產(chǎn)品與市場 機(jī)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(yán)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(shè)不斷實(shí)施 人們不斷深入探索采摘自動化 當(dāng)前學(xué)者對葡萄采摘自動化研究如下 日本岡山大學(xué) Monta 等 1 針對棚架種植設(shè)計(jì)了基于激光掃描識別的 5自 由度葡萄采摘機(jī)器人 李慧鵬等 2 3 針對葡萄采摘機(jī)自然 環(huán)境下采摘點(diǎn)定位困難問題 對葡萄 葡萄果梗識別和采 摘點(diǎn)定位問題進(jìn)行了研究 楊皓天等 4 針對機(jī)械臂藤蔓避 障問題 進(jìn)一步優(yōu)化完善了藤蔓干涉情況的數(shù)據(jù)計(jì)算與 分析能力 單海勇等 5 6 以葡萄采摘機(jī)構(gòu)為研究對象 向讀 者展示了各自的葡萄采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu) 當(dāng)前學(xué)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(jī)構(gòu)的研究多為針對大型葡萄種植基地的大型采摘機(jī) 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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì) 劉鴻宇 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(shè)計(jì)了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄 采摘機(jī) 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(shè)計(jì)了基于可沿環(huán)形運(yùn) 輸臂運(yùn)動的袋裝裝置和夾持裝置的葡萄托住機(jī)構(gòu) 末端執(zhí)行器帶剪子的六自由度機(jī)械臂葡萄剪裁機(jī)構(gòu)和采用 滾珠絲杠原理實(shí)現(xiàn)葡萄分裝的葡萄收集機(jī)構(gòu) 利用 Solidworks 建立了基于雙面視覺定位的智能葡萄采摘機(jī)三 維模型 系統(tǒng)仿真了采摘機(jī)的葡萄采摘 封裝 運(yùn)輸功能 輸出目標(biāo)葡萄串的運(yùn)動軌跡 可實(shí)現(xiàn)采摘 封裝 和運(yùn)輸為一體的自動化操作 驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用市面上成熟產(chǎn)品具備較大安全設(shè)計(jì)余量 基于 ANSYS Work bench軟件對主要受力部件進(jìn)行了分析校核 對結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及材料選型進(jìn)行了驗(yàn)證分析 結(jié)果表明 該設(shè) 計(jì)方案可滿足使用需求 具有較強(qiáng)的工程實(shí)施價值 可為其他類似自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考 關(guān)鍵詞 智能 葡萄采摘機(jī) 三維建模 仿真分析 中圖分類號 S2 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)研究較 少 針對以上研究現(xiàn)狀 本文設(shè)計(jì)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(jī) 實(shí)現(xiàn) 了葡萄采摘 封裝和運(yùn)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(jī)整體設(shè)計(jì) 本文基于現(xiàn)代智能識別技術(shù)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作模 式 設(shè)計(jì)了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機(jī) 下 文簡稱 智能葡萄采摘機(jī) 智能葡萄采摘機(jī)主要包括葡 萄的采摘系統(tǒng) 封裝系統(tǒng) 分裝系統(tǒng) 行進(jìn)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(shù) 應(yīng)用 Solidworks 三維建模軟件設(shè)計(jì)的智能 葡萄采摘機(jī)如圖 1所示 該智能葡萄采摘機(jī)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(jìn)系統(tǒng) 16 左運(yùn)輸臂 4 和右運(yùn)輸臂 7 的動力系統(tǒng)運(yùn)動 實(shí)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(yùn)輸臂 4 運(yùn)動到采摘葡萄下方 同時展開空塑料袋 6 做收集準(zhǔn)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(yùn)輸臂 7 并沿著右運(yùn)輸臂 7 運(yùn)動到采摘機(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)葡萄的存 放操作 2 智能葡萄采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 采摘系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采摘系統(tǒng)包括采摘機(jī)械臂 左運(yùn)輸臂 袋裝裝置和塑 料袋供給裝置 4 部分 采摘機(jī)械臂采用帶剪子的 6 自由 度機(jī)械臂 末端執(zhí)行器上的剪子用于實(shí)現(xiàn)葡萄與藤蔓的 分離 左運(yùn)輸臂是設(shè)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(yùn)動 左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動可驅(qū) 動左運(yùn)輸臂實(shí)現(xiàn)傾斜角度調(diào)整 袋裝裝置結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)塑料袋的固定操作 伸 縮吸盤吸附住靠運(yùn)動導(dǎo)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(yùn)動導(dǎo)軌中間方向運(yùn)動 實(shí) 現(xiàn)塑料袋的展開操作 2 2 封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì) 封裝系統(tǒng)包括右運(yùn)輸臂 夾持裝置和封口裝置 3 部 分 右運(yùn)輸臂側(cè)面設(shè)有橡膠軌道 臂上安裝有 1個夾持裝 置可沿橡膠軌道運(yùn)動 右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動可驅(qū)動右運(yùn)輸臂實(shí) 現(xiàn)傾斜角度調(diào)整 夾持裝置用于實(shí)現(xiàn)葡萄從袋裝裝置到右運(yùn)輸臂的轉(zhuǎn) 移 其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 是一個可在 X 方向 Z 方向運(yùn)動 的2自由度機(jī)械臂 2 3 