溫室剔補苗并聯機器人設計與試驗分析

王南竹，朱夢嵐，莫吾乙，朱志燃，楊啟志

（江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引 言

穴盤育苗技術是我國溫室育苗的主要形式，在移栽前進行剔補苗工作可以有效地減少缺苗、病弱苗等情況，極大地提高后期移栽成功率和移栽質量。但目前我國剔補苗工作主要是由人力進行，工作效率低下，穴盤幼苗損傷率高、質量難以保證，且人工費用昂貴[1]。我國目前對剔補苗機械化的研究很少，更多的是對移栽機械的研究，且大部分不具備視覺系統，因此研究溫室穴盤苗剔補苗并聯移栽機器人不僅保證了穴盤苗的完整性和成熟度，還推動了我國溫室育苗向機械化、自動化、工廠化、集約化方向快速發展[2]。國外的一些農機專家專門對移栽機的研發作了大量研究，但都是按照國外的溫室種植模式和要求進行設計，無法適應國內溫室穴盤苗移栽的需要。2005 年，中國農業大學的強麗慧等[3]設計了生菜自動移栽機，2007 年，沈陽農業大學田素博等[4]設計了一種基于PLC 系統的缽苗移栽機械爪，江蘇大學馬履中等[5]第一次以并聯機構為主體設計了溫室穴盤苗自動移栽機，2013—2016 年，浙江大學蔣煥煜等[6]設計開發了一種溫室缽苗自動移栽裝備樣機，但是目前國內的移栽機只適合標準化的種植模式和栽培方式，需要精確的穴盤橫向進給系統[7]。

針對這些問題，本文在詳盡了解研究對象的基礎上，結合并聯機構運動速度快，能夠實現作業的精準定位、降低移栽的失誤率、動態性能平穩可靠等一系列優點，設計一款以并聯機構為主體的剔補苗機構系統。

1 并聯機器人結構優化

1.1 并聯機構結構存在問題

與傳統串聯溫室剔補苗機構相比，穴盤苗剔補苗并聯機器人具有結構簡單、速度快、定位精度高、震動小、三自由度移動等特點[8]，適合在我國的中小型溫室育苗模式推廣使用。定位精度工作的順利完成主要受移栽機構設計的影響，該剔補苗機構的主要結構為Delta 并聯機構，通過對并聯機構進行優化可提高機器人機構的剛度和靈活度[9]。

本文研究的第一代溫室并聯移栽機器人主要分為3 個部分：動平臺、三條支鏈和靜平臺，并由3RRC 三平移并聯機構推演出該并聯機器人主體機構。

但是在實驗過程中發現，對于支鏈B 和支鏈C來說，其所需要轉動的3 個關節處的轉動副所用材料橫截面積過小，導致徑向支撐力不足，極大地降低運動的平穩性，另外從動臂采用單桿連接，導致抵抗受外力變形的能力不夠，從而導致并聯機構整體運動精度降低[10]；支鏈A 的驅動力臂長度過長，使得剔補苗機構平穩性降低，從而導致并聯移栽機器人力學性能較差，移栽時的精確度較低。

1.2 并聯機構結構優化

圖1 所示，對于支鏈B、支鏈C 來說，將主動臂更換為橫截面積較大、力學性能較好的金屬材料，將鏤空的機械臂結構設計改為圓柱形，下端連接的細單連桿改為平行桁架結構的雙連桿結構，從一個轉動副連接增加到兩個轉動副連接，此設計通過增大轉動副與連桿直接接觸面積，達到獲得較大徑向支撐力的效果，進而增強整個支鏈抵抗外力變形的能力。通過減少支鏈A 的驅動力臂的長度，增大支鏈A的剛度。所述的3 條支鏈與動平臺通過球鉸連接，在伺服電機的驅動下，動平臺在空間中完成高速、高頻、高精度的三平移運動。

