基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機設計.pdf

產(chǎn)品與市場 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 Development Innovation of Machinery Electrical Products Vol 37 No 1 Jan 2024 第37卷第1期 2024年1月 0 引言 葡萄在國內(nèi)種植品種約 800 種 種植面積約 60 公 頃 采摘勞動力需求大 我國人口老齡化和農(nóng)村勞動力流 失日益嚴重 迫切需要葡萄采摘自動化 鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略 美麗鄉(xiāng)村建設不斷實施 人們不斷深入探索采摘自動化 當前學者對葡萄采摘自動化研究如下 日本岡山大學 Monta 等 1 針對棚架種植設計了基于激光掃描識別的 5自 由度葡萄采摘機器人 李慧鵬等 2 3 針對葡萄采摘機自然 環(huán)境下采摘點定位困難問題 對葡萄 葡萄果梗識別和采 摘點定位問題進行了研究 楊皓天等 4 針對機械臂藤蔓避 障問題 進一步優(yōu)化完善了藤蔓干涉情況的數(shù)據(jù)計算與 分析能力 單海勇等 5 6 以葡萄采摘機構為研究對象 向讀 者展示了各自的葡萄采摘實現(xiàn)機構 當前學者針對葡萄 葡萄果梗識別的研究較多 且大多理論已較成熟 但采摘 機構的研究多為針對大型葡萄種植基地的大型采摘機 文章編號 1002 6673 2024 01 054 03 修稿日期 2023 08 07 作者簡介 劉鴻宇 2002 男 四川三臺人 本科 機械設計制造及其自動化 Design of Intelligent Grape Picking Machine Based on Binocular Vision Localization LIU Hong Yu School of Mechanical and Electrical Engineering Central South University Changsha Hunan 410012 China Abstract In response to the problems of low efficiency and high labor cost in traditional manual grape picking this article designs an intel ligent grape picking machine based on binocular visual positioning Based on the analysis of a series of actions of supporting grapes cutting grape handles and collecting grapes in the process of manual grape picking a grape holding mechanism based on the bagging device and the clamping device that can move along the circular transport arm a Six degrees of freedom robot arm with scissors at the end of the actuator and a grape collecting mechanism that uses the ball screw principle to realize grape subpackage were designed A three dimensional model of an intelligent grape picking machine based on double sided visual positioning was established using Solidworks The system simulated the grape picking packaging and transportation functions of the picking machine outputting the motion trajectory of the target grape string and achieving automated operations that integrate picking packaging and transportation The driving mechanism adopts mature products on the market with significant safety design margin Based on ANSYS Workbench software the main load bearing components were ana lyzed and verified and the structural scheme design and material selection were verified and analyzed The results indicate that the design scheme can meet the usage needs and has strong engineering implementation value