CN103039197B - 果蔬采摘设备及果蔬采摘方法 - Google Patents

Abstract

一种果蔬采摘设备包括智能驱动装置、由智能驱动装置驱动的多自由度机械臂、采摘装置以及控制装置。采摘装置包括柔性壳体以及持拿端，柔性壳体的内腔中填充有磁流变液，该柔性壳体通过持拿端与多自由度机械臂连接，控制装置利用磁流变效应控制采摘装置中磁流变液的磁流变过程，使所述柔性壳体与果蔬相适应。上述果蔬采摘设备，利用磁流变效应，使采摘装置在采摘时与果蔬外形相适应，提高了对果蔬的适应能力。还提供一种果蔬采摘方法。

Description

果蔬采摘设备及果蔬采摘方法

技术领域

本发明涉及农业设备，特别是涉及一种果蔬采摘设备及果蔬采摘方法。

背景技术

水果、蔬菜（果蔬）采摘是农业生产中的一个重要的环节，具有季节性强、劳动强度大、费用高等特点，且其在一定程度上决定了水果、蔬菜的产量及成本。传统的农业采摘工作基本都是依靠人工完成，这种采摘方式的局限性主要有两个方面：一方面大规模地使用劳动力会给果蔬带来极高的成本，据相关数据表明，国内某些果蔬采摘费用占到了生产成本的50~70%，这一不足会随着人口的老龄化愈加明显；另一方面果蔬的成熟期有严格的季节性限制，采摘任务必须在规定的时间内完成，作业劳动强度大，作业质量难以保证。因此，研制果蔬采摘机器人，满足农业生产规模化、多样化和精确化的需求，降低工人劳动强度和生产成本，提高劳动生产率和产品质量具有重要的意义。

果蔬采摘设备在这种背景下得到了较快的发展，国内外的相关科研机构都投入了大量的资源进行了相关的研究，并研制了相关的果蔬采摘设备。

传统的果蔬采摘设备对果蔬的适应性很差，大多数设备只针对某一种果蔬，或者需要更换不同的传感器和执行器来应对不同的果蔬，设备成本很高。

发明内容

基于此，有必要针对传统果蔬采摘设备对果蔬适应性很差的问题，提供一种适应性较强的果蔬采摘设备。

一种果蔬采摘设备，包括智能驱动装置，以及由智能驱动装置驱动的多自由度机械臂，还包括：

采摘装置，包括柔性壳体、磁流变液以及线圈，所述柔性壳体的内腔中填充有磁流变液，所述磁流变液可发生磁流变效应，所述柔性壳体与所述多自由度机械臂连接，所述线圈绕设于柔性壳体上，所述线圈与外接电源电连接；及

控制装置，与所述外接电源电连接，所述控制装置通过控制所述线圈的电流，控制所述磁流变液的磁流变过程，使所述柔性壳体包覆并持拿所述果蔬。

在其中一实施方式中，所述柔性壳体上分布有力学传感器阵列，所述力学传感器阵列实时检测所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据，并反馈给所述控制装置，所述控制装置根据所述压力数据实时调节所述磁流变液的磁流变过程。

在其中一实施方式中，所述控制装置包括微处理器、DDS信号源、DA数模转换单元、乘法器以及AD模数转换单元，所述AD模数转换单元接收所述力学传感器阵列反馈来的所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据，所述微处理器将所述压力数据与预设的果蔬损伤最小应力对比，根据对比结果所述微处理器控制所述DDS信号源产生频率可控的交流信号，并控制所述DA数模转换单元产生电压可变的直流信号，所述交流信号以及所述直流信号经所述乘法器产生频率、幅值可控的交流信号源，所述交流信号源经滤波放电处理得到可流入所述线圈的基本交流信号，所述基本交流信号用于产生磁场，所述磁场控制所述磁流变液的磁流变过程。

在其中一实施方式中，所述控制装置还包隔离单元，所述微处理器可产生脉宽可调的PWM信号，所述隔离单元通过所述PWM信号控制所述基本交流信号流入线圈的时间。

在其中一实施方式中，所述微处理器根据所述压力数据与预设的果蔬损伤最小应力对比的对比结果采用PID闭环反馈算法调节所述基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比。

