自走式柔性智能苹果采摘机设计
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（３）采摘系统：末端采摘系统的结构设计直接 影响苹果的采摘效率和损伤程度，市面上最常见的 采摘器夹持结构的设计大多以抓取机械手为原型， 由两个机械爪指构成，如图 １所示，但是这种结构 的设计在采摘过程中极易损伤果实，造成一定的经 济损失。为了解决此类问题，采摘系统采用圆弧形 采摘爪的设计，如图 ２所示，使采摘过程更加简单， 接收到采摘指令后，采摘爪将苹果包裹其中，可以 忽略采摘夹持力的大小，因为苹果完全包裹在采摘 爪内且内部有橡胶材料，所以只有夹持力足够大， 苹果就不能掉出来。
Ｆ ＞Ｇ； Ｇ ＝ｍｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）； 成熟苹果大约能承受 ７Ｎ的力， 则夹持力： Ｆ≥ ７Ｎ。 （３）动力模块：采摘机的行进动力是来自直流 减速电机的驱动力。通过对整机重量和行进速度 的估算，选 择 功 率 合 适 的 电 机。整 机 重 量 约 ５ｋｇ （实验阶段没进行已采摘苹果的重量分析）。通过 大致分析选择了 １２Ｖ、４０ｒ／ｍｉｎ、负载 ５．６ｋｇ的直流 减速电机。 （４）总控制模块：总控制模块为 ＳＴＣ－８９ｃ５２ 单片机接收来自识别定位模块的中断信息控制行 进模块的行进和驻停。
图 ２ 弧形夹持结构
图 ３ 机械手三维图
２ 采摘作业流程设计
自走式柔性智能苹果采摘机工作流程如图 ４ 所示，其运行系统由单片机控制，采用红外线感应 传感器作为装置运行时的感应系统，使其能够循迹 和壁障，达到自主运行的目的。在自然光条件下 ， 实现苹果的准确识别与定位 ，是苹果采摘机器人 视觉系统的的基础和关键技术。此装置采用颜色 识别技术实现过时的识别和准确定位；经过 ｔｈｒｅｓｈ ｏｌｄ算法对 图 片 像 素 信 息 处 理，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝［Ｒ，Ｇ， Ｂ］＝［２２０，２０，６５］近似为苹果成熟的红色。然后 从输出口输出高、低电平（高电平 ＝可以通过阈值 的 像 素 信 息，即 检 测 到 成 熟 的 苹 果 ）给 总 控 制 模 块。总控制 模 块 接 收 到 信 号 后，立 即 传 给 采 摘 系 统，采摘系统接到指令后，机械手快速移动到苹果 所在位置，准确采摘苹果后将其运送至车厢内。
第 ３７卷 第 ２期 佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ２０１９ 年 ０３月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１００８－１４０２（２０１９）０２－０２４７－０３
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２０１９
０ 引 言
１９世 纪 中 期，英、法、美 等 国 家 对 水 果 的 机 械 化采摘方面进行了研究，并针对一些特殊用途的水 果实现了机械化采摘［１］。我国在人工智能机器采 摘方面的研究处于起步阶段，开发了与手扶拖拉机 配套的机械震动式山楂采果机、气囊式采果器和手 持电动采果器。而后两者还是人工作业用的辅助 机械，虽然在保护果实不受损伤方面做的较好，但 效率还是太低［３］。
（４）手臂伸缩系统：手臂伸缩系统的设计以工 业机械手为原型，主要完成机械手的定位和将苹果 运送至车厢内的过程，如百度文库 ３所示。
① 收稿日期：２０１９－０１－２５ 基金项目：佳木斯大学校长创新创业基金项目（ＸＺＹＦ２０１８－０４）；黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（２０１８１０２２２０９８）；黑龙 江省教育厅基本科研业务费基础研究项目（２０１７－ＫＹＹＷＦ－０５９３）。 作者简介：邵强（１９９４－），男，安徽宿州人，研究方向：机械创新设计。 通讯作者：邱新伟（１９８８－），男，河南新乡人，助理实验师，研究方向：农业装备技术。
３ 理论设计计算
（１）识别定位模块：基于 ＤＳＰ的高速算法计
图 ４ 作业流程图
（２）末端采摘模块：末端采摘模块为抓取机械 手，由两个半圆形特殊机械爪构成，内层接触果实的 部分为镶带纹路的橡胶，设计时应考虑夹持力的大 小，夹持力要大于苹果的重力，防止苹果掉落损伤。
查有关资料：苹果的平均质量约为 ０．５ｋｇ－０． ７ｋｇ。被夹持的苹果受重力 Ｇ，夹持力 Ｆ，保持机械 爪夹住苹果不下落。
自走式柔性智能苹果采摘机设计①
邵 强， 郭晓云， 朱紫薇， 李龙男， 程志昂， 邱新伟
（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 １５４００７）
