山茶采摘机械人总体设计.docx

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山茶采摘机械人总体设计

山茶采摘平台设计研究

摘要：

随着国内外采摘机器人的兴起，21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期，机械作业已逐步进入农业生产领域。

本文研究设计了能减轻人工劳动强度和提高工作效率的山茶采摘平台，平台由主控模块、行走模块（全向履带）和升降模块组成。

系统以STM32为核心控制器，通过对伺服电机的控制可实现采摘平台的行走控制和升降控制。

本文结合由铝型材制作的采摘平台的实物模型对系统的设计进行了分析和总结。

关键词：

机器人；农业机械化；采摘平台；全向履带

Designandresearchofthecamelliapickingplatform

Author:

HuangLi

Tutor:

LiXu

（OrientScience&TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China）

Abstract:

Withtheriseofthepickingrobotathomeandabroad,the21stcenturyisanimportanthistoricalperiodofthemechanizationofagriculturetotheintelligentdirection,therobothasgraduallyenteredthefieldofagriculturalproduction.Thisstudydesigncanreducelaborintensityandimprovetheefficiencyofthecamelliapickingplatform,Thispickingplatformbywalkingmodule（Omni-track）,liftingmoduleandmaincontrolmodule.ThesystemusetheSTM32asthecorecontroller.Thecontrolofservomotorcanbeachievedwalkingandliftingofthepickingplatform.Thedesignofthephysicalmodelproducedbythealuminumpickingplatformsystemwasanalyzedandsummarizedinthispaper.

Keywords:

Robot;mechanizationofagriculture;pickingplatform;Omni-track

1前言

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。

机器人涉及多学科交叉综合；人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、仿生学、机构学、信息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、电机拖动学、精密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。

21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。

我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。

随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入农业生产领域。

采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，使其具有很大的发展潜力[1]。

1.1研究意义与目的

农业是国民经济的基础,这是不以人们意志为转移的客观经济规律。

农业生产力发展的水平和农业劳动生产率的高低,决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力的数量,进而制约着这些部门的发展规模和速度。

近年来，采摘作业的效率提高问题已成为农业经济发展需突破的瓶颈问题之一，目前在国内，果实采摘的成本普遍比较高，效率也低，人工采摘成为制约各地生产效率提高的一个瓶颈。

在各地的采摘作业基本上还是手工完成,随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也将提高。

因此推广发展机械化收获采摘技术和研究具有重要的意义。

现今国内外有某些公司已经解决了机器采茶的问题，但是由于该机器结构复杂，核心机构和工作部件需要进口，价格昂贵。

而且该机的易损部件也是核心零部件还不能国产化，导致使用成本大大提高，所以国内的机械化采茶的效率还很低，中小型茶农也很难购买该类机器，即使有能力购买采摘机，高昂的使用维护成本会使茶农的种植收益大打折扣。

针对这种状况，本文主要以山茶采摘平台作为研究对象，目标是提高采摘工作效率，降低茶农成本，提高利润[2]。

山茶采摘平台行走控制系统设计的目的是用先进的机械化来替代繁重且低效益的农业生产方式，使农民采摘作业的更高效、更科学化、更省力。

利用山茶采摘平台行走控制系统实现对果实成熟时采摘的机械化，智能化。

极大地提高了采摘的工作效率，降低了人工作业的工作强度。

1.2国内外研究现状

收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国（1968年），采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。

从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家，在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。