分裝系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分裝系統(tǒng)包括葡萄的收集裝置 存放裝置 2 部分 其 結(jié)構(gòu)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(yùn)動實(shí)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(yùn)動實(shí)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(jī)械臂 4 左運(yùn)輸臂 5 袋裝裝置 6 塑料袋 7 右運(yùn)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(jìn)機(jī)構(gòu) 17 塑料袋供給裝置 圖1 葡萄采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖 1 左固定夾持器 2 伸縮吸盤 3 導(dǎo)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(yùn)動導(dǎo)軌 9 包裝袋 10 左摩擦 輪 11 左橫向滑塊 12 右驅(qū)動電機(jī) 13 左驅(qū)動電機(jī) 圖2 袋裝裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1 豎向?qū)к?2 橫摩擦輪電機(jī) 3 橫向摩擦輪 4 橫向滑塊 5 導(dǎo)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(jī) 圖3 夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖 55 產(chǎn)品與市場 向絲桿驅(qū)動葡萄接收筐運(yùn)動到右運(yùn)輸臂上的夾持裝置下 方 夾持機(jī)構(gòu)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(yùn)動到對應(yīng)葡萄存 放格上方 打開底板將葡萄放到存放格實(shí)現(xiàn)分裝操作 2 4 行進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 行進(jìn)系統(tǒng)采用履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu) 在主動軸兩端都設(shè) 有結(jié)構(gòu)一樣的行星差速結(jié)構(gòu) 主動電機(jī)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(jìn)而帶動左 右 動力輸出軸作等速同向轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)直線運(yùn)動 差速 電機(jī)轉(zhuǎn)動使左 右差速輸出軸作等速反向轉(zhuǎn)動 進(jìn)而使 左 右差速行星輪作等速反向轉(zhuǎn)動 導(dǎo)致左 右動力輸出 軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動 3 智能葡萄采摘機(jī)仿真分析 3 1 智能葡萄采摘機(jī)系統(tǒng)仿真 智能葡萄采摘機(jī)系統(tǒng)仿真主要驗(yàn)證采摘機(jī)的葡萄采 摘 封裝 運(yùn)輸功能 智能葡萄采摘機(jī)的采摘流程如圖 5 所示 對采摘 封裝和運(yùn)輸 一體化采摘過程進(jìn)行仿 真 在一次采摘過程中 極限采摘工況 采摘機(jī)械 臂處于最大打開狀態(tài) 完 成葡萄采摘 裝袋并運(yùn)至 左后方的存放格中 下的 目標(biāo)葡萄串的運(yùn)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(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用市面上的成熟產(chǎn)品 進(jìn)行選型設(shè)計(jì) 具備較大的安全設(shè)計(jì)余量 因此不再進(jìn)行 力學(xué)分析校核 主要對自制零部件葡萄接收筐進(jìn)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(xué)分析校核 并根據(jù)分 析結(jié)果對葡萄接收筐擋板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 最后對優(yōu)化后 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析校核 結(jié)果表明 最大應(yīng)力為48 3MPa 遠(yuǎn)小于對應(yīng)材料 304 不銹鋼的屈服強(qiáng)度 205MPa 最大 變形僅為0 57mm 滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求 4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘 機(jī) 詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的基本原理與各個功能分系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)組成 系統(tǒng)仿真了采摘機(jī)的葡萄采摘 封裝 運(yùn)輸功 能 輸出目標(biāo)葡萄串的運(yùn)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(jié)構(gòu)方案設(shè) 計(jì)及材料選型進(jìn)行驗(yàn)證分析 該系統(tǒng)可自動化實(shí)現(xiàn)采摘 封裝和運(yùn)輸?shù)囊惑w化操作 具有較強(qiáng)的工程實(shí)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(shè)計(jì)提供參考 參考文獻(xiàn) 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(xué)習(xí)的多品種鮮食葡萄采 摘點(diǎn)定位 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué) 2022 43 12 155 161 3 姜宇 蔡同彪 郎需林 等 基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)器人采摘葡萄方法 研究 J 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 2022 2 11 14 4 楊皓天 萬騰 葡萄采摘機(jī)械臂的藤蔓避障功能與防纏藤研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2022 44 10 19 24 5 單海勇 棚架葡萄機(jī)器人手 臂協(xié)同無損采收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) D 江蘇大學(xué) 2021 6 張偉博 葡萄采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動控制研究 D 山東科技大 學(xué) 2019 1 前橫向滑塊 2 縱向驅(qū)動電機(jī) 3 前橫向絲桿 4 前橫向驅(qū)動電機(jī) 5 后橫向驅(qū)動電機(jī) 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(jié)構(gòu)圖 圖5 智能葡萄采摘機(jī)的采摘流程圖 圖6 目標(biāo)葡萄串的運(yùn)動軌跡示意圖 56