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采-运同步式双机器人葡萄自动化采收系统

2024-11-08 120 上传者：管理员

摘要：【目的】传统的葡萄采收方式受人工搬运能力的限制，同时存在采摘点往返集中点的运输时间损失、采收效率较低等问题，亟需探索一款强度低、效率高、安全性佳的葡萄自动化采收系统。【方法】研究小组设计并制造了一种采-运同步式双机器人葡萄自动化采收系统，首先从葡萄的采收方式入手，提出了采-运同步式采收，为葡萄的自动化采收打下了基础；其次对采摘机器人和运输机器人的运输筐转移系统进行了研究，设计出了采摘机器人与运输机器人相结合的采收机器人系统；最后设置采运同步组与先采后运组的采收对比实验，比较二者的采收性能。【结果】在总工作时间分别为20 min、40 min、60 min的条件下，随着工作时间的延长，采运同步组的总运输数比先采后运组分别提升了25%、26%、28%；随着工作时间延长、采摘范围扩大，采收效率的提升程度也逐渐增大。【结论】该采-运同步式双机器人自动化采收系统能自主完成葡萄采收作业，相比于传统作业模式有着较好的效率提升效果，应用前景广阔。

关键词：
劳动密集
果实运输
自动化采摘
自动化采收系统
葡萄
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葡萄是我国广泛种植的水果品种，随着农业生产中自动化大棚技术的普及，葡萄的栽培逐渐突破了季节限制，葡萄成为一年四季高产稳产的热门水果。葡萄采摘约占整个葡萄种收作业量的40%[1]，具有季节性强和劳动密集的特点。设计制造葡萄自动化采收系统，对降低葡萄采收劳动强度和提高采收效率具有重要意义。

1、国内外研究现状

经过多年的研究与发展，国外果蔬采摘机械已经具有较高的水平[2]，试制成功了多种果蔬采摘机器人。Harrell等合作研发了一种柑橘采收机器人。该机器人由彩色摄像机和超声波测距机进行识别定位，采用半圆形环切刀切断果梗[3]。西班牙的AGROBOT公司研发的基于高架栽培的草莓采摘机器人[4]通过多个装有传感器和图像处理单元的机械臂相互协同工作进行采摘作业，能够无损伤采摘高架栽培模式下的成熟草莓。荷兰的Van Henten等[5]研发的智能温室轨道黄瓜采收机器人在末端执行器将果实夹紧后，采用高压电极将果梗切断，采摘成功率约为80%。

近年来，国内对于果蔬的自动化采收机器人也有着不断深入的研究。江苏大学唐善奇[6]为了避免快速振荡作业导致葡萄果粒的脱落，对末端执行器的传动结构、指端夹剪机构进行优化设计，从而实现“减振低脱”目标，在仿真环境中进行运动学和动力学分析，进一步证明该优化设计有效。针对机械面对藤蔓时的避障功能，杨皓天等[7]总结了机械臂执行采摘动作的过程中可能引起藤蔓干涉的众多因素，针对干涉问题进行了机械臂关键结构和功能的优化，并对导致避障或采摘失败的因素进行了分析。南京农业大学顾宝兴等[8-10]设计研发的自走式智能苹果采摘机器人采用六自由度工业机械臂作为采摘机械臂，具有双目视觉系统和导航系统，能够完成自主导航、采摘及苹果装箱作业，如图1所示。

图1自走式苹果采摘机器人

2、采-运同步式采收方式

传统的葡萄人工采收方式通常为采摘者携带一果实收集框，将采摘到的葡萄果实不断放置于收集框中，待收集框装满或达到一定重量后搬运至集中点。在该方式下，单个果实收集框的容量受人工搬运能力的限制，同时存在采摘点往返集中点的运输时间损失，采收效率较低。人工携筐采收葡萄实例如图2所示。

图2人工携筐采收葡萄

而目前常见的葡萄采收机器人方案，通常是在机器人上安装果实收集框承载装置，将采摘到的葡萄果实放置于收集框中，达到一定条件后统一搬运至集中点。该采收方式下，单个果实收集框的容量相比于人工采收有了较大水平的提高，但每次执行运输果实至集中点的任务时仍需中断采摘任务，对采摘效率造成了一定的影响。先采后运式葡萄采摘机器人如图3所示。

图3先采后运式葡萄采摘机器人

因此，本文提出了一种采-运同步的新型采收方式。即在采摘机器人上安装果实收集框承载装置和果实收集框转移装置，同时设计一运输机器人。运输机器人可同时搭载多个果实收集框，并可与采摘机器人之间进行果实收集框转移。在采摘机器人执行采摘任务并检测到果实收集框已收集了一定重量的果实后，采摘机器人通过信息中心呼叫运输机器人前往采摘机器人处，将容纳了足够多果实的水果收集框转移至运输机器人上，运输机器人再将空的水果运输框转移至采摘机器人上。完成转移任务后，采摘机器人继续采摘任务，运输机器人则前往集中点。