摘 要： 为了提高苹果采摘效率，设计了一种一次性完成苹果识别、定位、采摘、输送等功能的 苹果采摘机。该机器由运行系统、苹果识别定位系统、采摘系统和手臂伸缩系统组成，保障作业 的准确性及高效性。产 品 样 机 在 佳 木 斯 市 四 丰 果 园 进 行 了 试 验 检 测，作 业 对 象 为 佳 木 斯 特 产 １２３小苹果。试验表 明，采 摘 机 能 快 速 识 别、精 准 采 摘 苹 果，与 人 工 作 业 相 比 采 摘 效 率 提 高 了 ４５％、漏摘率低于 ４％、苹果损伤率低于 ４％。自走式柔性智能苹果采摘机的试验研究为提高果 园作业自动化程度提供了理论依据及参考。 关键词： 自走式；柔性；苹果采摘机；自动化 中图分类号： Ｓ２２５．９３ 文献标识码： Ａ
（１）识别定 位 系 统：采 用 颜 色 识 别 定 位 的 方 法。通过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ阈值算法和 ＤＳＰ的高速算法计 算芯片，由 ｃｏｍｓ摄像头采集苹果图片信息并储存，
经过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ算法对图片像素信息处理，从绿色 苹果树叶中识别到成熟的红色苹果。
（２）运行系统：以单片机为基础，采用红外线 感应传感器作为小车的循迹模块和壁障模块，使其 自主运行；由于作业环境比较特殊，地势不平坦，所 以车轮采用履带式轮胎，可增加其运行稳定性。
２４８
佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２０１９年
图 １ 普通机械爪
算芯片和 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ阈值算法，由 ｃｏｍｓ摄像头采集 番茄图片信息，并储存；经过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ算法对图片 像素 信 息 处 理，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝［Ｒ，Ｇ，Ｂ］＝［２２０，２０， ６５］近似 为 苹 果 成 熟 的 红 色。 然 后 从 输 出 口 输 出 高、低电平（高电平 ＝可以通过阈值的像素信息， 即检测到成熟的苹果）给总控制模块。
由此可以发现，国外虽一直致力于采摘机器人 的研究，但却并没有取得突破性的进展。国内苹果 采摘机械基本处于空白，苹果不同于山楂、核桃、枣 等作物，苹果果皮易在采摘过程中受到损伤，降低 经济效益。因此，本项目的研究是非常具有实用性 和研究价值的。
１ 系统组成
苹果采摘机分为识别定位系统、运行系统、采 摘系统和手臂伸缩系统。
Ｆ ＞Ｇ； Ｇ ＝ｍｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）； 成熟苹果大约能承受 ７Ｎ的力， 则夹持力： Ｆ≥ ７Ｎ。 （３）动力模块：采摘机的行进动力是来自直流 减速电机的驱动力。通过对整机重量和行进速度 的估算，选 择 功 率 合 适 的 电 机。整 机 重 量 约 ５ｋｇ （实验阶段没进行已采摘苹果的重量分析）。通过 大致分析选择了 １２Ｖ、４０ｒ／ｍｉｎ、负载 ５．６ｋｇ的直流 减速电机。 （４）总控制模块：总控制模块为 ＳＴＣ－８９ｃ５２ 单片机接收来自识别定位模块的中断信息控制行 进模块的行进和驻停。
图 ２ 弧形夹持结构
图 ３ 机械手三维图
２ 采摘作业流程设计
自走式柔性智能苹果采摘机工作流程如图 ４ 所示，其运行系统由单片机控制，采用红外线感应 传感器作为装置运行时的感应系统，使其能够循迹 和壁障，达到自主运行的目的。在自然光条件下 ， 实现苹果的准确识别与定位 ，是苹果采摘机器人 视觉系统的的基础和关键技术。此装置采用颜色 识别技术实现过时的识别和准确定位；经过 ｔｈｒｅｓｈ ｏｌｄ算法对 图 片 像 素 信 息 处 理，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝［Ｒ，Ｇ， Ｂ］＝［２２０，２０，６５］近似为苹果成熟的红色。然后 从输出口输出高、低电平（高电平 ＝可以通过阈值 的 像 素 信 息，即 检 测 到 成 熟 的 苹 果 ）给 总 控 制 模 块。总控制 模 块 接 收 到 信 号 后，立 即 传 给 采 摘 系 统，采摘系统接到指令后，机械手快速移动到苹果 所在位置，准确采摘苹果后将其运送至车厢内。
第 ３７卷 第 ２期 佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ２０１９ 年 ０３月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１００８－１４０２（２０１９）０２－０２４７－０３
