温室智能装备系列之三十八:智能温室大棚

　　为提高果实采收自动化水平，针对高架栽培果实设计了一种新型自动采摘机器人系统，其可以对机器人本体两侧果实同时进行采摘。系统采用机器视觉方式实现自主导航，通过双目视觉相机对果实进行识别和空间定位，由关节型机械臂操纵末端执行器进行定位。系统末端执行器采用吸附果实、夹持和切割果柄的方式对果实进行柔性操作。根据实际需求制定了采摘机器人系统作业流程，保证机器人作业高效有序。试验结果表明，果实采摘机器人系统采摘成功率达75％，单次采摘作业平均耗时11s。
　　引言
　　设施环境种植蔬菜果实因其反季节、高产的特点，在世界各地广泛种植。为保证其食用和外观品质，需要在收获期分时段多次挑选采摘，目前以人工作业为主，劳动强度大，工作效率低，并且随着老龄化以及农业劳力转移，采收成本也逐渐增加。为提高采摘作业自动化水平，20世纪90年代开始，日本率先研制针对高架栽培的果实自动化采摘设备，K0ndo等人2010年最新研制的果实采摘设备采摘成功率为41.3％，单循环作业耗时11.5s。然而，由于农业环境不稳定性、作业对象分布不规则，以及个体差异大等客观因素限制，目前智能采收设备研究仍处于试验样机阶段。
　　本文针对果实高架栽培模式，设计了可进行双侧高效采摘的机器人系统，主要对其中各功能部件进行设计和集成，并制定系统作业流程。本系统采用无线遥控和语音提示交互方式，可满足观光农业和科普教育领域示范应用，以进一步推动智能采收设备真正进入农业生产。
　　工作环境介绍
　　果实高架栽培因其结构化种植特点，有利于减轻劳动作业强度，改善果实食用品质，近几年受到广泛推广。果实种植于栽培槽内，并由栽培架固定支撑。采摘机器人行走于栽培架行间，同时对两侧果实进行采摘。果实主要分布在高度距地面850～1070mm区域，深度范围为200mm的空间区域内。
　　系统构成模块
　　如图1所示，采摘机器人系统硬件由轮式移动平台、关节型采摘机械臂、双目视觉相机、柔性末端执行器以及系统控制器五部分构成。
　　导航模块
　　采摘机器人系统采用大功率四轮驱动小车作为系统承载移动平台，以适应农业环境不平整地面。移动平台前端安装彩色摄像机，感知行走路面彩色导航路标，保证采摘机器人在果实栽培架行间中央自主移动。
　　果实识别定位模块
　　果实识别定位模块采用PointGrev公司BumbIebee2系列双目视觉相机。该相机工作视距为700mm时，有效视场为500mm×500mm，空间定位精度±1mm，满足采摘机器人系统目标定位要求。根据双目相机采集的两幅果实彩色图像特征，研究基于果实色彩和形态的目标识别算法，实现复杂背景下果实目标的特征提取，并以此作为图像特征匹配参数，利用三维测距算法，得到果实空间坐标。
　　采摘机械臂
　　采摘机械臂负责末端执行器操作和定位，其运动精度和速度直接决定系统采摘效率。综合考虑采摘机器人视觉定位相机视场区域大小以及果实种植模式，选用DENSO小型关节型机械臂。其最大运动半径为650mm，末端载荷5kg，点位往复运动时间最快0.4s，重复定位精度±0.02mm，同时其关节型构型空间区域运动灵活，有利于满足果实栽培狭小作业环境要求。
　　末端执行器
　　果实表皮非常柔嫩，夹持果实本体容易造成果皮损伤，影响果实品质，进而影响后续加工、储藏。采摘机器人采用了由吸附果实、夹持、切割果柄3个主要部件组成的柔性末端执行器。果实吸附部件采用风琴式吸盘，果柄夹持部件由平行开闭型气爪、夹持垫片、夹持手指构成，果柄切割部件由切割刀片和垫板构成，切割部件安装于夹持部件上方，随夹持手爪开合实现切割。
　　系统控制方案
　　采摘机器人控制器负责运行导航、果实识别定位、机械臂控制及末端执行器控制等4个程序模块，以及接收发送控制信号。如图2所示，机器人控制系统构成，采摘机器人输入设备有双目视觉相机和路标识别相机，分别通过1394b总线、USB端口与机器人控制器相连接进行数据通信。控制器通过RS232、A／D模块对机械臂和末端执行器状态进行控制。
　　作业流程规划
　　系统启动后应用程序加载各功能模块并进行初始化设置，按下遥控手柄启动按键后，在导航模块控制下移动平台驱动采摘机器人系统自主行走4s后停止前进，果实识别定位模块首先对机器人左侧果实进行识别定位，并将视场内成熟果实序列空间坐标发送到机械臂控制模块。机械臂据此将末端执行器定位置至果实位置，完成果实吸附、夹持及切割后，放入果实筐，完成单个采摘循环，如此继续直到左侧视场所有果实采摘完成，机械臂恢复至初始位置腰关节旋转180°，开始对右侧果实进行采摘。右侧视场果实全部采摘完成后，机械臂复位，移动平台开始前进继续采摘作业，直至通过遥控手柄结束采摘。
　　采摘机器人系统性能试验
　　为了验证采摘机器人系统作业精度和效率，在室内简单背景环境下使用该系统对其两侧各4个果实进行采摘，采用秒表记录作业过程耗时情况。试验结果记录如表1所示，其中(x，v，z)为果实相对机械臂坐标系空间坐标值，序号1、2、3、4为左侧果实，其余为右侧果实。
　　由试验结果可得，采摘成功率方面，8个果实其中6个采摘成功，4、5号由于处于视觉系统视场边缘定位误差增加，从而造成末端执行器吸盘吸附固定失败。作业效率方面由于右侧果实采摘时间包含机械臂腰关节自左向右旋转过程耗时，系统完成单个果实采摘平均耗时10.99s。
　　结论
　　针对高架栽培果实构建了采摘机器人系统，完成各功能模块的选型、设计和集成，机器人可对本体两侧果实进行采摘，有利于提高采摘作业效率。采摘机器人系统性能试验表明，机器人对8个试验目标中的6个进行成功采摘，完成单个果实采摘平均耗时11s。
　　资助项目：北京市创新团队岗位专家项目；863计划课题2012AAl01903；科技支撑计划课题2012BAF07802。