在移栽過程中，對稱結構可以提高投苗的精準度，因此為了進一步完善剔補苗機器人的對稱性，機器人材料：靜平臺、支鏈電機座和驅動臂材料選用經過調質處理后的45 號鋼，支鏈球鉸結構材料選用7075 鋁合金，支鏈的連桿結構材料選用碳纖維桿[11]，確保工作空間范圍為平行長方體。

2 并聯機器人軌跡規劃

剔補苗機器人的主要功能是將被培育的穴盤苗中的壞苗、病弱苗剔除并將裝滿健康幼苗供苗盤中的幼苗補充回空缺區域[12]。對于溫室穴盤苗移栽工作來說，幼苗穴盤密度大且幼苗莖葉脆弱易受到損傷，因此要求剔補苗機構具有較高的平穩性、精確性、結構鋼性。

2.1 并聯機構的構成

如圖2 所示，并聯機器人由機架、靜平臺、3 條支鏈、動平臺和末端執行器組成。靜平臺上安裝有3臺伺服電機，每臺伺服電機分別控制1 條支鏈，每條支鏈包含1 條主動臂和1 條從動臂，伺服電機和主動臂連接在靜平臺上并控制其作旋轉運動，帶動從動臂驅使動平臺在工作空間內作三自由度運動，在整個工作過程中，動平臺和靜平臺保持平行狀態。

圖3 實際移栽軌跡

2.2 輸送裝置工作流程

在取苗、移苗、植苗3 個過程中，要確保穴盤苗完整、平穩地栽植到穴盤中。在剔補苗機器人工作時需要降低末端取苗爪所受的沖擊力與振動力；以辣椒幼苗為例，在并聯機構工作的一個周期中，要避免周圍的辣椒幼苗對被移栽對象造成干涉；另外，整個過程末端執行器運動要求高精度、高效率完成栽植苗過程。

該剔補苗機器人在一個移苗周期內需要完成抓、投兩個動作指令，需要在供苗盤中抓取健康的辣椒幼苗，上升到高度H，接著按照平行運動軌跡移動到植苗盤的空穴，然后進行下降投苗。如圖4 所示，本文中機器人主要實現穴盤苗點對點剔除、栽植。在移苗過程中經過拐點處會產生較大的沖擊力，可能會導致缽苗盤根破碎，如圖5 所示，在拐點處設計適合作業要求的圓弧形過渡[10]，可以減少因慣性帶來的沖擊。對末端執行器的運動進行合理的軌跡規劃，可以提高移栽穩定性，減小系統運動沖擊，有效地保證缽苗的完整性。

圖4 移栽過程

圖5 穴盤苗的移栽軌跡

剔補苗機器人與輸送裝置集成后，輸送裝置通過驅動電機驅動鏈條運轉，現以供苗盤工作一側為例，演示其在穴盤苗進入到離開輸送裝置的工作過程[12]。

（1）剔補苗機器人執行工作前：苗盤未進入輸送裝置，定位氣缸活塞處于伸長狀態，如圖6（a）所示。

圖6 輸送裝置工作流程

（2）剔補苗機器人開始工作時：苗盤進入輸送裝置，到達氣缸活塞位置時停止，此時苗盤進入工作區域，剔補苗機器人開始進行剔補苗作業，如圖6（b）所示。

（3）當此苗盤被檢查完畢時：定位氣缸的活塞收縮，苗盤隨輸送裝置向前移動，如圖6（c）所示.