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２０１９
０ 引 言
１９世 纪 中 期，英、法、美 等 国 家 对 水 果 的 机 械 化采摘方面进行了研究，并针对一些特殊用途的水 果实现了机械化采摘［１］。我国在人工智能机器采 摘方面的研究处于起步阶段，开发了与手扶拖拉机 配套的机械震动式山楂采果机、气囊式采果器和手 持电动采果器。而后两者还是人工作业用的辅助 机械，虽然在保护果实不受损伤方面做的较好，但 效率还是太低［３］。
（４）手臂伸缩系统：手臂伸缩系统的设计以工 业机械手为原型，主要完成机械手的定位和将苹果 运送至车厢内的过程，如百度文库 ３所示。
① 收稿日期：２０１９－０１－２５ 基金项目：佳木斯大学校长创新创业基金项目（ＸＺＹＦ２０１８－０４）；黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（２０１８１０２２２０９８）；黑龙 江省教育厅基本科研业务费基础研究项目（２０１７－ＫＹＹＷＦ－０５９３）。 作者简介：邵强（１９９４－），男，安徽宿州人，研究方向：机械创新设计。 通讯作者：邱新伟（１９８８－），男，河南新乡人，助理实验师，研究方向：农业装备技术。
３ 理论设计计算
（１）识别定位模块：基于 ＤＳＰ的高速算法计
图 ４ 作业流程图
（２）末端采摘模块：末端采摘模块为抓取机械 手，由两个半圆形特殊机械爪构成，内层接触果实的 部分为镶带纹路的橡胶，设计时应考虑夹持力的大 小，夹持力要大于苹果的重力，防止苹果掉落损伤。
查有关资料：苹果的平均质量约为 ０．５ｋｇ－０． ７ｋｇ。被夹持的苹果受重力 Ｇ，夹持力 Ｆ，保持机械 爪夹住苹果不下落。
自走式柔性智能苹果采摘机设计①
邵 强， 郭晓云， 朱紫薇， 李龙男， 程志昂， 邱新伟
（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 １５４００７）
摘 要： 为了提高苹果采摘效率，设计了一种一次性完成苹果识别、定位、采摘、输送等功能的 苹果采摘机。该机器由运行系统、苹果识别定位系统、采摘系统和手臂伸缩系统组成，保障作业 的准确性及高效性。产 品 样 机 在 佳 木 斯 市 四 丰 果 园 进 行 了 试 验 检 测，作 业 对 象 为 佳 木 斯 特 产 １２３小苹果。试验表 明，采 摘 机 能 快 速 识 别、精 准 采 摘 苹 果，与 人 工 作 业 相 比 采 摘 效 率 提 高 了 ４５％、漏摘率低于 ４％、苹果损伤率低于 ４％。自走式柔性智能苹果采摘机的试验研究为提高果 园作业自动化程度提供了理论依据及参考。 关键词： 自走式；柔性；苹果采摘机；自动化 中图分类号： Ｓ２２５．９３ 文献标识码： Ａ
（１）识别定 位 系 统：采 用 颜 色 识 别 定 位 的 方 法。通过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ阈值算法和 ＤＳＰ的高速算法计 算芯片，由 ｃｏｍｓ摄像头采集苹果图片信息并储存，
经过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ算法对图片像素信息处理，从绿色 苹果树叶中识别到成熟的红色苹果。
（２）运行系统：以单片机为基础，采用红外线 感应传感器作为小车的循迹模块和壁障模块，使其 自主运行；由于作业环境比较特殊，地势不平坦，所 以车轮采用履带式轮胎，可增加其运行稳定性。
２４８
佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２０１９年
图 １ 普通机械爪
算芯片和 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ阈值算法，由 ｃｏｍｓ摄像头采集 番茄图片信息，并储存；经过 ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ算法对图片 像素 信 息 处 理，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝［Ｒ，Ｇ，Ｂ］＝［２２０，２０， ６５］近似 为 苹 果 成 熟 的 红 色。 然 后 从 输 出 口 输 出 高、低电平（高电平 ＝可以通过阈值的像素信息， 即检测到成熟的苹果）给总控制模块。
由此可以发现，国外虽一直致力于采摘机器人 的研究，但却并没有取得突破性的进展。国内苹果 采摘机械基本处于空白，苹果不同于山楂、核桃、枣 等作物，苹果果皮易在采摘过程中受到损伤，降低 经济效益。因此，本项目的研究是非常具有实用性 和研究价值的。
１ 系统组成
苹果采摘机分为识别定位系统、运行系统、采 摘系统和手臂伸缩系统。