（1）机器人可能成为美国农场的重要组成部分

由于美国政府采取了更加严格的边境管理政策，一些依靠外来移民劳动力的农场主正将他们的视野转向一种正在发展中的新一代摘果机器人。

此类机器人可以从事从采集酿酒用的葡萄直至清洗和摘取莴苣心的工作。

目前这类机器人正处于全面发展时期，将成为收获精致水果和蔬菜的基本工具，目前这些工作仍由手工完成。

圣地亚哥视觉机器人技术发明者德里克莫里卡瓦认为：

新采摘机器人要依靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力。

现代成像技术同样也使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。

方法就是将一台机械化扫描机器送入果园。

装备有数字成像技术设备的机器人能够生成一张三维地图，显示位置、成熟度和水果质量。

一台采摘机器人按照这些画面，使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果。

加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作开发一种水果采摘机器人。

上个月研究人员对原型机进行了检测，但是距离真正的广泛商业应用还有很长的路要走。

另外，加州州立大学弗雷斯诺分校一个葡萄酒专家小组正在研制一种自动采摘机器人，目的是使葡萄酒业实现更多的机械化。

该新技术包括一种称之为近红外线分光计的装置，它可以在采摘之前检测葡萄样品中的糖含量和化学成分。

然后利用这些数据绘制一幅全球定位系统地图，收割机器人可以使用这些地图进行导航，在葡萄园中采摘特定的理想成熟葡萄串。

位于萨利纳斯山谷的拉姆齐黑蓝德公司销售能够部分自动使用带状锯或水刀的机器人,机器人从地面收割莴苣，并将莴苣进行装箱，以便清洗和加工。

该公司首席执行官弗兰克梅肯纳奇称，拉姆齐黑蓝德公司开发的一种新机器模型已接近完工，这种新机器人可以采摘、清洗、取心和对莴苣和其他绿色蔬菜进行打包。

（2）日本的果蔬采摘机器人

自1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经20多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。

目前，日本在水果采摘机器人领域中研究颇丰，其研究出的采摘机器人主要有以下几类。

西红柿采摘机器人

日本Kondo—N等人研制的西红柿收获机器人，由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成。

西红柿一簇可长4-6个果实，各个果实不一定是同时成熟，并且果实有时被叶茎挡住，收获时要求机械手活动范围大，能避开障碍物，所以机器人的采摘机械手设计成具有7自由度，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。

末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成；视觉传感器主要由彩色摄像机来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用4轮结构，能在垄间自动行走。

采摘时，移动机构行走一定的距离后，就进行图像采集，利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息，判断西红柿是否在收获的范围之内，若可以收获，则控制机械手靠近并摘取果实，吸盘把果实吸住后，机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。

草莓采摘机器人

Kondo-N等人还针对草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和传统模式）研制出了相应的采摘机器人。

高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用。

该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。

收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动直到把草莓吸入；由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。

黄瓜采摘机器人

黄瓜采摘机器人，采用6自由度的机械手，能在倾斜棚支架下工作，这种支架栽培方式是专门为机械化采摘而设计。

黄瓜果实在倾斜棚的下侧，便于黄瓜与茎叶分离，使检测与采摘更容易。

在摄像机前加了滤波片，根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。

其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。

采摘时由机械手指抓住黄瓜后，果梗探测器寻找果梗，然后切割器切断果梗。

功能葡萄采摘机器人

葡萄采摘机器人采用5自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。

视觉传感器一般采用彩色摄像机，采用PSD三维视觉传感器效果更好些，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。

在开放式的种植方式下，由于采摘季节太短，单一的采摘功能使得机器人的使用效率太低，因此开发了多种末端执行器，如分别用于采摘和套袋的末端执行器、装在机械手末端的喷嘴等。

用于葡萄采摘的末端执行器有机械手指和剪刀，采摘时，用机械手指抓住果房，用剪刀剪断穗柄。

除了以上介绍的几种类型的采摘机器人，日本还开发了用于柑橘采摘、蘑菇和西瓜收获等的机器人。

目前，果蔬采摘机器人的智能水平还很有限，离实用化和商品化还有一定的距离。

主要存在的问题，一是果实的识别率和采摘率不高，损伤率较高；二是果实的平均采摘周期较长；三是采摘机器人制造成本较高；随着传感器及计算机视觉等技术的发展，果蔬采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力：

一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是要提高采摘机器人的通用性，提高机器人的利用率。

（3）荷兰的黄瓜采摘机器人

1996年，荷兰农业环境工程研究所（MAG）研制出一种多功能黄瓜收获机器2人。

该研究在荷兰2hm的温室里进行，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生长。

该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置。

机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。

采摘通过末端执行器来完成，它由手爪和切割器构成。

机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统初步定位。

机械手有7个自由度，采用三菱公司（Mitsubishi）RV-E26自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。

收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自走运输车完成。

整个系统无人工干预就能在温室工作。

试验结果为工作速度10s/根，在实验室中效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求。

（4）英国的蘑菇采摘机器人

英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。

它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬垫的吸引器；视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。

采摘成功率在75%左右，采摘速度为617个/s，生长倾斜是采摘失败的主要原因。

如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问题[3]。

（5）国内研究进展

在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。

东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。

采摘时机器人停在距离母树3～5m，操纵机械手回转马达对准母树。

然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.5～2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。

这种机器人效率是500kg/天，是人工的30～50倍。

而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。

另外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。

浙江大学的应义斌等完成了水果自动分级机器人的研究开发。

赵杰文等研究了基于HIS颜色特征的田间成熟番茄识别技术，该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果。

梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果[2]。

2山茶采摘平台创意设计与方案

2.1采摘机器人一般组成

采摘机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。

机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置的作用是实时检测机器人的运动以及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。

控制系统有两种方式。

一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。

另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。

2.2山茶采摘平台设计方案

对于智能可升降式移动平台来说，其主要性能是平台运行过程中的稳定性、准确性、安全性以及可操作性。

通过学习和总结以往的各种产品，拟定了采摘平台的设计方案如下:

1、移动底盘采用自主研究设计的山地行走系统用全向履带，使采摘平台适用于山区地形，而且在坡地行走的转向过程中无需调整履带的朝向，降低了操作的复杂度，提高了行走的稳定性。

2、升降机构采用行星齿轮啮合折叠式升降结构，其具有升降平稳准确、运输状态尺寸小、安全可靠等优点，结构紧凑使其生产作业轻松自如。

3、控制系统主控芯片采用STM32系列，其芯片高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用等特点，在复杂的作业中更稳定和实用以及方便工业方面的改装。

2.3研制概要

课题要求设计山茶采摘平台，目的是减轻人工的劳动强度，提高工作效率。

系统主要包含以下内容：

1.采摘平台的底盘结构设计：

要求结合山茶生长区的地域特点，设计适合于该地形行走的底盘结构，并且具有较强的负载能力。

2.采摘平台的升降结构设计：

要求结合山茶树的外形尺寸特征，设计具有一定行程的升降系统，实现采摘平台的上升与下降，以达到方便采摘山茶的目的。

3.采摘平台的电气控制系统设计：

结合各单元的机械结构，设计对应的电气控制系统实现对相应动作的控制。

3山茶采摘平台机械设计

3.1底盘的设计

3.1.1基于45°全向轮的分析

作为移动机器人而开发的移动机构种类已相当繁多，仅就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式。

其中全方位轮式移动机构无需车体做出任何转动便可实现任意方向的移动，并且可以原地旋转任意角度，运动非常灵活，可沿平面上任意连续轨迹走到要求的位置。

（1）单个辊子的运动原理

45°全向轮外形像一个斜齿轮，轮齿是能够转动的鼓形辊子，辊子的轴线与轮的轴线成α角度。

这样的特殊结构使得轮体具备了三个自由度：

绕轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平动和绕辊子与地面接触点的转动。

这样，驱动轮在一个方向上具有主动驱动能力的同时，另外一个方向也具有自由移动（被动移动）的运动特性。

轮子的圆周不是由普通的轮胎组成，而是分布了许多小滚筒，这些滚筒的轴线与轮子的圆周相切，并且滚筒能自由旋转。

当电机驱动车轮旋转时，车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋转。

图1为45°全向轮的各结构和运动参量。

图145°全向轮运动参量的定义

Fig145°Omni-wheelmovementmarametersofthedefinition

（2）全方位轮协调运动原理

图2为采用全方位移动机构的车轮组合情况，轮中的小斜线表示触地辊子的轴线方向。

每个全方位轮都由一台直流电机独立驱动，通过四个全方位轮的转速转向适当组合，可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。

4个全方位轮组成的机器人底座的力分析如图，其中f为轮子滚动时小辊子受到轴向的摩擦力；F为小辊子做从动滚动时受到的滚动摩擦力；ω为各轮转动的角速度[4]。

图2组合运动图

Fig2Combinedmotionmap

四边形底盘：

动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到P底盘重心O的距离都等于a如下图所示，假设每个轮子与地面的摩擦力分别为f1、f2、f3、f4,按照力学公式推导如下：

图3四边形底盘分析

Fig.3ChassisOfQuadrilateral

∑Fx=f1+f3

∑Fy=f2+f4

∑Mo=（f1*a）+（f2*a）+（f3*a）+（f14*a）

当f1=f3；f1与f3方向相同f2=f4=0此时机器人向X方向运动

当f2=f4；f2与f4方向相同f1=f2=0此时机器人向Y方向运动

f1=f2=f3=f4；f1与f3方向相反f2与f4方向相反时此时机器人原地旋转

f1=f3=F1,f2=f4=F2；F1方向与F2相反此时机器人向F1与F2的合力方向移动。

（3）45°全向轮的参数设计

　假设图4中所示的圆柱是全方位轮的理论设计圆柱，曲线AB是轮子滚动时辊子与地面的接触线。

曲线AB是等速螺旋线，曲线AB绕直线AB旋转一周就形成了全方位轮辊子的曲面。

图4辊子生成图[5]