（4）當氣缸活塞收縮時：新的苗盤被放入輸送裝置，如圖6（d）所示。

（5）當已完成剔補的苗盤離開輸送裝置時：已完成剔補的苗盤的前端擋住光電傳感器，定位氣缸的活塞伸長，如圖6（e）所示，輸送裝置繼續工作，按照步驟（1）剔補苗機器人開始重新工作，如圖6（f）所示。

3 圖像識別方法研究

近年來，隨著工業視覺技術的發展，以農作物為對象進行視覺特征識別方面的研究不斷深入，本文為了實現對穴盤幼苗生長狀態的實時檢測，設計了一種基于PLC 控制的信息采集系統[13]，通過分析幼苗葉片圖像，以實現對缺苗、病弱苗的精確識別。如圖7 所示，通過工業相機對幼苗進行識別，圖像經過處理后傳送給PLC 控制器，進而完成剔補作業。

圖7 圖像采集系統

圖8 圖像處理

3.1 工業相機的選擇

機器視覺系統的核心部件，工業相機的選擇對于穴盤苗狀態的識別起著決定性作用，對于本實驗中，要求相機具備高分辨率、動態范圍大等特點。

CCD 和CMOS 傳感器是目前最常見用于工業生產的感光傳感器，CMOS 信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，速度也比CCD 快很多。但CCD 采用PN 結構或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量比CMOS 高。CCD 相機的ISO感光度、分辨率、噪點要優于CMOS 相機，COMS 相機邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強，其集成度、功耗、成本相較于CCD 更優。隨著CMOS 成像技術的不斷發展，有越來越多的公司可以提供高品質的CMOS 成像芯片。 本實驗選用?？低昅V-CE060-10UC。表1 為所選取的工業相機的相關參數。

表1 工業相機參數

3.2 圖像處理方法

穴盤苗生產過程的每一個環節都對蔬菜生長起到決定性作用。目前我國的剔補苗工作主要由人工進行，工人通過肉眼識別幼苗的生長狀態，判別是否為病弱苗，但是缺乏系統性，主觀的判別在生產過程中會產生誤差，精確度低[14]，因此開展數字化判別技術研究、建立數字化判別基準是極為重要的。

圖像處理流程如圖9 所示，利用open cv 的ndarray 切片方式，截取圖像；利用open cv 進行圖像灰度化、圖像去噪、圖像分割等圖像處理環節；使用canny 邊緣檢測算法提取辣椒苗莖稈輪廓，根據參照物像素大小求出辣椒苗莖稈實際尺寸。

圖9 圖像處理流程

根據對幼苗固定生長周期的多盤穴盤苗進行統計分析，設定莖粗健康值范圍，若幼苗固定生長期的莖粗在范圍之外，判定為不健康幼苗，莖粗為0 時，為缺苗[15]。

4 并聯剔補苗機器人控制系統的設計

對于本剔補苗機器人的控制系統主要基于PLC系統，這種開環系統結構簡單，可以滿足實驗要求。本文中剔補苗并聯機器人主要任務是將培育穴盤中的缺苗、病弱苗識別出來，并將病弱苗剔除，同時把供苗盤中的健康幼苗移栽到育苗盤中，根據所給的穴盤苗擬運動軌跡完成剔補苗移栽任務。所述并聯剔補苗機器人共有3 條驅動支鏈，每條驅動支鏈分別被伺服電機控制并帶動末端執行器進行取苗工作，這需要控制系統具有進行多軸控制并聯機器人的能力[10]，其總體控制方案見圖10。

圖10 控制系統示意圖

基于并聯機器人的剔補工作特點，以及可以適應不同的工作模式。本控制系統將基于PC 機搭建一套開放式的控制系統，如圖11 所示，由PLC 系統進行控制[16]，PLC 系統是以計算機為核心實現對伺服系統以及其他傳感的控制。PLC 控制器控制伺服電機驅動主動臂動作，進而控制電磁閥和末端執行器動作。

圖11 PLC 控制系統

5 結 論

（1）本文設計了一種基于并聯機構的用于溫室穴盤剔補苗的并聯機器人，將第一代的并聯機器人結構進行優化，增加其工作時的平穩性，使并聯機器人可以適應高速剔補苗工作。

（2）本文明確指出溫室穴盤剔補苗機器人的路徑規劃、圖像處理、視覺識別，接下來對剔補苗機器人的研究具有參考作用。