which can provide reference for the design of other similar automation products Keywords Intelligence Grape picking machine 3D modeling Simulation analysis 基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機設計 劉鴻宇 中南大學 機電工程學院 湖南 長沙 410012 摘 要 針對傳統(tǒng)人工采摘葡萄效率低 人力成本高的問題 本文設計了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄 采摘機 分析人工采摘葡萄過程中的托住葡萄 剪裁葡萄柄和收集葡萄一系列動作 設計了基于可沿環(huán)形運 輸臂運動的袋裝裝置和夾持裝置的葡萄托住機構 末端執(zhí)行器帶剪子的六自由度機械臂葡萄剪裁機構和采用 滾珠絲杠原理實現(xiàn)葡萄分裝的葡萄收集機構 利用 Solidworks 建立了基于雙面視覺定位的智能葡萄采摘機三 維模型 系統(tǒng)仿真了采摘機的葡萄采摘 封裝 運輸功能 輸出目標葡萄串的運動軌跡 可實現(xiàn)采摘 封裝 和運輸為一體的自動化操作 驅(qū)動機構采用市面上成熟產(chǎn)品具備較大安全設計余量 基于 ANSYS Work bench軟件對主要受力部件進行了分析校核 對結構方案設計及材料選型進行了驗證分析 結果表明 該設 計方案可滿足使用需求 具有較強的工程實施價值 可為其他類似自動化產(chǎn)品設計提供參考 關鍵詞 智能 葡萄采摘機 三維建模 仿真分析 中圖分類號 S2 文獻標識碼 A doi 10 3969 j issn 1002 6673 2024 01 016 54 產(chǎn)品與市場 針對中小型葡萄種植戶的小型自動化葡萄采摘機研究較 少 針對以上研究現(xiàn)狀 本文設計了一款適用于中小型葡 萄種植戶的基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機 實現(xiàn) 了葡萄采摘 封裝和運輸一體化操作 提高了采摘效率 降低了勞動成本 1 智能葡萄采摘機整體設計 本文基于現(xiàn)代智能識別技術和計算機遠程操作模 式 設計了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機 下 文簡稱 智能葡萄采摘機 智能葡萄采摘機主要包括葡 萄的采摘系統(tǒng) 封裝系統(tǒng) 分裝系統(tǒng) 行進系統(tǒng) 掉落收集 系統(tǒng)和視覺定位系統(tǒng) 6 部分 基于 MBD Model Based Design 技術 應用 Solidworks 三維建模軟件設計的智能 葡萄采摘機如圖 1所示 該智能葡萄采摘機工作原理如下 首先 在雙目視覺 系統(tǒng) 2 確定采摘葡萄位置后 主控系統(tǒng)控制行進系統(tǒng) 16 左運輸臂 4 和右運輸臂 7 的動力系統(tǒng)運動 實現(xiàn)采摘 姿態(tài)調(diào)整 其次 塑料袋供給裝置 17 將空塑料袋 6 安裝 在袋裝裝置 5 并沿著左運輸臂 4 運動到采摘葡萄下方 同時展開空塑料袋 6 做收集準備 再次 塑料袋裝滿葡萄 后 夾持裝置 12 將裝葡萄的塑料袋從袋裝裝置 5 轉(zhuǎn)移到 右運輸臂 7 并沿著右運輸臂 7 運動到采摘機的主體倉 1 內(nèi) 通過主體倉內(nèi)壁上的封口裝置 13 利用鋁釘將裝有葡 萄的塑料袋封口 最后 收集裝置 14 運動到夾持裝置 12 正下方 夾持裝置 12 張開后裝葡萄的塑料袋掉落到收集 裝置 14 中 并將葡萄存放到存放裝置 15 實現(xiàn)葡萄的存 放操作 2 智能葡萄采摘機結構設計 2 1 采摘系統(tǒng)設計 采摘系統(tǒng)包括采摘機械臂 左運輸臂 袋裝裝置和塑 料袋供給裝置 4 部分 采摘機械臂采用帶剪子的 6 自由 度機械臂 末端執(zhí)行器上的剪子用于實現(xiàn)葡萄與藤蔓的 分離 左運輸臂是設有橡膠軌道的環(huán)狀支撐臂 安裝有 2 個袋裝裝置可以沿著橡膠軌道運動 左側(cè)電機轉(zhuǎn)動可驅(qū) 動左運輸臂實現(xiàn)傾斜角度調(diào)整 袋裝裝置結構如圖 2 所示 空塑料袋安裝在袋裝裝 置后 左 右固定夾持器閉合實現(xiàn)塑料袋的固定操作 伸 縮吸盤吸附住靠運動導軌側(cè)的塑料袋外側(cè)后 伸縮吸盤 與左 右固定夾持器同時向著運動導軌中間方向運動 實 現(xiàn)塑料袋的展開操作 2 2 封裝系統(tǒng)設計 封裝系統(tǒng)包括右運輸臂 夾持裝置和封口裝置 3 部 分 右運輸臂側(cè)面設有橡膠軌道 臂上安裝有 1個夾持裝 置可沿橡膠軌道運動 右側(cè)電機轉(zhuǎn)動可驅(qū)動右運輸臂實 現(xiàn)傾斜角度調(diào)整 夾持裝置用于實現(xiàn)葡萄從袋裝裝置到右運輸臂的轉(zhuǎn) 移 其結構如圖 3 所示 是一個可在 X 方向 Z 方向運動 的2自由度機械臂 2 3 分裝系統(tǒng)設計 分裝系統(tǒng)包括葡萄的收集裝置 存放裝置 2 部分 其 結構如圖4所示 前 后橫向絲桿轉(zhuǎn)動使葡萄接收筐沿 X 方向運動實現(xiàn)橫向位置調(diào)節(jié) 縱向絲桿轉(zhuǎn)動使葡萄接收 筐沿 Y 方向運動實現(xiàn)縱向位置調(diào)整 前 后橫向絲桿 縱 1 主體倉 2 