苹果大小分级机械臂设计研究

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摘要：由于现在大部分地区对于苹果的大小分级的效率较低，课题组通过使用Python编程和OpenCV图像处理设计了一款机械臂。机械臂是使用树莓派主板进行控制的，舵机实现机械臂各个关节处的转动，从而实现机械臂六个自由度的旋转。树莓派主板是在2012年发售的，它体积虽小，却具有电脑的所有基本功能，所以功能强大。利用机械臂实现对苹果分级的高效率运行，从而解放劳动力，降低成本。仿真结果表明：1）分级成功率都大于90%，成功率很高；而且表面破损率都很低，效率很高，达到了设计要求，可以应用到流水线作业中，实现苹果分级的规模化生产。2）分级范围越小，误差越大，因此应注意设计分级梯度。3）机械臂运行时性能平稳，生产效率高，可以应用到生产流水作业中。

关键词：机械臂；大小分级；自动化

随着科学技术的迅速发展，机器人越来越多地出现在生产和生活的各个领域，各种各样的多自由度机械臂应运而生，并广泛应用于工业机械、加工制造、汽车焊接等众多领域[1]。多自由度机械臂的特点在于系统稳定、整体性灵活，是比较参考人体手臂关节运动角度的范围而设计的[2]。当前，人们的生活水平提高了，经常会买一些苹果、香梨等水果，在购买水果的时候人们经常会发现同一类型的水果会因为体积大小的不同而价格不同，有大型果、中型果和小型果等。而对于这些水果的大小分级，大部分地区尤其贫困地区采用人工或者网漏的方法进行，这样分级有很多的缺点：速度慢、质量受到影响、人工费高、不适合大规模的操作等。基于此，本课题组研究利用机械臂自动实现水果大小的分拣，以减轻工作人员的劳动强度，避免工作人员重复执行简单、机械化的操作，大大地提高工作效率。

1总体设计

为实现上述目的，设计机械臂自动对苹果大小进行分拣，该装置包括机座转动机构、伸缩抓取机构、视觉识别装置、控制系统等[3]。

1.1机械臂旋转机构

机械臂的旋转控制，是通过输入的信号经数据处理后转化为各个关节的力矩，在力矩的作用下产生对应的运动速度[4]，然后通过雅可比矩阵建立起机械臂的运动速度和机械臂末端执行器的配比关系[5]，来实现机械臂旋转的目标。因此，在底座安装一个舵机，另外机械臂上安装四个，舵机有两个舵盘，一个为主动舵盘，另一个为从动舵盘，主动舵盘在齿轮的带动下旋转从而带动这一个关节处的机械臂旋转运动，安装五个舵机使得整个机械臂的活动空间变大，活动范围更广。机械臂正视图如图1所示。

1.2伸缩抓取机构

抓取装置：立爪有三只，根部均匀分布式安装于圆形抓盘上，中部通过小连杆连接至大连杆上，舵机6安装于机械爪最底部，控制大连杆的升降。当大连杆下降时，产生拉力通过小连杆传递到立爪上，使三个立爪均向内靠拢，实现对物品的抓取；当大连杆上升时，产生推力通过小连杆传递到立爪上，使三个立爪均向外分散，实现机械爪的张开。机械爪正视图如图2所示。

1.3视觉识别装置

机械臂在执行物体抓取动作时，需要获取目标物体的位置。这就需要相机获取抓取场景的点云信息，然后传递给控制系统，控制系统经过目标识别和位姿估计算法处理后获取目标物体的位置信息[6]。所述视觉识别装置包括摄像头、支架和连接线，所述摄像头是一颗可以自动聚焦的Kincet摄像头，固定于支架上，使视角垂直于工作平面，保证对工作环境的分析和对物体大小的精准识别，利用连接线将采集到的信息传输到控制系统进行分析，从而反馈不同的动作。

1.4控制系统

所述控制装置主要包括树莓派4B主板和拓展板，利用树莓派控制舵机，从而实现机械臂的各种自由度操作。树莓派，也可以称为微型电脑，它的体积小，用SD卡为存储硬盘，但是功能强大，相当于一台电脑的主机[7]，是为学习计算机编程教育而设计的。当它接入显示屏、键盘和鼠标时就可以在这个所设的系统中进行编程操作。当然，树莓派还可以进行调试工作，调试模块包括串口、指示灯和按键等，系统的调试是必不可少的，这是完善系统的必备工具[8]。

