基于双目视觉定位的智能葡萄采摘机设计.pdf

产品与市场 机电产品开发与创新 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 葡萄在国内种植品种约 800 种 种植面积约 60 公 顷 采摘劳动力需求大 我国人口老龄化和农村劳动力流 失日益严重 迫切需要葡萄采摘自动化 乡村振兴战略 美丽乡村建设不断实施 人们不断深入探索采摘自动化 当前学者对葡萄采摘自动化研究如下 日本冈山大学 Monta 等 1 针对棚架种植设计了基于激光扫描识别的 5自 由度葡萄采摘机器人 李慧鹏等 2 3 针对葡萄采摘机自然 环境下采摘点定位困难问题 对葡萄 葡萄果梗识别和采 摘点定位问题进行了研究 杨皓天等 4 针对机械臂藤蔓避 障问题 进一步优化完善了藤蔓干涉情况的数据计算与 分析能力 单海勇等 5 6 以葡萄采摘机构为研究对象 向读 者展示了各自的葡萄采摘实现机构 当前学者针对葡萄 葡萄果梗识别的研究较多 且大多理论已较成熟 但采摘 机构的研究多为针对大型葡萄种植基地的大型采摘机 文章编号 1002 6673 2024 01 054 03 修稿日期 2023 08 07 作者简介 刘鸿宇 2002 男 四川三台人 本科 机械设计制造及其自动化 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 基于双目视觉定位的智能葡萄采摘机设计 刘鸿宇 中南大学 机电工程学院 湖南 长沙 410012 摘 要 针对传统人工采摘葡萄效率低 人力成本高的问题 本文设计了一款基于双目视觉定位的智能葡萄 采摘机 分析人工采摘葡萄过程中的托住葡萄 剪裁葡萄柄和收集葡萄一系列动作 设计了基于可沿环形运 输臂运动的袋装装置和夹持装置的葡萄托住机构 末端执行器带剪子的六自由度机械臂葡萄剪裁机构和采用 滚珠丝杠原理实现葡萄分装的葡萄收集机构 利用 Solidworks 建立了基于双面视觉定位的智能葡萄采摘机三 维模型 系统仿真了采摘机的葡萄采摘 封装 运输功能 输出目标葡萄串的运动轨迹 可实现采摘 封装 和运输为一体的自动化操作 驱动机构采用市面上成熟产品具备较大安全设计余量 基于 ANSYS Work bench软件对主要受力部件进行了分析校核 对结构方案设计及材料选型进行了验证分析 结果表明 该设 计方案可满足使用需求 具有较强的工程实施价值 可为其他类似自动化产品设计提供参考 关键词 智能 葡萄采摘机 三维建模 仿真分析 中图分类号 S2 文献标识码 A doi 10 3969 j issn 1002 6673 2024 01 016 54 产品与市场 针对中小型葡萄种植户的小型自动化葡萄采摘机研究较 少 针对以上研究现状 本文设计了一款适用于中小型葡 萄种植户的基于双目视觉定位的智能葡萄采摘机 实现 了葡萄采摘 封装和运输一体化操作 提高了采摘效率 降低了劳动成本 1 智能葡萄采摘机整体设计 本文基于现代智能识别技术和计算机远程操作模 式 设计了一款基于双目视觉定位的智能葡萄采摘机 下 文简称 智能葡萄采摘机 智能葡萄采摘机主要包括葡 萄的采摘系统 封装系统 分装系统 行进系统 掉落收集 系统和视觉定位系统 6 部分 基于 MBD Model Based Design 技术 应用 Solidworks 三维建模软件设计的智能 葡萄采摘机如图 1所示 该智能葡萄采摘机工作原理如下 首先 在双目视觉 系统 2 确定采摘葡萄位置后 主控系统控制行进系统 16 左运输臂 4 和右运输臂 7 的动力系统运动 实现采摘 姿态调整 其次 塑料袋供给装置 17 将空塑料袋 6 安装 在袋装装置 5 并沿着左运输臂 4 运动到采摘葡萄下方 同时展开空塑料袋 6 做收集准备 再次 塑料袋装满葡萄 后 夹持装置 12 将装葡萄的塑料袋从袋装装置 5 转移到 右运输臂 7 并沿着右运输臂 7 运动到采摘机的主体仓 1 内 通过主体仓内壁上的封口装置 13 利用铝钉将装有葡 萄的塑料袋封口 最后 收集装置 14 运动到夹持装置 12 正下方 夹持装置 12 张开后装葡萄的塑料袋掉落到收集 装置 14 中 并将葡萄存放到存放装置 15 实现葡萄的存 放操作 2 智能葡萄采摘机结构设计 2 1 采摘系统设计 采摘系统包括采摘机械臂 左运输臂 袋装装置和塑 料袋供给装置 4 部分 采摘机械臂采用带剪子的 6 自由 度机械臂 末端执行器上的剪子用于实现葡萄与藤蔓的 分离 左运输臂是设有橡胶轨道的环状支撑臂 安装有 2 个袋装装置可以沿着橡胶轨道运动 左侧电机转动可驱 动左运输臂实现倾斜角度调整 袋装装置结构如图 2 所示 空塑料袋安装在袋装装 置后 左 右固定夹持器闭合实现塑料袋的固定操作 伸 缩吸盘吸附住靠运动导轨侧的塑料袋外侧后 伸缩吸盘 与左 右固定夹持器同时向着运动导轨中间方向运动 实 现塑料袋的展开操作 2 2 封装系统设计 封装系统包括右运输臂 夹持装置和封口装置 3 部 分 右运输臂侧面设有橡胶轨道 