雙目視覺系統(tǒng) 3 采摘機械臂 4 左運輸臂 5 袋裝裝置 6 塑料袋 7 右運輸臂 8 可伸縮桿 9 帆布 10 掉落收集倉 11 齒輪動 力系統(tǒng) 12 夾持裝置 13 封口裝置 14 葡萄收集裝置 15 葡萄存放裝 置 16 履帶行進機構 17 塑料袋供給裝置 圖1 葡萄采摘機整體結構圖 1 左固定夾持器 2 伸縮吸盤 3 導軌固定塊 4 右固定夾持器 5 右 橫向滑塊 6 右摩擦輪 7 T 型槽 8 運動導軌 9 包裝袋 10 左摩擦 輪 11 左橫向滑塊 12 右驅(qū)動電機 13 左驅(qū)動電機 圖2 袋裝裝置結構示意圖 1 豎向?qū)к?2 橫摩擦輪電機 3 橫向摩擦輪 4 橫向滑塊 5 導桿固 定板 6 伸縮固定桿 7 A 伸縮搖桿 8 B 伸縮搖桿 9 包裝袋 10 A 夾持板 11 前伸縮固定件 12 B 夾持板 13 橫向?qū)к?14 豎向滑塊 15 豎向摩擦輪 16 豎摩擦輪電機 圖3 夾持裝置結構示意圖 55 產(chǎn)品與市場 向絲桿驅(qū)動葡萄接收筐運動到右運輸臂上的夾持裝置下 方 夾持機構展開將葡萄放置到葡萄接收筐中 前 后橫 向絲桿 縱向絲桿再驅(qū)動葡萄接收筐運動到對應葡萄存 放格上方 打開底板將葡萄放到存放格實現(xiàn)分裝操作 2 4 行進系統(tǒng)設計 行進系統(tǒng)采用履帶式行進機構 在主動軸兩端都設 有結構一樣的行星差速結構 主動電機使主動軸轉(zhuǎn)動 帶 動左 右主動軸圓錐齒作等速同向轉(zhuǎn)動 進而帶動左 右 動力輸出軸作等速同向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)采摘機直線運動 差速 電機轉(zhuǎn)動使左 右差速輸出軸作等速反向轉(zhuǎn)動 進而使 左 右差速行星輪作等速反向轉(zhuǎn)動 導致左 右動力輸出 軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差 實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動 3 智能葡萄采摘機仿真分析 3 1 智能葡萄采摘機系統(tǒng)仿真 智能葡萄采摘機系統(tǒng)仿真主要驗證采摘機的葡萄采 摘 封裝 運輸功能 智能葡萄采摘機的采摘流程如圖 5 所示 對采摘 封裝和運輸 一體化采摘過程進行仿 真 在一次采摘過程中 極限采摘工況 采摘機械 臂處于最大打開狀態(tài) 完 成葡萄采摘 裝袋并運至 左后方的存放格中 下的 目標葡萄串的運動軌跡 如圖 6所示 3 2 主要零部件分析校核 智能葡萄采摘機的驅(qū)動機構采用市面上的成熟產(chǎn)品 進行選型設計 具備較大的安全設計余量 因此不再進行 力學分析校核 主要對自制零部件葡萄接收筐進行校核 分析 葡萄接收筐作為葡萄分裝過程的主要承載部件 按 照滿載葡萄狀態(tài) 約 1 5kg 開展力學分析校核 并根據(jù)分 析結果對葡萄接收筐擋板進行優(yōu)化設計 最后對優(yōu)化后 的結構進行力學分析校核 結果表明 最大應力為48 3MPa 遠小于對應材料 304 不銹鋼的屈服強度 205MPa 最大 變形僅為0 57mm 滿足剛強度設計需求 4 結論 本文設計了一種基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘 機 詳細介紹了該系統(tǒng)的基本原理與各個功能分系統(tǒng)的 結構組成 系統(tǒng)仿真了采摘機的葡萄采摘 封裝 運輸功 能 輸出目標葡萄串的運動軌跡 并基于 ANSYS Work bench 軟件對主要受力部件開展分析校核 對結構方案設 計及材料選型進行驗證分析 該系統(tǒng)可自動化實現(xiàn)采摘 封裝和運輸?shù)囊惑w化操作 具有較強的工程實施價值 相 對于傳統(tǒng)人工采摘的方式 能有效提高采摘效率 降低采 摘人力成本 對提高葡萄采摘自動化水平有十分重要的 意義 同時可以為其他類似自動化產(chǎn)品設計提供參考 參考文獻 1 M Monta N Kondo and Y Shibano Agricultural robot in grape production system C Proceedings of 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation 1995 2504 2509 2 李惠鵬 李長勇 李貴賓 等 基于深度學習的多品種鮮食葡萄采 摘點定位 J 中國農(nóng)機化學 2022 43 12 155 161 3 姜宇 蔡同彪 郎需林 等 基于深度學習的機器人采摘葡萄方法 研究 J 機器人技術與應用 2022 2 11 14 4 楊皓天 萬騰 葡萄采摘機械臂的藤蔓避障功能與防纏藤研究 J 農(nóng)機化研究 2022 44 10 19 24 5 單海勇 棚架葡萄機器人手 臂協(xié)同無損采收系統(tǒng)設計與實驗 D 江蘇大學 2021 6 張偉博 葡萄采摘機器人結構及運動控制研究 D 山東科技大 學 2019 1 前橫向滑塊 2 縱向驅(qū)動電機 3 前橫向絲桿 4 前橫向驅(qū)動電機 5 后橫向驅(qū)動電機 6 后橫向絲桿 7 后橫向滑塊 8 后橫向固定軸承 座 9 縱向滑桿 10 縱向絲桿 11 縱向滑塊 12 葡萄接收框 13 葡萄 存放格 14 前橫向固定軸承座 圖4 葡萄分裝系統(tǒng)結構圖 圖5 智能葡萄采摘機的采摘流程圖 圖6 目標葡萄串的運動軌跡示意圖 56