采-运同步式多机器人葡萄采收系统如图4所示，采集和运输任务分开同步进行。由于不同采摘机器人之间的采摘进度不同，因此同时被呼叫的运输机器人数量远小于运输机器人总数，使得各采摘机器人在采集任务无缝进行的同时，还能使用一个运输机器人配合多个采摘机器人作业，可较好地提高采收作业效率并节省采收系统成本。

图4采-运同步式多机器人葡萄采收系统

3、双机器人系统设计

3.1果实运输筐转移系统方案设计

葡萄采摘机器人与葡萄运输机器人之间的转移，包含了满载的收集框转移至运输机器人上的作业和空载的收集框转移至采摘机器人上的作业。在进行转移作业前，应对两机器人之间的相对位置进行固定，由此提出了一种先定位后连接的对接方案，即两机器人之间先通过行走基本对齐靠近，接着通过定位和连接装置使两机器人暂时成为一个整体，实现相对位置的固定。对于果实运输框在不同机器人间的转移，提出了一种运输框传送带转移系统方案。该方案提出在采摘机器人上安装一可动平台，并于可动平台上安装一运输框平移机构；同时在运输机器人上安装多个运输框平移机构。转移系统开始工作时，运输机器人上应至少存在一不装载运输框的平移装置和一装载了空运输框的平移装置，采收机器人上应存在一满载运输框的平移装置；转移作业先由采收机器人的平移装置通过可动平台与运输机器人上不装载运输框的平移装置对齐，解除对满载运输框的固定后将满载运输框转移至运输机器人上并固定；再由采收机器人的平移装置通过可动平台与运输机器人上装载空运输框的平移装置对齐，解除对空运输框的固定后将空运输框转移至采摘机器人上并固定。

3.2葡萄采摘及运输机器人结构设计

为了合理地对平移机构在运输机器人上的布局优缺点进行讨论，在三维建模软件SolidWorks中多次进行建模设计，获得了如图5所示的多种布局方式。

图5多种运输机器人平移机构布局

其中，图5(a)将平移机左右放置于同一平面，该方案占地面积大、空间高度小，适合低矮环境作业，但每次转移作业时需多次对齐，或者在采摘机器人上使用机构水平移动承载框平移机构，易造成重心偏移。图5(b)将平移机上下放置于同一竖直位置，该方案占地面积小、空间高度大，设计具体尺寸时需考虑上文葡萄生长环境中果实最低点的离地高度1 500 mm，每次转移作业时底盘无需多次对齐，但作业时考虑到葡萄种植园葡萄架左右间距较小，并排行驶空间可能不足。图5(c)将平移机上下放置于同一竖直位置，改左右对接为前后对接方式，该方案占地面积小、空间高度较大，每次作业无需多次对齐，且避免了种植架左右间距小的问题。在图5(c)的基础上降低机器人总体高度，最终的三维模型设计如图6所示。

图6低高度运输车三维模型

本系统选用的果实承载框长600 mm、宽415 mm、高150 mm，底部凸起部分宽340 mm、高7 mm。

在平移机回转机构的材料选择上，常用的有链板带和皮带两种材料。其中，链板带具有结实可靠、承载能力强、可部分更换、摩擦力小、成本高等特点，皮带具有结实可靠、承载力较弱、需整体更换、摩擦力大、成本低等特点。考虑到果实承载框依靠静摩擦力的作用进行水平方向的运动、满载时重量不大等方面，选择皮带作为回转机构的材料，为实现精准控制平移距离，采用同步带作为皮带的使用形式。

为使果实承载框转移装置尽可能结构紧凑、占地空间小，设计两平移同步带的距离最宽处略宽于果篮宽度。考虑到果实承载框底部边缘宽度为340 mm，设计单根同步带宽度为344 mm。其余结构及尺寸参考常见的平移机设计，初步获得平移机三维设计，如图7所示。

图7果实承载框平移机三维模型

同时，为防止果实承载框在工作过程中有不必要的水平移动，在平行于平移同步带的承载框两外侧各安装一导向挡板，阻止其垂直于平移同步带移动。

为了与上述双层承载设计的运输机器人之间进行果实承载框的转移作业，采摘机器人的平移机构应能与运输机器人的不同水平高度的平移机构对接，为此，设计一个平移机构的竖直移动设施。目前，市面上常见的垂直升降机构有桁架式、剪式、垂直顶升式，如图8所示。

图8常见的垂直升降机构

其中，桁架式升降机构具有升降速度快、承载重量大、结构复杂、结构体积大等特点；剪式升降机构具有升降速度快、承载重量一般、结构简单、可自锁、结构体积小等特点；垂直顶升式升降机构具有升降速度慢、承载重量大、结构简单、结构体积小、需外接液泵等特点。考虑到葡萄采摘机器人的作业空间不大，以及被升降对象总重量不大等特点，选用剪式升降机构作为平移机构的垂直升降设施。

考虑到果实承载框的高度尺寸，最大升降距离不应小于150 mm。在建模软件SolidWorks中多次建模设计，获得了如图9所示的升降机构，其最大升降距离为300 mm，满足上述设计需求。

