苹果采摘机器人的研发与相关问题

郭思臣，王昊杰，谢 丛，唐 婕，史子明

（大连大学，辽宁 大连 116622）

1 采摘机器人应用的基本背景

采摘机器人是现代农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向，采摘机器人可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务，是具有感知能力的自动化机械收获系统。当采摘机器人设计进行采摘各种作业时，需要先到达采摘位置，然后由机器视觉系统识别出可采摘的果实并发出相关方面的指令，继而采摘手执行一系列指令，主要包括夹持优质农副产品、采摘农产品、将果实转移到相应集结点，完成一次果实的自由采摘工作，而后采摘手复位，进入等待指令状态。同时农业采摘漫长且具有非结构化或半结构化的特点，导致其场景复杂度远远低于工业整体环境。虽然现在有许多机械采摘机器人能采摘果实，但是精度和力度仍然是一个严重的问题，所以需要人工智能、宽度和深度学习等新型技术也应用于采摘机器人的技术开发之中。

2 苹果采摘机器人

2.1 项目采摘机器人设计

苹果采摘机器人是基于自动化机械收获系统，外加具有感知环境、规划路线、控制行为、执行等功能的系统，形成完整的智能机器。再由机械手固定在履带式移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。其设计涉及到机械设计、理论力学、计算机编程、传感器技术、自动控制原理等多方面的学科领域知识。

根据模型将采摘果实树枝模拟成悬臂梁，通过舵机夹持机构对树枝进行夹持，从而实现对树枝施加一个振动频率，从而实现了果实在震动过程中产生惯性的目的，在果蒂连接处产生的拉力使果实从树枝上脱落。利用信号发生过程中的惯性环节使其脱落。根据不同的品种选择其相应的振动频率。采摘臂分为前臂和后臂，中间使用舵机来进行连接，通过此舵机来实现振动，同时舵机也可实现前臂的运动。采摘臂下安装有旋转盘，也采用舵机进行驱动，可以实现整个机械臂的旋转，进而提高机械臂采摘时的自由度。振动采摘臂舵机部分采用6V电压进行供电。而采摘臂使用的结构为工字梁，可以有效地增加采摘臂的强度。该振动采摘臂的前爪部分使用的机械夹爪，通过舵机控制一对啮合的齿轮从而实现机械夹紧树枝。同时在前爪爪头部分装有柔性物质来防止因夹爪夹紧时产生的剪力过大而造成夹断。夹紧后，前爪舵机暂时停止工作，由采摘臂的中间舵机进行往复运动而实现振动。当产生的力大于果实的最大脱落阻力后，果实开始掉落。根据实验，激振载荷越大，树枝的变形程度也越大。同时夹持的位置对其振动的幅度也有影响，夹持位置距离树枝与主干连接处越远，振动幅度也会变大。

在采摘时，有可能会发生因振幅过大而对果树有损伤的情况，需要在夹爪部分加装减震弹簧，从而改变二者的振动频率。防止因共振而造成的振幅过大折断树枝。因不同果树的固有频率以及脱落频率不同，需要根据不同果树采用不同的振动频率，防止采摘的果实被损害。果树树枝的大致高度均在两米，所以为了抬高机械振动臂，需要采用线性滚珠丝杠来对其进行调节。而使用线性滚珠丝杠的最大好处为其相对调节杆而言可以实现更加精密的高度抬升与下降，因此对机械振动臂而言可以更好地实现夹紧树枝。而此滑轨采用的为24 V电压进行供电，需采用铅酸电池进行供电。在采摘后的收集部分，防止果实在机械运行振动时发生碰撞而造成损坏，果篮部分均使用柔性物质进行包裹，从而有效地防止了果实损坏。因舵机旋转，会使果实掉落时产生横向位移，同时为了增加收集面积，在果篮上部周围加装一圈收集网，使树枝上掉落的果实经过收集网滑落到收集果篮之中。在果实掉落过程中，需要研究其与收集网的接触角度，从而减少果实因掉落产生的损害，同时收集网采用的均为具有弹性的网，因此会有效降低坏果率。

为了保证苹果采摘时的通过性，整个机械的车体地盘采用履带的方式来实现运动，使用两个步进电机来进行驱动，可以有效提高其转弯的灵活性和降低其转弯半径，在每个驱动轮以及支撑轮上均安装有独立的弹簧悬架，可以有效降低车体的振动，并且防止履带滑落，两侧各安装一个张紧装置。为了防止车体运动速度过快而造成倾覆，均降低了车的驱动电机的转速。同时车体使用上下两层的布置方式，上层放置采摘机构，下层主要放置用于驱动的电池和驱动芯片，同时下层需要对其进行一定的包裹，从而防止因较恶劣的采摘环境对驱动部分造成较大的损伤。在整个布置环节上，考虑到采摘机需要伸出一定的距离，同时受到树枝的反作用以及自身重力，同时采摘机的高度较高，因此整个采摘机具有较大的倾覆力矩，因此，将所使用的重量较大的铅酸电池置于车尾部下层用以平衡倾覆力矩，从而防止整车倾覆造成损坏。机身车架由多个横梁及纵梁和支撑原件组成，整体是由焊接构成，可以保证整体结构的安全性和稳定性。整个车体的布线均由车身下层经上层预制孔穿出，线路整体均在车身内部，防止刮蹭造成线路断裂。只有极少部分线路暴露在外即车体驱动电机的部分电路。

