摘要：仿生机器人是指依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，分析发现在水果采摘时，传统机械手在抓取圆球状物体（如苹果等）时通常会发生打滑现象，并且抓取脆性以及易损伤物体（如西红柿等）时容易受力不均造成物体表面损伤等问题，研究和开发新型的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、等方面都有着重要的意义。本文基于自然界睡莲的开放和闭合现象，运用三维建模软件SolidWorks，以机械手为研究对象，对机器模型进行三维设计，并进行虚拟装配及运动仿真。仿真结果表明，该装置设计满足实际需求。
引言
人工水果采摘是一项繁琐并且采摘作业效率不高的工作，由于采摘作业的复杂性以及产品采摘质量不高，国内很少使用机械进行采摘作业，目前仍采用传统的人工采摘方式，因此研究和开发水果收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜水果的品质等方面都有着重要的意义。本文运用三维建模软件SolidWorks，以水果采摘机器为研究对象，对机器模型进行三维设计，并进行虚拟装配及运动仿真。仿真结果表明，该装置设计满足实际的采摘需求。
1.研究现状
1968年，美国学者Schertz和Brown提出了应用机器人技术进行果蔬收获。1993年，日本近藤等人研制出一台西红柿收获机器人。该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成。末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成。通过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。该机器人存在的问题是西红柿采摘质量不高，容易将西红柿表面划破。我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期，与发达国家还有很大的差距。
2.结构设计
该机器人由机械结构部分和智控系统两部分构成。机械结构包括六自由度机械手臂、仿生机械爪和双摇臂履带底盘，智控系统主要包括伺服电机驱动、双目摄像机、传感器控制模块、数据采集卡、运动控制卡、锂电池供电箱和控制系统。六自由度机械手臂装置可以做转动和移动的动作，可以使仿生机械爪到达臂长范围的任何三维坐标点。该机器人的机械手臂装置韧性强、承受负载大、自身轻薄、灵活性高、到达指定位置误差小，在整个采摘作业过程中，运行速度适中，惯性较小，平稳度非常高。
仿生机械爪是采摘过程中最重要的部件，水果的抓取收获依靠其完成。基于自然界睡莲开放和闭合现象，设计了一种如睡莲花瓣开放的机械爪，该机械爪可以将圆球状物体包罗其中，避免传统手指式机械爪对球状物体表面受力不均造成的损伤。
图1 仿生机械爪结构图
履带式底盘采用了双摇臂设计，该设计可以使装置越过障碍物，亦可在楼梯上行走自如。
机器人控制系统硬件以计算机为核心，处理双目摄像图的高清照片，利用图像处理模块识别和定位目标果实，制定规划可移动载体的路径，并控制机械手臂进行采摘作业。机器人控制结构如图2所示。
图2.1 智能控制系统结构图
当机器人在采摘时遇到障碍物时，由于障碍物信息是时刻变化的，需要把全局轨迹规划和部分轨迹规划结合起来;同时考虑随机出现的障碍物，根据红外传感器检测运动前方的障碍物，运用路径规划算法，不断的通过红外传感器接收运动前方其他的动态障碍物，同时结合前进速度判断有无碰撞的可能性，调用路径规划算法再次对路径进行规划，自动的避开前方的障碍物。
3.工作过程
采摘机器人进行采摘作业时通过先识别成熟果实然后确定其三维位置，因此果实成熟率的识别和定位极大程度地影响了采摘的成功率。采摘过程中，仿生机械爪采摘位置主要依靠目标果实的三维位置确定。三维图像的视觉技术是采用两个摄像机从不同的角度去对目标果实拍摄成像，然后根据图像采集卡将信息传送至计算机，由其根据两者的角度差异实现目标果实的三维图像;根据形成的三维图像，机器人可知道目标果实的大小、三维形状等，进而实施准确采摘。机器视觉系统主要包括计算机、光学镜头、CCD摄像机及数字图像处理模块等。工作时，系统由CCD摄像机将待测目标转化为数字图像的电信号，然后传送给计算机;计算机机采用专用的图像处理软件，根据色彩和颜色，采用Blog算法提取果实的特点，最后，根据设定的量化值和其他条件进行准确判断。采摘机器人识别的核心技术包括果实的识别与成熟度的判断和果实空间坐标的计算两个方面。
图2.2 双目视觉识别图
4.结论
针对传统机械手在抓取圆球状物体时通常会发生打滑现象，并且抓取脆性物体时容易受力不均造成物体表面损伤等方面的问题，本文基于自然界睡莲开放灵感，设计了一种机械爪如睡莲花瓣开放的机器人，该机械爪可以将圆球状物体包罗其中，避免传统手指式机械爪对球状物体表面受力不均造成的损伤。该机器人将机器视觉技术与自动化控制技术融合在一起，机械结构简易、协调灵活、运行速度快，躲避障碍物能力强，识别目标果实速度快，摘过果实的成功率高，对果实的保护性好，实现了水果采摘过程的机械智能化、自动化，具有十分宽广的应用前景。
论文作者:曲皇屹,栾亨宣
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/12
标签：机器人论文; 机械论文; 果实论文; 障碍物论文; 睡莲论文; 作业论文; 机械手论文; 《基层建设》2018年第36期论文;