天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验

特制的刀具从橡胶树树干割口处切割树皮使胶乳 从割口处流出以获取胶乳的操作 ［3］，属于劳动密 集型工作，是天然橡胶生产的中心环节，人力成 本约占总成本的 70% 以上。目前，割胶作业人员 （胶工） 短缺和老龄化已成为限制中国天然橡胶 产业发展的因素之一 。 ［4］
探索自动化割胶技术，利用先进工业技术， 尤其是农机设计和开发手段，通过合理地系统设 计使割胶效果最优，提高天然橡胶产量并降低对 胶工的技术依赖，对天然橡胶产业的发展具有重
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Vol. 2, No. 4
周 航等：天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验
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要意义 。 ［5,6］ 首先，自动化割胶可以大量减少胶 工成本投入，降低的生产成本转化为扩大橡胶树 的种植面积从而提高产量，以满足国家的战略性 需求；其次，自动化割胶不受人为因素和环境因 素的影响，通过参数控制能够使割胶效果达到最 优，提高天然橡胶产量 。 ［7］ 目前，自动化割胶设 备主要有便携式割胶设备、固定式割胶设备和自 走式割胶设备三种。为便于人工携带，便携式割 胶设备的尺寸和重量都不宜过大，所以大多只为 切割运动提供额外动力，轨迹运动则由人工实 现，对割胶深度和耗皮量 （割胶精度） 的控制或 者继续依赖人工，或者寻求机械结构进行限位仿 形 。 ［8］ 除切割工作外，胶工在广阔的橡胶林里来 回穿行以发现目标树干也将耗费大量体力，因此 产生了对固定式割胶设备的需求。固定式割胶设 备目前仍处于样机测试阶段，制造和维护成本过 高，割胶效果不佳，必须克服固定困难、露天作 业、长期维护等技术问题。
想要实现更具自动化或智能化的自走式割胶 机器人，需要解决以下问题：①切割运动与轨迹 运动的实现方式；②轨迹运动与树干和割线之间 建立联系 ［5］；③割胶精度的实时控制与保障。
为解决割胶机器人面对的作业信息获取与割 胶精度保障等关键问题，本研究针对割胶工作环 境复杂多变、作业信息叠加交互、亚毫米级轨迹 精度等技术难点，基于橡胶树干建立割胶轨迹的
技术难点本研究以人工橡胶林中橡胶树为割胶对象研发割胶机器人，通过建立割胶轨迹的空间数学模型，
规划机器人快速接近和远离操作空间的运动路径；采用双目立体视觉技术获取树干和割线结构参数，融合
机器人运动学、机器视觉技术和多传感器反馈控制技术研制了割胶机器人模块化样机。割胶机器人主要由
轨道式机器人移动平台、多关节机械臂、双目立体视觉系统和末端执行器等组成。在海南天然橡胶林进行
2020 年 12 月 第 2 卷 第 4 期
智慧农业（中英文）Smart Agriculture
Dec. 2020 Vol. 2, No. 4
doi：10.12133/j.smartag.2020.2.4.202010-SA001
天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验
周 航，张顺路，翟毅豪，王 松，张春龙*，张俊雄，李 伟
自走式割胶设备具有自动检测、信息处理和 分析判断等能力，但目前基本都处于概念样机的 构想阶段 ［9,10］。张春龙等 ［11］ 设计的自走式割胶设 备主要由机械臂、轨道车和末端刀具构成，采用 视觉加 RFID 的运动控制方式实现了针对每棵橡 胶树生成特定的较适应的割胶轨迹，提高割胶的 自动化和智能化。张伟民等 ［12,13］ 设计的自走式割 胶设备主体也是机械臂，其运动控制方式为视觉 加激光雷达组合，底盘方式为履带车，根据三维 激光雷达的扫描情况控制底盘的移动和切割作 业，降低了劳动强度，提高了橡胶产量。
1 引言
天然橡胶是关系国计民生的重要战略物资， 与钢铁、石油和煤炭并列为现代社会四大工业原 料 。 ［1］ 2019 年，中国天然橡胶消费量达到 547.5 万吨，进口量达到 519.60 万吨。而同年中国天然 橡胶 （含混合橡胶、复合橡胶） 出口量仅为 3.41 万吨 ［2］。中国对天然橡胶的需求巨大并呈逐年上 升趋势。目前，获取天然橡胶的主要方式依然是 对巴西三叶橡胶树进行割胶作业。割胶是指采用
（中国农业大学 工学院，北京 100083）
摘 要：自动化割胶不仅可以把胶工从繁重的体力劳动和恶劣的工作环境中解放出来，还能降低对胶工的
技术依赖，极大地提高生产效率。实现非结构环境下作业信息自主获取及割胶位置伺服控制是割胶机器人
的关键技术。针对工作环境复杂多变、作业信息叠加交互、目标背景特征相近、亚毫米级作业精度要求等
收稿日期：2020-10-13 修订日期：2020-12-27 基金项目：国家重点研发计划 （2016YFD0701501） 作者简介：周 航 （1991－），男，博士研究生，研究方向为农业机器人和激光雷达遥感。E-mail：zh2018@。 * 通讯作者：张春龙 （1986－），男，博士，副教授，研究方向为农业机器人技术。电话：010-62737726。E-mail：zcl1515@。
引文格式：周航, 张顺路, 翟毅豪, 王松, 张春龙, 张俊雄, 李伟 . 天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶 试验[J]. 智慧农业(中英文), 2020, 2 (4): 56-64. ZHOU Hang, ZHANG Shunlu, ZHAI Yihao, WANG Song, ZHANG Chunlong, ZHANG Junxiong, LI Wei. Vision servo control method and tapping experiment of natural rubber tapping robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2 (4): 5664. (in Chinese with English abstract)
的割胶试验结果表明，在割胶机器人切割 1 mm 厚的橡胶树皮时，耗皮量误差约为 0.28 mm，切割深度误差
约为 0.49 mm。该研究可为探索天然橡胶树的自动化割胶作业提供技术参考。
关键词：天然橡胶；机器人；轨迹规划；图像处理；信息融合；视觉伺服控制
中图分类号：TP242.3
文献标志码：A
文章编号：202010-SA001