在未来，该采摘器将与配套的驱鸟器，自动移载器形成一个系统，可以有效地减少人力。驱鸟器搭载有电磁巡线系统，可以延预铺设的电线自行进行驱鸟，上部的驱鸟器可以自动变频，使用不同频率的超声波进行驱鸟。同时驱鸟器包含有遥控系统，当遇到特殊情况时可以使用遥控的方式控制。移栽车可以通过安装的驱动芯片来控制移栽臂，自动完成树苗的移栽。这三辆车均由同一系统控制，用户可以通过手机下载APP来完成控制。

2.2 苹果采摘机器人硬件设计

硬件是基础，只有一个良好、稳定的硬件环境才能保证机器人能平稳快速地实现运动。整个系统设计过程中严格按照规范进行，本着可靠、高效的原则，在满足各个要求的情况下，尽量使设计的电路简单。单片机最小系统是机器人系统的核心控制部件，采用了TC377芯片，采用三个TPS76850芯片产生两个5 V稳压，和一个6 V稳压电源分别向不同器件供电。CPU 由单独一个5 V电源供电；编码器、陀螺仪、蓝牙模块使用同一个 5 V电源；第三个 6 V电源既要给所有的舵机进行供电。电机驱动电路使用IR2104 芯片搭建 H 桥升压电路。本次运放使用的是 2272 运放芯片，选择使用了六路运放及五个电感。在 PCB 设计过程中，直接将 PCB 安放于车头处，以此来达到提前预知，五个电感由漆包线绕制成的双绞线连接至运放板上，大大减少了因为碰撞导致的损坏情况。采用驱动主控分开设计，主控主要有稳压电路，传感器接口以及舵机接口等。如图1和图2所示。

图1 电路原理图

图2 PCB图

2.3 苹果采摘机器人软件设计

针对本次设计苹果采摘机器人系统，软件处理阶段大致分为如下几个过程。首先，通过蓝牙进行连接，并通过DMA中断传入单片机，单片机对信号进行处理选择模式，以及进行控制。根据信号对电机进行PID控制完成移动任务。由于TC377单片机的优越性能，采用了双核处理的方式来处理程序。下面对其中的主要过程进行具体分析。如图3所示。

图3 部分代码图

2.3.1 电机控制

电机采用三环串联的方式来提高底盘的稳定性，分别是位置环、速度环、电流环，第一个环的输出是下一个环的输入。PID串级控制中，最外环输入是整个控制系统的期望值，外环PID的输出值是内环PID的期望值。首先使用位置式PID，此时的输入值为陀螺仪的PITCH轴数据，以此来控制机器人可以沿直线行驶，将得到的值输出给速度环，计算出此时需要的速度，将速度传入到电流环，来达到最合理的输出。此时通过多级计算以及控制，可以保证机器人的每一个位置都是非常精确的。

2.3.2 舵机控制

舵机的控制就是根据果子大小的返回值的偏差进行一个打角。在偏移量的计算中，通过加权的方式来计算偏移量。以偏移量作为PID计算中的偏差，每一个参数都是长期整定的，最后得出一套合理的，适应性强的权值。对于振幅过大导致的损伤问题，软件上通过PID参数整定加大P而不使用D来实现一种震荡的效果。此时舵机的输出值一直是过盈的，超出设定值，以此来达到平滑的震荡。

此时的输出曲线通过无线串口发送到上位机，此时震荡较大的是舵机输出的PWM，震荡较小的是实际反馈的角度值。

2.4 研发苹果机器人当前面临问题

项目组已根据草图进行机器制作，小型模拟机器已做出，底盘设计采用橡胶履带底盘设计，现实生活中履带农用机械具有多地形工作、高通过性等优点，可以很好地应用在植物保护作业过程。存在的问题有：机车平衡有些难以掌控，运作一段时间后机身有前倾迹象，有翻倒概率；采摘果子的图像信息处理器还未完全研发好，不能准确在实验中判断出果实的成熟度；对实地采摘果实有一定影响，会有一定概率损伤果实及周边树枝等。在实验过程中存在频率影响掉果率的问题，在实验过程中，受到某些不同树木的影响，存在有掉果率较低的问题。同时受到材料限制，收集网的面积较小，易产生掉落在地面的果实。同时电池只采用了一块，未来将使用由铅酸电池组成的电池组进行供电。

3 展望

产品以大连大学生命科学与技术学院为示范点，进行测试；以服务果农为目的，不断完善产品研发设计。通过与本地果农沟通，初步将产品应用于大连大学周围的果园，记录产品效果，记录不同果实相应需要的机器大小，不断完善一体化方案的涉及范围及使用范围。逐步覆盖大连市果园产业，并进行相关产品推广。然后面向辽宁省、山东省的苹果园进行推广，以减轻农民负担，提高移栽苗存活率及果实最后产量为目标不断完善产品。同时不断开拓市场，研发适应多种果农需求的新产品，不断创新，不断发展，最终将智慧果园助农产品推向全国。相信苹果采摘机器人将会迎来更好的发展期，从全市到全省苹果，最终投入整个农业生产体系中。项目组也会对机器进行更大的优化，为制造更完善的苹果采摘机器人智慧化农业尽一份力。

在国家政策的扶持下，乡镇村的信息化引进程度越来越高，但是农业科技教育目前还是相对落后，农业社会化体系不够健全，镇、村真正懂得农业科技的人员较少。所以产品需要更加方便智能，之后采用声控装置、人脸识别技术，希望农户使用上更简单、更便捷、更轻便，不需要普及过多的专业知识。最后，希望产品的技术能应用于不同的果实采摘，将机械抓的型号改变，力度进行更精确的改进，使得采摘机械人不光能采摘苹果、百香果、鸭梨等较硬水果，还能采摘像西红柿、樱桃、葡萄等果实小、外皮较软的蔬果。将来普遍应用在采摘各种蔬果上，将智慧化采摘机器人技术运用在更大、更广、更全面的农业采摘上。