刘杰 王韧 朱铭钧 常宇航 王曼溶 杨秀芳

摘要    为了满足移苗移栽作业自动化对精度、速度和灵活性的需求，基于Delta机构設计了一种并联构型的穴盘移栽机械臂，建立了机械臂的运动学模型。本文在移栽机械臂的基础上增加了视觉识别环节，以相机获得幼苗图片，将相片传递至中央处理器完成图片预处理，对图像进行光滑、增强处理和识别，提取图片特征，计算出作业对象中心位置，将中心位置反馈至中央处理器，计算出运动量，中央处理器输出指令，从而控制末端执行器完成作业。

关键词    Delta机构;钵苗移栽;运动学;视觉

中图分类号    TH112        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）17-0165-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    In order to meet the requirements of precision，speed and flexibility in the automation of transplanting，a plug-in robotic arm with parallel configuration based on Delta mechanism was designed，the kinematic model of the robot arm was established.The visual recognition link was added on the basis of the robot arm to obtain the seedling picture by camera，the photo was transmitted to the central processing unit to complete the image preprocessing，the image was smoothed，enhanced and recognized，the picture feature was extracted，and the center of work object was calculated.The center position was fed back to the central processing unit，the amount of exercise was calculated，and the central processor output an instruction to control the end effector to complete the work.

Key words    Delta parallel mechanism;seedling transplanting;kinematics; vision

随着我国农业现代化进程的推进，农业生产的各个环节都在逐步实现自动化和智能化，以设施农业为主的育苗环节也迎来了新的发展契机，机械、电子、通讯等领域的新技术逐渐应用在工厂化育苗过程中[1]。大型移栽设备在农业发达国家广泛应用[2]，我国在移苗的移栽设备方面也做了大量研究，涵盖了自主移动温室机器人[3]，导轨移动的串联、并联和混联构型的移栽机械臂等[4-6]。并联机构的研究及应用逐步成熟，为移苗移栽设备的构型设计提供了新的思路[5]。其中，Delta机构具有优异的综合性能，刚度大、响应灵敏，并且无误差积累，得到了广泛应用[6-9]。

视觉伺服策略对未来的智能农业机器人具有重要意义，借助机器视觉，可以对作业对象精确定位，为机械臂的轨迹规划提供动态信息[10-11]。本文在前人对Delta并联移苗机械臂运动学研究基础上，设计了视觉伺服系统，通过对所采集图像处理，对钵体中的幼苗进行识别和定位，处理结果作为机械臂轨迹规划的依据，再通过反向运动学计算主动臂的角度变化，即控制量。

1    运动控制的视觉处理

1.1    视觉处理方案设计

为了使末端执行器可以准确地规划路径抓取目标，需要对系统采集到的图像进行处理。由于钵体在同一平面内，因而图像的处理可以忽略高度方向的影响，能够完成平面定位即可。视觉识别的流程如图1所示。

1.2    视觉处理程序

视觉系统采集到的图像，通过Matlab进行处理，一方面检测育苗盆中秧苗状况，另一方面计算作业对象的位置，例如对缺苗或者病态的幼苗进行甄别与定位。由图2（a）可以明显检测到育苗盘各个钵体的整体状态，既有正常幼苗，又有缺苗情况。对图像进行腐蚀处理，过滤缺苗钵体图像，然后进行膨胀处理，最后用黑色掩膜替换原图背景，得到预处理效果图，如图2（b）所示。其中，腐蚀处理用Imerode函数实现，膨胀处理用Imdilate函数实现。

因为育苗盘是标准的，所以幼苗的质心位置也是确定的。对图像进行分割处理，然后再对每个方格的幼苗进行单独处理，按照像素对幼苗进行分类。通过Bwlabel函数返回的num值甄别缺苗钵体（图3）。通过统计各钵体中幼苗的像素，即叶片面积作为幼苗是否健康的判别条件。

求解出幼苗质心，通过转换公式，将质心转换成三维空间坐标。幼苗质心的处理图像如图4所示。

2    Delta机械臂反向运动学

2.1    位置逆解

基于Delta并联机构的机械臂模型由3条支链、静平台和动平台组成，驱动电机安装在静平台上，每条支链是由摆杆带动，进而带动平台运动（图5）。在静平台中心建立坐标系，动平台以P作为参考点，所以等边三角形A1A2A3表示静平台，AiBi（i=1，2，3）表示摆杆，AiBi=l1;PBi（i=1，2，3）表示支链，PBi=l2，OAi=R，基础坐标系O-xyz固结在静平台上，θi是（i=1，2，3）摆杆AiBi（i=1，2，3）和静平台的夹角。

在已知作业对象位置情况下，并联机构的路径规划实际上是运动学逆解，即已知末端位置求解主动关节的关节变量。本文未将运动学正解列出，完整的运动学分析过程已经另一篇文章中叙述[12]。根据图6，参考点P的位置矢量：

3    作业轨迹规划

3.1    作业路线分析

根据设定场景，如剔除病态幼苗作业，育苗区的图像经CCD采集并处理，获取钵体位置信息，经过运动学反解出控制量，末端执行器执行剔苗操作[15]。根据具体的作业过程，作业轨迹包括抓取与放置时的竖直方向运动，能够避开障碍物，常选择简单的直线运动。

剔除过程包括取苗和放置，整个过程优先保证效率，既要快速，又要平稳无刚性冲击。根据上述分析，一个典型的作业过程中，作业轨迹的起点（取苗）与终点（放置）速度及加速度均为0，送苗过程中，位移对时间的一、二阶导数连续，三阶导数为有限值。为此，本文采用5次多项式光滑阶跃函数规律。

3.2    运动学仿真分析

穴盘宽度为280 mm，2个穴盘间距为100 mm，起点与终点在X和Y方向上相对距离均为340 mm，机械臂的动平台位于2点连线中点的垂直上方。多体系统动力学仿真软件RecurDyn中提供了5次多项式逼近海塞（Heaviside）阶跃函数STEP5，能够满足“平稳无刚性冲击”的条件。图7（a）为动平台运动轨迹在X、Y、Z方向的投影，X向与Y向位移变化相似。根据动平台位移曲线，主动臂的控制量。3个关节角变化曲线如图7（b）所示，整个过程平滑无冲击，反映了与动平台之间的映射關系。图7（c）分别为3个主动臂角速度变化曲线，在整个作业过程中，同样为平滑无突变。图7（d）为3个摆杆角加速度，作业过程中能够无突变地过渡。

4    结语

本文结合了并联机构与机器视觉2个热门研究领域，通过图像分析幼苗状况并定位作业目标，规划并联机械臂末端执行器的轨迹，再通过反向运动学解算出主动臂的关节角。通过仿真分析可知，基于视觉和反向运动学的控制策略，能够高效率、高精度实现运动控制。

5    参考文献

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