摘要：本文利用動捕數(shù)據(jù)構(gòu)建擬人運動模型，對比觀察兩種蘋果采摘模式，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行全面評估，為提高機器人采摘效率提供創(chuàng)新方法。

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近期，一項關(guān)于蘋果采摘機器人的有趣研究—— "Design and evaluation of a robotic apple harvester using optimized picking patterns"，在農(nóng)業(yè)科學(xué)類二區(qū)SCI期刊Computers and Electronics in Agriculture上發(fā)表。

研究團隊利用動作捕捉系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建擬人采摘運動模型，對比觀察可應(yīng)用于蘋果采摘機器人的兩種運動——優(yōu)化的“水平拉動彎曲”運動和擬人運動，并使用現(xiàn)場測試對機器人系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面評估。研究為改善蘋果采摘機器人的效率和性能提供了創(chuàng)新方法，為未來應(yīng)用場景的拓展奠定了基礎(chǔ)。

研究背景

為降低蘋果采摘成本和風(fēng)險，水果業(yè)的機械化勢在必行。隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，蘋果收獲機器人成為研究熱點。蘋果收獲機器人能夠感知環(huán)境并自動識別、采摘和放置水果，但目前仍處于實驗室和果園試驗階段。收獲運動的選擇和優(yōu)化對于蘋果采摘機器人的系統(tǒng)性能和效率起著至關(guān)重要的作用。

實驗過程

機器人硬件中的機械手是完成蘋果采摘動作的關(guān)鍵部位。機械手的運動模式設(shè)計基于手動拾取動作數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃。研究團隊運用NOKOV度量運動捕捉系統(tǒng)采集采摘者上臂運動的數(shù)據(jù)，測試區(qū)域周圍有八個分辨率為2048×1088、3D精度為±0.15mm的數(shù)碼相機。通過跟蹤標(biāo)記點收集數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)街鳈C進(jìn)行實時處理，計算空間中移動物體的坐標(biāo)、速度和加速度（圖1）

圖1 NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)

1、擬人運動數(shù)據(jù)采集及路徑規(guī)劃：

實驗用帶有熒光表面的小球在采摘者的肩部、肘部、手腕和指尖進(jìn)行標(biāo)記（圖2），由于機械手的結(jié)構(gòu)與人類手臂的結(jié)構(gòu)不同，因此僅使用指尖軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 采摘動作捕捉過程

拾取運動的振幅小且速度快，因此將數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為每秒100幀。同時，為了保持高跟蹤精度，系統(tǒng)確保至少有三個攝像頭跟蹤每個標(biāo)記點。將運動開始時的指尖標(biāo)記作為初始位置，每5mm水平位移記錄高度變化。數(shù)據(jù)采集實驗共進(jìn)行了10次。試驗完成后對平均值進(jìn)行多項式擬合，擬合軌跡如圖3(a)。

圖3. 兩種采摘運動的軌跡：（a）擬人采摘運動 和（b）“彎曲水平拉動”采摘運動

2、“彎曲水平拉動”采摘運動路徑規(guī)劃：

使用 MoveIt 進(jìn)行路徑規(guī)劃。如圖3(b)所示。在末端執(zhí)行器抓住水果后，執(zhí)行xap-zap平面中從水果位置開始的采摘軌跡。

實驗結(jié)果

蘋果收獲現(xiàn)場評估的統(tǒng)計總結(jié)如表 1 所示。具體而言，使用擬人動作的蘋果采摘成功率為80.17%，比使用“水平拉動并彎曲”動作時(82.93%)低2.76%。另外，在時間方面，使用“水平拉動彎曲”運動的采摘過程的周期時間為12.53±0.53秒，比使用擬人采摘運動的平均時間(17.17±0.36 秒)少4.64 秒；采摘動作本身耗時1.14秒和3.13秒，分別占其總周期時間的9.10%和18.23%。

表1 蘋果收獲試驗結(jié)果統(tǒng)計表

在采摘過程中，無論使用哪種動作，蘋果都沒有被拔出或碰傷。基于上述分析，兩種采摘運動都顯示出在采摘機器人中的應(yīng)用潛力。與擬人化運動相比，“水平拉動并彎曲”采摘運動具有優(yōu)越的采摘周期時間和成功率。未來，擬人化運動或?qū)?yīng)用于非結(jié)構(gòu)化果園中的采摘機器人。提高采摘機器人感知環(huán)境的能力和采摘長擺樹枝上生長的蘋果的能力是兩個潛在的研究方向。

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參考文獻(xiàn)：

Lingxin Bu, Chengkun Chen, Guangrui Hu, Adilet Sugirbay, Hongxia Sun, Jun Chen,Design and evaluation of a robotic apple harvester using optimized picking patterns,Computers and Electronics in Agriculture, Volume 198,2022, 107092, ISSN 0168-1699

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2022.10?7092