草莓收获存在的问题及解决措施

草莓收获存在的问题及解决措施

0中国国际在草莓自动化收获技术方面存在的问题草莓口感清新细腻，营养丰富。深受人们喜爱，具有很高的经济价值。我国草莓种植面积广大,居世界第1位。在我国草莓的人工收获作业量大,劳动强度高,开发并推广草莓的自动化收获技术成为现阶段亟待解决的问题。我国很多地区采用地垄栽培方式种植草莓,地垄截面呈等腰梯形,垄面宽为400mm,垄底宽为600mm,垄高为250mm。草莓植株生长在垄的顶部,草莓果实长出后伏在垄的侧面,果实上方的果柄与垄壁有10～20mm的间隙。世界各国对果蔬自动化收获的研究已历经了20多年。其中,在草莓收获机器人方面存在的主要问题如下:1)组成设备昂贵,常需要高精度的传感设备和伺服设备,不利后期的产品推广;2)动力设备多样,常需要气动设备、高压电动设备、低压电动设备的协调作业才能完成收获任务,影响机器人的机动性;3)收获方式易伤果实;4)机构及末端执行器的结构不适用于收获中国地垄式栽培的草莓。本文以中国国情为出发点,结合国内外相关领域的研究现状及其存在的问题,研究设计了一款草莓收获机器人末端执行器。1组织和原则1.1末端执行器的功能草莓收获机器人末端执行器全长985mm,主要部件包括1个机械爪、3个直流电机、1对直齿轮、1个低压电热切割装置、1对机械触点、1个激光发生器和两个摄像头,如图1所示。在草莓收获机器人的作业过程中,末端执行器可提供以下3种功能:一是检测成熟草莓位姿,为机器人提供导航信息;二是调整自身姿态,使目标便于收获;三是以适当的力度夹持草莓果柄,并将果柄切断,完成草莓采收动作。这3种功能分别由集成在末端执行器上的3个功能单元负责完成,即机器视觉单元、位姿调整单元和夹持剪切单元。1.2机械手料末端执行器标定草莓收获机器人末端执行器机器视觉单元的机械部分由两个CMOS摄像头和1个“一”字线型激光发生器组成。摄像头(A)安装于末端执行器机械爪正下方,其光轴与末端执行器前进方向一致,主要负责成熟草莓的探测及其姿态的判断;摄像头(B)安装于机械手爪侧面,其光轴与摄像头(A)的光轴在空间中成30°夹角,主要负责目标与末端执行器之间距离的判断;激光管安装于机械爪的正上方,其轴线与摄像头(A)的轴线平行,负责为机器视觉系统提供测量基准。在工作过程中,首先由摄像头(A)捕获末端执行器的前方图像,判断草莓在垄平面上的位置和姿态。当末端执行器的位姿被调整到与草莓正对时,激光发生器将激光线打在草莓果轴上。摄像头(B)捕获草莓上的激光束,并根据几何光学测距原理计算出草莓表面被激光束照射位置的距离,为机器人系统提供末端执行器前进方向的导航信息,至此机器视觉系统完成一次导航任务。在末端执行器接近目标的过程中,此任务可多次重复,以保证末端执行器的工作精度。1.3末端执行器与草莓生长垄面之间夹角的调节草莓收获机器人末端执行器的位姿调整单元是机械手爪部分与机器人机身连接的过渡单元,由齿轮(a)、齿轮(b)、支架(a)、支架(b)、电机(b)、电机(c)和法兰组成,分别通过法兰和支架(b)与机械爪和机器人机身相连。齿轮(a)通过支架(b)上的轴与支架(b)固连。当电机(c)带动齿轮(b)运动时,支架(a)以及与之相连的末端执行器其它部分将绕支架(b)上的轴转动,实现末端执行器与草莓生长垄面之间夹角的调节;当电机(b)运动时,机械爪将在法兰的带动下旋转,实现末端执行器与草莓果轴方向夹角的调节。1.4末端执行器的夹持剪切单元的工作流程草莓收获机器人末端执行器的夹持剪切机构主要由机械爪及其附属部件构成。机械爪的末端开合由电机(a)驱动,其机械原理如图2所示。丝杠与内螺纹管通过螺纹连接,电机(a)带动丝杠旋转,螺纹管即前后运动,从而带动两根手指做闭合或张开动作。机械爪的两根手指内侧均附有酚醛塑料板(俗称电木,其作用是绝缘和耐热),在其中一侧的酚醛塑料板上装有电热丝。电热丝的通断电状态通过固态继电器由计算机控制,从而组成一个电热切割装置。一对间距可调的机械触点分别安装在酚醛塑料板上靠近手指跟部的位置,作为机械爪夹合力度的反馈装置。为了使末端执行器更可靠地夹持草莓果柄,在手指内侧的酚醛塑料板上装有橡胶垫。当以机器视觉单元为主的草莓收获机器人导航系统完成既定任务后,末端执行器的夹持剪切单元到达工作位置,此时机械爪处于张开状态,草莓果柄位于两根手指之间,末端执行器开始工作,分以下4步完成作业:1)末端执行器运动就位,除电机(a)外的电机锁定位置;2)机械爪的手指逐渐闭合,较为靠上的一部分果柄先与电热丝接触,并被电热丝推向另一侧的酚醛塑料板;3)机械爪闭合到位,接近草莓果实的果柄被手指稳定地夹住,较靠上的部分果柄被电热丝顶在对侧的酚醛塑料板上,机械触点刚好闭合并发出开关量信号,控制计算机通过数据采集卡得到机械触点所发出的信号,命令电机(a)停止转动;4)手爪以预定的力度保持夹紧状态,电热切割器工开始工作,草莓果柄被高温烧断,末端执行器一次作业结束,准备把草莓送到收集装置。夹持剪切单元的工作流程如图3所示。末端执行器的切割装置采用了低压直流电热切割的方法,通过在镍铬电热丝两端加载低压直流电,其产生的高温可在短时间内将草莓果柄烧断。电热切割法比起常规的冷切割方法有两个明显优势:一是切口处的病毒在高温环境下被杀灭,可有效防止草莓的病害传播;二是与草莓相连的果柄切口处因高温被封闭,可有效防止水分流失,延长果实的保鲜时间。在黄瓜收获机器人的相关研究中,高压和高频电热切割法曾被使用过,而低压直流电热切割法由于工作电压低,可用小型蓄电池作为电源,因此具有安全和便携的特点。2夹持剪切实验加工成型的草莓收获机器人末端执行器如图4所示。在此样机的基础上,对152颗草莓的果柄进行了夹持剪切实验。经统计,当切割电压为5V、电热丝截面直径为0.8mm、长度为30mm时,该草莓收获机器人末端执行器的平均剪切速度为2.86s(从机械爪开始闭合到草莓果柄被电热剪切结构完全剪断),夹持剪切成功率在90%以上(夹持剪切成功149颗)。3基于激光定位的末端执行器设计本文结合我国国情以及国内外相关领域研究现状,对草莓收获机器人末端执行器进行了设计。样机实验证明,该末端执行器能较好完成预定任务。同时,所设计的末端执行器具有以下特点:1)采用CMOS摄像头,并结合激光