水果套袋机器人

2021-12-07河北农业大学柏亚萌张德林程园

河北农机 2021年3期

河北农业大学柏亚萌张德林程园

1 水果套袋机器人的研究背景及发展现状

1.1 研究背景

通过对水果进行套袋处理，能够有效地防止农药、病虫害的污染，除此之外，对水果进行套袋还形成一种小的“温室”环境，使水果能够更好的着色，大大提高了水果的品质。可见这一技术不仅满足了人们的需求，同时还通过高质量的水果提高了市场价格。对于水果种植面积比较大的果农来说，水果套袋过程烦琐，人工套袋将会耗费大量的人力、物力，所以机械化、智能化地水果套袋是必然的。

1.2 发展现状

对于国内来说，目前的套袋技术根据套袋的材质可以分为塑料膜套袋和纸质套袋。目前市场上已有的一些塑料膜套袋机械，主要工作原理是用胶棒粘力拉开塑膜袋，用蓄电池通电加热电热丝来熔合塑膜袋完成封口[1]。相对于塑料膜套袋，纸质套袋更加环保，其所运用的机械也有所不同。

对于国外来说，这种机器人的总体构造是履带式行走小车上安装有机械臂，机械臂的末端可以安装多种末端执行器并配有视觉系统[2]。

2 水果机器人的执行机构

其执行机构主要包括果袋分离、运输、撑开、封口四大机构。首先水果套袋机器人先将果袋逐个分离开，然后经果袋运输机构将果运输到下一工作区域，果袋被撑开后将幼果放入袋子中，最后再将果袋进行封口。

2.1 果袋分离和果袋运输机构

二者统称为水果机器人的进袋机构，这里主要介绍两种比较常见的工作方法

2.1.1 辊轮进袋机构

这种方法的原理是利用物品在运动过程当中产生的摩擦力，推进幼果前进完成运输。这类技术的应用比较成熟，使用广泛，在打印机、复印机上使用最为普遍[3]。该方法优点是能够方便纸袋的运输，缺点是容易发生多张纸同时运输的卡死现象。因此这种装置方案对装置精度要求较高,成功分离进给的可靠性与辊轮的正压力和转速相关，装置可实现精细可靠进纸，输出精度较高[4]。

2.1.2 气流进袋机构

这种方法的原理是通过气流推动物品。气吹式装置在播种机中的应用效果优良。推种效果明显。种子的机械操作力小，而且只要匹配好排种轮转速和推种气流速度。气流对排种均匀度的影响也可降低到最小[5]。

2.2 果袋撑开机构

2.2.1 真空负压撑袋

这种方法的工作原理是通过对果袋两侧进行真空负压处理并且通过相应的机械机构产生两个作用相反的力撑开果袋。这一方法的优点是撑开果袋的动作易实现，缺点是配备复杂。

2.2.2 静电撑袋

这种方法的工作原理是在果袋口处有相应的机械结构，果袋两侧同时装有吸盘，然后利用静电将果袋撑开，这种方法和真空负压的方法相类似，都是将果袋两侧拉开从而达到撑袋的目的。

2.3 果袋封口机构

2.3.1 果袋封口机构引用计算机图形处理方法

通过模拟人的动作实现机械封口。首先我们引用图形处理方法中的拓扑图来简单描述实现这一封口过程的演变步骤。第一仅有两条边组成的拓扑图只能实现简单的推挤压扁动作，跟人工套袋动作相差甚远，因此应该对缩图扩充，即由最简单的拓扑图逐渐增加新的节点和边，逐步转化为更复杂、更形象的拓扑图，以便后期将其特定化[6]。

3 水果机器人的驱动装置

驱动装置是核心装置，驱动方式可分为气动驱动、电机驱动和液压驱动。电机驱动方式结构简单、可实现正反转，适合用于小型机器人上；液压驱动方式反应灵敏、精度高，但对工作环境的要求较高；气动系统与液压系统的组成类似。所以我们选用电动驱动系统作为机器人驱动装置。电动驱动装置的组成要根据果袋撑开和果袋封口的具体需求进行布置设计。

4 水果套袋机器人的检测装置

水果采摘机器人的检测装置主要的组成是其视觉系统，在进行套袋前，第一步是进行目标识别，即从视觉系统获取的原始图像中分离出识别的幼果背景环境。常有的方法有阈值分割、K-means聚类算法、人工神经网络和K最近临法（KNN）等[7]。识别到幼果的图像后，对其进行定位，采用类似包围盒的方法，用略大于果实最大轮廓的球包围果实，用球心和半径定位即可确定位置[8]。基于视觉的目标识别和产品检测技术已经得到了深入的研究和广泛的应用，如康耐视、美国国家仪器（NI）、基恩士等知名公司在机器视觉领域具有很深入的研究。机器人的视觉系统作用好比人的眼睛，首先获取套袋时的周围环境信息，然后进行图像处理，计算出障碍物距离，找出一条准确越过障碍物到达最终套袋的作业位置，然后驱动电机，机器人向前行驶和转向，实现避障。

避障系统的软件设计是ARM+DSP双核内部通信设计，其原理是两个CPU通过共享数据实现数据交互，首先一方通过发送中断信号来通知对方取走数据，另一方进入中断服务程序完成接收数据[9]。避障控制系统要保证避障过程当中的路径最短、消耗最少，因此除了基本的避障设计，还要制定正确的避障策略。对苹果而言，机器人主要识别的是未套袋幼果和其他（树叶、枝干和已套袋的幼果和纸袋），在此我们介绍一种全局法避障又称C-空间。首先根据障碍物信息建立C-空间然后利用栅格法对空间进行规划，即将空间划分为大小相同的栅格，然后对栅格信息进行编码处理。最后一步就是搜索障碍起点到终点的路径，借用A*算法进行搜索A*算法的估计函数为f*(x)=g*(x)+h*(x)经此算法得到的最短路径为离散的点。

5 水果套袋机器人的控制系统

要保证水果套袋机器人完成套袋，需要预先通过控制系统设定好相应的时间参数和运动轨迹，进袋和撑袋环节需要设置开始和终止的时间。在撑袋时选用真空负压方式，需要控制回路中电磁转换阀的通断来控制气缸的起停。在封口的过程中，需要两对等驱动力，通过控制系统控制将这对两等驱动力合二为一，简化了工作过程，提高了工作效率。

控制系统的核心是PLC控制和单片机，单片机常用在小型的控制系统当中，是一个小而完善的计算机系统，功能强大，成本却很低廉，其应用渗透到我们生活的各个领域。PLC是可编程逻辑控制器的简称，可进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等，可靠性好，但成本较高，多用于机械化生产的过程控制[10]。对于水果套袋机器人来说，控制的主要是动作起停和换向阀的工作状态，因此单片机更适用于控制系统应用。

6 机器人电机和减速器的选择

在关节型机器人中RV减速器具有更高的刚度和回转精度，且传动比较大（30～260），因此常用作减速；RV减速器的结构比谐波减速器要复杂得多，生产成本也高，因此在工业机器人领域常用于S、L、U三个大惯量高扭矩关节。

我们选择伺服电机作为套袋机器人的电机。对电机的要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。