一个新梢采摘时间为1.5 s，则N=40。根据式(5)、式(6)，可得V′=0.389 36 L/min。采摘指完成一次新梢采摘，需要3个气缸共同工作，因此采摘指工作时每分钟耗气量为1.116 808 L。

结合上述分析及气动控制要求，完成了气路中气源装置、气动三联件、电磁换向阀和节流阀的选型。

2.3 采摘指控制系统设计

本文选用STM32F103单片机作为仿生采摘指气动控制系统的微处理器，STM32F103具有37个I/O引脚，能够很好地实现控制要求。通过STM32F103单片机PA0～PA5输出控制信号，利用继电器的吸合和释放来控制电磁换向阀两个出气口的有序开启，进而控制气缸活塞杆的运动方向。为了增加系统安全性，在电路中加入了EL817光耦合器，将控制信号与工作信号相隔离。采摘指控制系统硬件电路如图6所示。

以上夹爪电磁换向阀控制为例，当采摘指上夹爪夹持新梢时，PA0输出低电平，EL817光耦合器导通，三极管MMMBT5551导通，电磁继电器吸合，接通电磁换向阀A1。同时PA1输出高电平，EL817光耦合器截止，三极管MMMBT5551截止，电磁继电器断电，电磁换向阀A2失电，此时高压气体经过电磁阀，将上夹爪气缸活塞杆推出。同样当PA0输出高电平，PA1输出低电平时，上夹爪气缸活塞杆退回。

当采摘指气动控制系统上电时，单片机接通上夹爪电磁换向阀A1和下夹爪电磁换向阀B1，气缸活塞杆推出带动上夹爪和下夹爪闭合，对新梢进行夹持。接着单片机接通升降电磁换向阀C1，升降气缸活塞杆推出带动里层套向上运动，实现新梢与茎秆的分离。然后，单片机接通上夹爪电磁换向阀A2和下夹爪电磁换向阀B2，上夹爪和下夹爪气缸活塞杆退回实现夹爪复位。最后，单片机接通升降电磁换向阀C2，升降气缸活塞杆退回，准备进行下一个新梢的采摘，如图7所示。

图7 主程序流程图

3 采摘试验

3.1 试验装置与材料

在仿生采摘指实物样机的基础上，搭建采摘指气动控制系统试验平台，如图8所示。

图8 仿生采摘指气动控制系统实验平台

试验材料为“龙井43”新梢枝条，分两次采摘于江苏鑫品茶叶有限公司，每组样本数量为60个，采摘后立即返回实验室进行一芽一叶采摘试验。

3.2 试验结果与分析

因为目前阶段机器视觉装置尚未与仿生采摘指集成一个完整系统，所以由人工手持新梢枝条放入采摘指，采摘指自动进行新梢的采摘以测试其仿生效果。采摘过程如图9所示，从图9可以看出采摘指有效实现了新梢与茎秆的分离，单次平均采摘时间为1.59 s，与设定时间基本符合。采摘试验结果如表1所示，仿生采摘指气动控制系统对一芽一叶采摘成功率达90%，采摘效果较好。