臂上安装有 1个夹持装 置可沿橡胶轨道运动 右侧电机转动可驱动右运输臂实 现倾斜角度调整 夹持装置用于实现葡萄从袋装装置到右运输臂的转 移 其结构如图 3 所示 是一个可在 X 方向 Z 方向运动 的2自由度机械臂 2 3 分装系统设计 分装系统包括葡萄的收集装置 存放装置 2 部分 其 结构如图4所示 前 后横向丝杆转动使葡萄接收筐沿 X 方向运动实现横向位置调节 纵向丝杆转动使葡萄接收 筐沿 Y 方向运动实现纵向位置调整 前 后横向丝杆 纵 1 主体仓 2 双目视觉系统 3 采摘机械臂 4 左运输臂 5 袋装装置 6 塑料袋 7 右运输臂 8 可伸缩杆 9 帆布 10 掉落收集仓 11 齿轮动 力系统 12 夹持装置 13 封口装置 14 葡萄收集装置 15 葡萄存放装 置 16 履带行进机构 17 塑料袋供给装置 图1 葡萄采摘机整体结构图 1 左固定夹持器 2 伸缩吸盘 3 导轨固定块 4 右固定夹持器 5 右 横向滑块 6 右摩擦轮 7 T 型槽 8 运动导轨 9 包装袋 10 左摩擦 轮 11 左横向滑块 12 右驱动电机 13 左驱动电机 图2 袋装装置结构示意图 1 竖向导轨 2 横摩擦轮电机 3 横向摩擦轮 4 横向滑块 5 导杆固 定板 6 伸缩固定杆 7 A 伸缩摇杆 8 B 伸缩摇杆 9 包装袋 10 A 夹持板 11 前伸缩固定件 12 B 夹持板 13 横向导轨 14 竖向滑块 15 竖向摩擦轮 16 竖摩擦轮电机 图3 夹持装置结构示意图 55 产品与市场 向丝杆驱动葡萄接收筐运动到右运输臂上的夹持装置下 方 夹持机构展开将葡萄放置到葡萄接收筐中 前 后横 向丝杆 纵向丝杆再驱动葡萄接收筐运动到对应葡萄存 放格上方 打开底板将葡萄放到存放格实现分装操作 2 4 行进系统设计 行进系统采用履带式行进机构 在主动轴两端都设 有结构一样的行星差速结构 主动电机使主动轴转动 带 动左 右主动轴圆锥齿作等速同向转动 进而带动左 右 动力输出轴作等速同向转动实现采摘机直线运动 差速 电机转动使左 右差速输出轴作等速反向转动 进而使 左 右差速行星轮作等速反向转动 导致左 右动力输出 轴出现转速差 实现转弯运动 3 智能葡萄采摘机仿真分析 3 1 智能葡萄采摘机系统仿真 智能葡萄采摘机系统仿真主要验证采摘机的葡萄采 摘 封装 运输功能 智能葡萄采摘机的采摘流程如图 5 所示 对采摘 封装和运输 一体化采摘过程进行仿 真 在一次采摘过程中 极限采摘工况 采摘机械 臂处于最大打开状态 完 成葡萄采摘 装袋并运至 左后方的存放格中 下的 目标葡萄串的运动轨迹 如图 6所示 3 2 主要零部件分析校核 智能葡萄采摘机的驱动机构采用市面上的成熟产品 进行选型设计 具备较大的安全设计余量 因此不再进行 力学分析校核 主要对自制零部件葡萄接收筐进行校核 分析 葡萄接收筐作为葡萄分装过程的主要承载部件 按 照满载葡萄状态 约 1 5kg 开展力学分析校核 并根据分 析结果对葡萄接收筐挡板进行优化设计 最后对优化后 的结构进行力学分析校核 结果表明 最大应力为48 3MPa 远小于对应材料 304 不锈钢的屈服强度 205MPa 最大 变形仅为0 57mm 满足刚强度设计需求 4 结论 本文设计了一种基于双目视觉定位的智能葡萄采摘 机 详细介绍了该系统的基本原理与各个功能分系统的 结构组成 系统仿真了采摘机的葡萄采摘 封装 运输功 能 输出目标葡萄串的运动轨迹 并基于 ANSYS Work bench 软件对主要受力部件开展分析校核 对结构方案设 计及材料选型进行验证分析 该系统可自动化实现采摘 封装和运输的一体化操作 具有较强的工程实施价值 相 对于传统人工采摘的方式 能有效提高采摘效率 降低采 摘人力成本 对提高葡萄采摘自动化水平有十分重要的 意义 同时可以为其他类似自动化产品设计提供参考 参考文献 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 李惠鹏 李长勇 李贵宾 等 基于深度学习的多品种鲜食葡萄采 摘点定位 J 中国农机化学 2022 43 12 155 161 3 姜宇 蔡同彪 郎需林 等 基于深度学习的机器人采摘葡萄方法 研究 J 机器人技术与应用 2022 2 11 14 4 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 5 单海勇 棚架葡萄机器人手 臂协同无损采收系统设计与实验 D 江苏大学 2021 6 张伟博 葡萄采摘机器人结构及运动控制研究 D 山东科技大 学 2019 1 前横向滑块 2 纵向驱动电机 3 前横向丝杆 4 前横向驱动电机 5 后横向驱动电机 6 后横向丝杆 7 后横向滑块 8 后横向固定轴承 座 9 纵向滑杆 10 纵向丝杆 11 纵向滑块 12 葡萄接收框 13 葡萄 存放格 14 前横向固定轴承座 图4 葡萄分装系统结构图 图5 智能葡萄采摘机的采摘流程图 图6 目标葡萄串的运动轨迹示意图 56