图9剪式升降机构三维模型

运输机器人的果实承载框平移机构设计与采摘机器人相同，整体设计方案中不同的是运输机器人上装有多个平移机构，且平移机构的机架与机器人主体之间不可相对移动。根据上文设计方案，对采摘车上的果实承载框转移装置进行设计与选型，选用塑料果篮作为果实承载框，购买多串阳光玫瑰葡萄进行装载实验，得到满载时总重约10 kg，但存在第三层果实高出承载框上边缘的情况，高出边缘部分20～60 mm。

为避免果实在平移途中与机器人主体发生干涉，使用上层平移机构作为满载框的承载部分，使用下层平移机构作为空载框的承载部分。主要设计尺寸为：总体高度340 mm，上层搭载满载承载框后总体高度500 mm，内部层高250 mm，安装平移机后剩余层高100 mm，可合理容纳空承载框与满载承载框，且不易与环境发生干涉。

3.3果实收集框转移作业流程

1)葡萄运输机器人先移动靠近停止在原地的采摘机器人，使得运输机器人上的锥形凸出部进入采摘机器人上的定位孔，当采摘机器人电磁限位感应器被触发后，两机器人行走机构刹车锁紧，刹车锁紧后，两机器人间执行转移作业时不会出现相对位移。2)采摘机器人升降平台电机正转，带动剪式升降平台上升250 mm，使采摘机器人平移装置与运输机器人上层平移装置处于同一平面；采摘机器人平移装置电机正转，输送皮带转动，运输筐向运输机器人方向移动，同时运输机器人上层平移装置电机反转，当运输框接触运输机器人的输送皮带后，运输框继续沿导向条移动；运输框触碰运输机器人上层限位传感器后，两机器人的平移装置电机均停止工作。3)采摘机器人升降平台电机反转，带动剪式升降平台下降250 mm，采摘机器人平移装置与运输机器人下层平移装置处于同一平面；运输机器人下层平移装置电机正转，输送皮带转动，运输框沿导向条向采摘机器人方向移动，同时采摘机器人平移装置电机反转，当运输框接触采摘机器人的输送皮带后，空运输框沿导向条向采摘机器人方向移动；空运输框触碰采摘机器人限位传感器后，两机器人平移装置电机均停止工作。4)两机器人解除刹车锁定，运输机器人驶离，完成转移作业。

4、实验与分析

4.1样机与实验设计

根据采-运同步的葡萄采收新方式，通过对采摘机器人及运输机器人果实承载框转移装置进行设计和优化，对底部行走机构、机械臂主体及控制电气设备进行选型和布局设计，最终对各元器件和整机系统进行加工和安装，实现对采摘机器人和运输机器人初代样机的自行开发，如图10所示。

图10采摘机器人与运输机器人样机

设计实验如下：1)在室内模拟搭建葡萄种植区域，每隔2 m设置一葡萄采摘区域。2)在葡萄种植区域外设置果实集中区域。3)采摘机器人在葡萄采摘区域停留30 s即视为采摘完成。采运同步组在采摘完成后由运输机器人从果实集中区域出发，与采摘机器人进行交接后返回；先采后运组在采摘完成后由采摘机器人返回果实集中区域，放置果实筐后返回。4)记录不同工作时间内运输的果实筐总数。

4.2实验结果与分析

经过多次实验，获得实验数据如表1所示。

表1运输结果对比

在总工作时间分别为20 min、40 min、60 min的条件下，随着工作时间的延长，采运同步组的总运输数比先采后运组分别提升了25%、26%、28%。这是因为工作时间越长，部分采摘区域离集中区域就越远，往返用时越长，先采后运便会在往返路程上浪费大量时间。

由实验结果可知：本文提出的采-运同步式双机器人自动化采收系统，对比先采后运式单机器人不断往返的自动化采收模式，在采收效率上至少提升了25%，且随着工作时间延长、采摘范围扩大，采收效率的提升程度也逐渐增大。

参考文献:

[1]宋健,张铁中,徐丽明,等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报,2006(5):158-162.

[2]张保华,李江波,樊书祥,等.高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用[J].光谱学与光谱分析,2014,34(10):2743-2751.

[6]唐善奇.葡萄采摘的果穗振动耦合仿真和末端执行器设计及试验[D].镇江:江苏大学,2016.

[7]杨皓天,万腾.葡萄采摘机械臂的藤蔓避障功能与防缠藤研究[J].农机化研究,2022,44(10):19-24.

[8]顾宝兴,姬长英,王海青,等.智能移动水果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2012,43(6):153-160.

[9]顾宝兴,姬长英,王海青,等.农用开放式智能移动平台研制[J].农业机械学报,2012,43(4):173-178+187.

[10]顾宝兴.智能移动式水果采摘机器人系统的研究[D].南京:南京农业大学,2012.

文章来源:叶银海,戴扬晋,王泽浩.采-运同步式双机器人葡萄自动化采收系统[J].南方农机,2024,55(21):9-12+29.

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期刊名称：南方农机

期刊人气：1526

期刊详情

主管单位：江西省农业农村厅

主办单位：江西省农业机械研究所

出版地方：江西

专业分类：农业

国际刊号：1672-3872

国内刊号：36-1239/TH

邮发代号：44-110

创刊时间：1970年

发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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