Fig4Rollergeneratedmap

由上述模型设计如下参数：

　　辊子最小端半径rmin（mm）；　　　　　　　　　　　　

　　辊子轮廓上任意一点相对于AB的距离δ及其最大值δmax（mm）和最小值δmin（mm），由前面的推导知道δmin＝rmin，辊子最大半径rmax=δmax；

　　辊子轴线与轮子Z轴的夹角α（rad）；

　　辊子轴线与轮子Z轴的最小距离Smin（mm）；

　　辊子的数目N；

　　辊子的长度l（mm）；

　　轮子的实际宽度b′（mm）。

（4）模型分析[6]

　　运动学模型是全方位轮协调无碰运动轨迹时规划的理论依据，而动力学模型是研究动态环境下的实际时变运动规划问题的基础。

运动学建模可以从理论上证明全方位轮是如何协调实现机器人的全方位运动的，并且为进一步建立动力学模型提供基础。

本文作了三个合理的假设：

忽略本体及辊子的柔性；

忽略工作场地的不规则，即四个全方位轮能同时正常运转；

全方位轮与工作面有足够大的摩擦力，轮体不存在打滑现象。

　　首先设定移动机器人的几个不同坐标系，推导不同坐标系间的变换关系进而求轮体雅可比矩阵，并求出运动学问题的正逆问题最小二乘解。

在运动学基础上，求轮体复合系统在固定坐标系中的加速度及加速度能，并求出动力学正逆问题解，为全方位移动机器人的进一步研究提供理论模型[7]。

图5山茶采摘平台移动底盘

Fig5Molilechassisofthecamelliapickingplatform

3.1.2一种山地行走系统用全向履带

行走系统可分为轮式和履带式两大类。

轮式行走装置的特点是功耗低，较机动，但是通过性能比履带式差；履带式的特点则是与地面接触面积大，通过能力强，且履带式行走装置可利用履带的差速实现转弯，转弯半径小，甚至是原地转弯。

但目前履带行走装置在使用的过程中存在两个较严重的缺点：

一是转向时由于与地面接触面积大摩擦力大，所以功率消耗大，零件易磨损；二是在改变运动方向时需要调整履带的朝向，增加了操作的复杂性。

1.一种全向履带，可实现履带不同角度横向平移的履带，其特征在于，所述全

向履带具有：

履带主体，其由履带板和履带销组成，履带销将履带板连接起来构成履带链环；履带板中间有孔，与主动轮啮合，每块履带板两侧各安装一个毂轮，毂轮通过轴和轴承安装在履带板上，可以灵活的转动。

2.根据所述的全向履带，其中履带板两侧的轮毂平行排列，毂轮的中心轴与传动轴线空间所成夹角为0-90度。

综上分析，这种无需调整履带朝向便可实现自由转向的全向履带尤其适用于山区地形的果园采摘平台，它即具有履带的通过性强的特点适合山地坡地行走，而且在坡地行走的转向过程中无需调整履带的朝向，降低了操作的复杂度，提高了行走的稳定性。

其效果是电机驱动主动轮运转带动履带链环运动，在两侧履带链环出现转速差时会产生转向运动，由于本发明的履带板上安装有毂轮，所以此刻履带的转向无需改变朝向。

适合安装于农业用作业机械、土木用作用机械或建设用作用机械等行驶车辆的全向履带。

我们结合轮式底盘和履带式底盘的优点和使用条件，决定用我们自主研究设计的全向履带作为山茶采摘平台的移动底盘。

3.2升降机构的设计

升降机构可以选择丝杆、导轨、滑块、直线滑轨式和直线轴承式等机构，并且我和指导老师也同时讨论了这几种机构的设计方案，但为了满足实验的要求，必须稳定、可靠、速度快、动作准确、方便控制等特点。

在指导教师的组织下，我进行了多次选择和分析：

1.采用直线轴承式升降：

是一种以低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。

由于承载球与轴呈点接触，故使用载荷小。

钢球以极小的摩擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动。

直线轴承是与淬火直线传动轴配合使用。

作无限直线运动的系统。

负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触，容许载荷较小，但直线运动时，摩擦阻力最小，精度高，运动快捷。

2.采用同步带传输动力：

同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。

同步带传动时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