苹果采摘机器人整体设计概论

吴旭阳

摘 要 在苹果果实的整个生产过程中，采摘过程中是最耗时、耗力的一个环节，如果可以在苹果的生产环节采用性能可靠、功能多元的自动机械装置，对于现代化农业发展有重大意义，故对苹果采摘机器人的机械臂、轮式底盘、视觉系统、激光测距系统、灰度检测系统进行了设计，实现对苹果采摘机器人原型机的搭建

关键词 机械臂;视觉系统;采摘机器人

近几年，苹果采摘机器人是受果农喜爱的一种智能、专业的采摘设备，可高效完成采摘作业，因为采摘环境过于复杂，就需要一款适应能力强、运行性能可靠的采摘装置，在此情况下，对苹果采摘装置开展深入研究既表现出重大的实践意义，还能推动机器人技术、图像处理技术的发展。

1苹果采摘机器人总体设计方案

本文设计的苹果采摘机器人主要由五由度机械臂、轮式底盘、灰度检测系统、视觉系统与深度距离检测系统组成。轮式底盘、机械臂构成了水果采摘机器人的运动单元，视觉系统就是采摘机器人的眼睛对采集到的信息进行处理得到目标的平面坐标。深度检测系统能够检测目标位置与视觉相机的距离。

2控制器

2.1 上位机

计算机作为采摘机器人的上位机，是图像处理与跟踪控制的核心系统，计算机控制CCD摄像头采集苹果图像，计算机运行在Windows平台，使用Linkboy作人机交互界面，计算机对摄像头进行设置修改相应的参数确保摄像头清晰成像，计算机自动保存单目相机采集的图像。

2.2 下位机

下位机的主板是核心处理器是ATmega2560，Arduino 2560具备双重供电系统，有USB口供电和外部电池供电，这两种供电系统会根据特定的情况进行自动切换，Arduino 2560开发板外部供电的额定电压为7～12V，在7V以下时I/O口无法正常工作，在高于12V时很容易烧坏设备，因此，本设计选用的是9V电池供电。在本文设计中下位机Arduino 2560能够实现对轮式底盘和机械臂的控制。

3单目相机及深度检测系统

单目视觉就像是苹果采摘机器人的眼睛，对其捕捉到的信息进行计算分析和处理，得到目标物体在世界坐标系当中的位置，本设[1-2]计选用的单目相机是北京维视图像公司的MV-USB2.0系列相机中的MV-500 SM工业相机，本型号的相机结构比较紧凑，小巧轻便、坚固耐用、通过USB接口 传输信号，使用安装比较方便，同时可以输出闪光灯同步信号实现与补光的精确同步。单目相机能够实现对一个平面内的目标进行定位，但是无法进行在任意空间的位置进行确定，设计过程中在单目视觉系统的正上方安装了一个激光测距传感器，最远测量距离可达到两米。

4轮式底盘

为了装载苹果采摘机器人的机械臂、单目相机以及其他的检测系统，论文的设计利用了一轮式底盘，采用的是实心铝板作为轮式底盘的骨架，尺寸为60cm*40cm*10cm，选用直流电机作为驱动电机，直流电机具有响应快，力矩大，有较大的过载能力，同时噪声也比较小。

为了方便采摘方便在苹果树两侧均粘贴运行轨迹表示，实现本功能利用灰度传感器[3]。

5机械臂与末端执行器

采摘机器人具有五自由度，其中第一自由度是由步进电机组成，二、三、四、五自由度和执行末端由模拟舵机组成。采摘机器人的机械臂能够快速的运动到目标所在的位置，将其末端执行器调到正确的位置姿态，由于对机械臂精度要求比较高，利用步进电机作为机械臂的第一个自由度的控制电机来对方向进行控制和利用模拟舵机作为机械臂关节和末端执行器，模拟舵机的信号线与Arduino 2560上的PWM信号输出端相连接。

在論文中步进电机作为器械臂的第一个自由度，因为步进电机具有精准性、扭矩大等特点，在实际操作中，只要调整绕组通电顺序，电机的转动方向就会发生变化，因此只需对电机的运行参数进行合理调控便可达到预期的电机转动效果。

不过，因为步进电机无法在直流电源环境下正常运行，需另行配置步进电机驱动器，而本文选择的驱动是由美国IMS公司生产的M415驱动器。

所选用舵机的型号为MG995型[4]，它是一种位置伺服的器，当接收到控制信号时，便输出一定的角度，非常适用于需要角度不断发生变化，并且可以保持的控制系统，主要由舵盘、减速齿轮组，位置反馈电位计、直流电机和控制电路板组成。

6结束语

论文主要对苹果采摘机器人的硬件组成进行了介绍，包括了机械臂与末端执行器、控制器、单目相机、激光测距传感器、碰撞传感器等器件的选型，还介绍了上位机与下位机之间的通信方式，以及控制器与步进电机模拟舵机之间的连接，根据苹果采摘机器人的特点，实现了对苹果采摘机器人硬件平台的搭建，为后期苹果采摘机器人的研究打下基础。

参考文献

[1] 周毛等.基于双目视觉的农业采摘机器人控制系统设计研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.

[2] 王辉.机器视觉技术在果园自动化中的应用研究[D].北京：中国农业机械化科学研究院，2011.

[3] 殷留留，韩森，王芳，等.基于 L298N 的直流电机调速系统的设计与应用[J].信息技术，2017（6）：104-106，111.

[4] 蒙清华，王忠庆.基于松下FP0-PLC的MG995舵机控制系统实现[J].科技信息，2011（14）：135-136.