智能移动水果采摘机器人的设计.docx

智能移动水果采摘机器人的设计摘要设计一种机器人用来移动水果和采摘水果的智能产物。该机器人由尾端执行器、采摘机械臂、横向的移动机构、智能移动平台以及相关的控制系统组成由C语言程序编写的控制程序开发人机能够相互交流的界面。整个系统工作性能较为稳定对成熟果实的正确识别率为81.5%成功采摘率为87.1%每个水果的采摘耗时平均为9.45s。关键词采摘机器人机器视觉移动平台水果中图分类号：TP242文献标识码：A0前言历年来水果生产中水果采摘一直是最费力最耗时的环节之一它所需全部生产过程的大约40%左右的劳动力。为了使更多的果农从复杂的采摘作业中得到充分的解放以及提高果实采摘的效率一直都有很多国内外的专家以及学者专心投入对采摘机器人的实验和研究。1工作原理与总体结构1.1工作原理该机器人在果园作业时是这样实现自主导航的：首先是主体控制器对由双目摄像机采集的果树行间的路面图像进行处理通过分析得出导航路径然后再由串口1收集DGPS位姿信号将其与视觉导航信息进行融合进而实现该机器人移动平台的自主导航。当机器人行进至目标果树位置时主控制器将会发出使移动平台电机停止转动的指令然后再通过RS232向采摘机械臂发出控制指令使机械臂移动到各个图像采集位姿。当对果树的图像采集完成后主控制器还会对成熟果实进行识别和定位然后通过RS232向末端执行机构发出指令末端执行器便抓取果实。采摘完成后各级机械臂回到导航初始位置重复执行以上采摘作业。1.2总体结构此次设计的机器人是履带式的主要由控制系统及其机械执行系统组成。机械执行系统如图1所示主要包括横向滑移机构末端执行器采摘机械臂移动平台等。控制系统主要包括双目摄像机数据采集卡机械臂控制器末端采集控制器运动控制卡GPS1394转换卡电机驱动器以及各传感器和各个控制电路等。移动平台包括固定平台机架履带式行走装置等。2工作主要部件2.1横向的滑移机构在前期的实验过程中发现果实的采摘有两种漏摘现象：（1）当果实与摄像机的距离低于0.85m时摄像机不能准确的对果实进行立体匹配；（2）当机械臂基坐标系原点与果实距离超过1.75m时果实将超出机械臂采摘范围。为此我们设计了如图2所示的横向滑移机构将机械臂底座固定安装在滑移机构的滑台上使机械臂与果树之间的距离以及摄像机与果树间的距离均能方便调节很好地解决了漏摘的问题。2.2末端执行器与采摘机械臂末端执行器采用的是由德国SCHUNK公司生产的型号为EVG55HUB100的产品其结构如图3所示。该执行器的抓取动作是由滑觉传感器和力传感器的信号决定的。采摘机械臂采用的是由日本安川公司生产的MOTOMAN-SSF2000型的工业机器人。其额度负载为6kg采摘半径为1378mm度2403mm机械臂底座距离地面的高度为1200mm。2.3履带式的移动平台为了可以准确获取障碍物的距离和行驶路径等信息此次设计采用了减振性能较好的橡胶履带。为了避免钢制驱动轮与橡胶履带配合造成橡胶履带磨损过快的缺陷驱动轮采用了超高分子聚乙烯材料。移动平台的行走装置采用了安川电动机来驱动这种电动机只需改变驱动器设置便可实现交流与直流间的供电切换这样便减少了有些果园没有三相交流电的使用限制。3机器的视觉系统3.1果实的定位与识别定位系统和果实识别的硬件主要由1394转换卡双目摄像机和主控制器组成。先由摄像机采集果树图像然后通过1394转换卡将采集到的果树图像传输到主控制器在主控制器中采用各种图像处理算法对果树图像进行处理从而识别出成熟的果实解算出果实在机械臂基坐标系下的三维坐标。3.2果实的图形采集由于摄像机的视野有限只采集一幅图片是不能对整棵果树进行覆盖的所以采集图像时机械臂需要在多个不同的位姿进行采集。通过实验表明大部分果树需要采集6幅图片方可覆盖。系统每采集一幅图就会对果实进行识别和定位处理并且对该图片中成熟果实的位姿信息进行保存然后由上位机根据成熟果实的位姿信息对机械臂采摘路径作出规划。当一幅图像中的成熟果实采集完毕后机械臂自行运动到下一个图像采集位姿并重复以上图片的采集过程直至6幅图片中所有被识别的成熟果实采集完毕。4控制系统的设计4.1硬件系统的设计这个采摘机器人的控制系统主要由上、下位机控制器和传感系统等部分组成该硬件的结构框图如图4所示。4.2下位机和上位机的控制器该控制系统采用的是上、下位机两层结构下位机控制器包括：末端执行器控制器机械臂控制器及移动平台控制器。上位机控制器采用研华IPC610