2关键部件的设计

2.1机械爪的设计

课题组设计的机械爪是三爪的，抓取水果时更加平稳、可靠。内部设计为齿轮连杆机构，如图2所示。

2.2旋转盘转动机构

舵机上的舵盘固定在金属薄片上，中间放置轴承，然后上面放同样大小的金属薄片，将这两个薄片通过螺栓固定，当舵机的舵盘旋转带动轴承旋转时，可以从而带动机座旋转。

3工作原理

3.1图像处理

在摄像头上外加一个环形灯，以环形灯为光源，摄像头拍摄苹果的投影面。将此投影面回传到树莓派主板，进行OpenCV图像处理，将尺寸大小统一设定为目标尺寸[9]，然后通过高斯滤波函数和中值滤波函数，进行图像增强、降噪、特征提取[10]，最终得到清晰的图像。在此过程中，最重要的一点是图像是否聚焦。由于人工调焦的方式时间较长，而且效果也不明显，因此采用基于图像处理技术的自动调焦系统，即采用灰度差分的方法进行调焦[11]。

3.2投影面积近似计算

采用无限逼近的方法。因为苹果在底面上的投影大致为圆形，所以利用多边形无限逼近的方法对投影面积进行近似计算。一般来说，投影面积越大的，体积对应越大；投影面积越小的，体积对应越小。

4实验设计与分析

目前，新疆苹果最为著名的是阿克苏苹果，现购进不同大小的100个阿克苏苹果进行实验。据目测观察，这些苹果的投影面积大致在50cm2~95cm2。第一组，将这些苹果分为两组：1）50cm2~72.5cm2；2）72.5cm2~95cm2。实验结果如表1所示。第二组，将这些苹果分为三组：1）50cm2~65cm2；2）65cm2~80cm2；3）80cm2~95cm2。实验结果如表2所示。从以上实验结果来看，第一组分级成功率的平均值为94%，表面严重破损率的平均值为3.7%；第二组分级成功率的平均值为90.3%，表面严重破损率的平均值为4%。通过对比两个表可知，当分级梯度设置得越多，分级的成功率越小[12]。

5结论

1）分级成功率都大于90%，成功率很高；而且表面破损率都很低，效率很高，达到了设计要求，可以应用到流水线作业中，实现苹果分级的规模化生产。2）分级范围越小，误差越大，因此应注意设计分级梯度。

参考文献：

[1]孙银生，徐瑞丽，田国豪.基于ANSYS的六自由度机械臂轻量化研究[J].机械工程与自动化，2021(5)：113-115.

[2]张师榕，张振，赵转哲，等.基于运动捕捉的多自由度机械臂输入设备研究[J].安徽工程大学学报，2021，36(5)：25-31.

[3]宋智勇，楚合营，高申，等.红枣自动去核装置的设计[J].南方农机，2020，51(12)：23.

[4]魏鹏.机械手臂系统的设计与研究[D].上海：上海海洋大学，2016.

[5]李国栋.网络环境下的遥操作机器人系统建模及无源控制方法研究[D].北京：华北电力大学（北京），2017.

[6]刘继宗.基于视觉引导的机械臂定位抓取研究与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2021.

[7]陈博杰，陈泽佳，吴志安，等.基于树莓派路径规划的智能终端配送机器人[J].工业控制计算机，2021，34(7)：33-35.

[8]赵修琪，卢文豪，王珊.基于Arduino的自动分拣机械臂控制系统设计[J].现代电子技术，2021，44(24)：163-166.

[9]刘东，蒋刚，留沧海.基于树莓派的六足机器人目标跟踪系统研究[J].传感器与微系统，2022，41(1)：65-68.

[10]马超，范光宇，张治军，等.基于OpenCV的机械臂驱动系统设计[J].电脑知识与技术，2016，12(33)：227-229.

[11]张晖，倪丽娜，于明飞，等.不规则物体投影面积测量系统[J].兵工自动化，2007(6)：75+80.

[12]范修文，曾勇，兰海鹏，等.圆锥式巴旦木破壳分离机的设计[J].塔里木大学学报，2015，27(2)：86-89.

作者：崔浩 张泽康 郭瑞峰 赵梁博 刘金秀 单位：塔里木大学机械电气化工程学院