基于动态识别定位的多机械手草莓果实连续采摘机器人研究

Selective fruit picking is the most time-consuming and laborious job in the agricultrual production, and humans have been trying for 30 years to apply robots in this job. The present fruit picking robots are basically having one manipulator for each machine to finish the posi tioning, picking and placement of each strawberry step by step with very low picking efficiency and high machine cost. Therefore these kinds of robots are difficul t to be promoted and applied in large scale in frui t production.This study focuses on changing the simple imitation of the above single-step robots harvest mode to improve the robots harvesting efficiency, especially for harvest operation of strawberry in China. A multi-manipulator simultaneous and danamic target recognition, positioning, and continuous picking mode is proposed in this study. The main research focuses on abtaining imgages of straberry online, recognizing and positioning the target high-speed with multi-vision system and the combination of look-out and close-range, coordinated controlling of multi-manipulator and lossless picking end-effector for clusters of fruit, and finally developing the robot which can continuously positioning and picking strawberry in walking state. This study may provide a new idea for improving the efficiency fruit picking robots, which could have significant impacts on promoting the large scale application of agricultural harvesting robot in agricultuaral production.

选择性的果实采摘是农业上最为耗时费力的作业环节，30年来人类一直试图采用机器人从事该类作业。但目前国内外所研究开发的采摘机器人，基本都是一台机器人只有一个采摘机械手。采摘效率低和机器成本高，成为其难于在农业上推广应用的要因。本课题以我国草莓果实采收为研究对象，以提高果实采收机器人的作业效率为出发点，提出基于动态视觉识别定位、多机械手协调作业的草莓采摘方式，从而改变目前采摘果实"看一个、摘一个、放一个"的低效率、模仿型机器人的采收模式；通过动态环境下草莓图像实时获取与快速识别定位方法、目标果实多视觉系统分布感知和远近景组合快速定位、多机械手协调控制以及成簇果实的无损采摘末端执行器等的研究；研制出能在行进状态中进行果实摘取的多机械手连续采摘机器人装置，从而为果实采摘机器人的高效化研究找到新的突破口。因此，本课题对于促进农业采摘机器人技术的高效、实用化，使其真正能在农业上发挥作用具有重要意义。

以我国高畦垄作草莓为对象，针对传统果实采摘机器人“停-看-摘”的收获方式工作效率低、难以用于实际生产的问题，提出了果实动态识别定位、多机械手协调采收作业方式和草莓收获机器人架构。对动态环境下草莓图像实时获取与快速识别定位方法、基于分布感知和作业实时系统的多机械手采摘目标调控方法、适应不同分布状态的单粒和多粒果实进行高效无损采摘收获的末端执行器、基于机器视觉的多机械手果实采摘机器人协调控制等方法和装置设计等内容进行了深入研究。.1、在国内首次研制成功多机械手动态连续采摘机器人装置，实现了机器在行进过程中对目标果实的识别和采摘，大幅度提高了采摘作业效率。从而在草莓采摘机器人的采收高效化和实用化方面实现了突破。机器在行进速度不大于100mm/s的情况下，对于单位米长垄面上的10粒密度随机分布的草莓果实，能实现完全采摘，采摘速度可达1.7s/次。.2、创新设计了一次可采摘多粒草莓的末端执行器，改变了通常只能单颗果实采摘的作业模式，无需再进行重叠成熟果实的图像分割和各目标果梗位置的计算，能够一次采摘10 cm 宽度内的多颗成熟的草莓，大大提高了采摘速度。且定位误差在±7mm范围内的目标果实都能完成采摘，采摘成功率不低于97.7%。.3、将高速位置锁存方法应用到手眼视觉伺服系统和双目视觉系统，提高了定位速度和精度。使用基于轮廓的匹配方法以降低双目立体视觉定位算法的复杂性，采用摄像机曝光信号触发控制卡高速锁存行走机构位置信息的方法，实现在世界坐标系内果实的实时定位。采用融合位置信息的方法，解决了视觉位置信息反馈频率低的问题；用运动恢复结构的方法，推导出了目标草莓域的深度信息的精确计算方法，进而得到精确的果实采摘参数。.4、创新性提出了多机械手采摘系统的动态任务分配算法，能实时应对采摘任务的不断变化及单次采摘时间事先不能预知的情况，保证机器人在一定行进速度下各部采摘机械手的高效利用。对今后多机械手采摘机器人的研究具有重要意义。