在其中一实施方式中，所述采摘装置还包括磁芯，所述磁芯由所述柔性壳体包覆。

还提供一种果蔬采摘方法。

一种果蔬采摘方法，包括以下步骤：

提供上述的果蔬采摘装置；

所述智能驱动装置驱动所述多自由度机械臂将所述采摘装置推送到被采摘果蔬位置；

所述柔性壳体包覆被采摘果蔬；

所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应；

所述切断所述被采摘果蔬的梗；

所述控制装置断开线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应，所述被采摘果蔬从所述柔性壳体内脱离。

在其中一实施方式中，所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应的步骤还包括：

产生基本交流信号，并通入所述线圈产生磁场；

测量所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据；

判断所述压力数据是否大于预设的果蔬损伤最小应力，如果所述压力数据大于所述预设的果蔬损伤最小应力，则发出预警，需要重新产生基本交流信号；如果所述压力数据小于所述预设的果蔬损伤最小应力，则切断被采摘果蔬的梗。

在其中一实施方式中，所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应的步骤还包括：

当所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据小于所述预设的果蔬损伤最小应力的时候，进行PID闭环反馈算法修改控制量，调节所述基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比，重新产生基本交流信号；

所述PID闭环反馈算法为：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(k\right)-e(k-1)]+u_0$

其中，u₀为控制量的初值，即k＝0时的控制量；u(k)为第k个采样时刻的控制；K_P为比例放大系数；K_I为积分放大系数；K_D为微分放大系数。

在其中一实施方式中，所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应的步骤还包括：

判断所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据是否正常，如果所述压力数据正常，则切断被采摘果蔬的梗；如果所述压力数据异常，则所述控制装置复位初始化。

上述果蔬采摘设备采用上述果蔬采摘方法，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小。磁流变液可以根据果蔬的形状发生形变，因此可以提高了果蔬采摘设备的普遍适用性，能适应于各种不同类型和大小的果蔬。根据磁流变效应，使采摘装置在采摘时与果蔬外形相适应，提高了对果蔬的适应能力。

并且，磁流变液中磁性颗粒的尺寸很小，无磁场作用时其流动特性和工作特性与液压油类似。因此，在没有磁场的作用下，让磁流变液包裹果蔬，则柔性壳体与果蔬的外表面为软接触，可以减少因采摘而对果蔬带来的损伤。

待包裹好之后，开始给磁流变液施加磁场，磁流变液在磁场的作用下变成类固体，被采摘果蔬周围都是类固体，因此可以将果蔬较为稳固地被持拿住，进而实现采摘。

附图说明

图1为一实施方式的果蔬采摘设备的结构示意图；

图2为一实施方式的采摘装置的结构示意图；

图3为一实施方式的控制装置的原理图；

图4为一实施方式的果蔬采摘方法的流程图；

图5为图4所示实施方式的果蔬采摘方法的步骤S140的具体流程图。

具体实施方式

为了解决传统果蔬采摘设备对果蔬适应性很差的问题，提供一种果蔬采摘设备。

本实施方式主要是利用了磁流变液在磁场作用下流变瞬间可逆的特性，设计果蔬采摘设备。磁流变液MRF（MagnetorheologicalFluids）是一种具有工程应用价值的新型智能流体材料，是一种由微米级磁性颗粒分撒在载液中形成的稳定悬浮液。它主要由载液、磁性粒子和添加剂等组成。磁流变液能够随外加磁场强度的增加由液态逐渐变为类似固体，当外加磁场撤销，磁流变液又能恢复到液体的状态。在整个过程中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小，可以实现实时的主动和半主动控制。此外。磁流变液中磁性颗粒的尺寸很小，无磁场作用时其流动特性和工作特性与液压油类似。因此，在没有磁场的作用下，让磁流变液包裹果蔬，待包裹好之后，开始给磁流变液施加磁场，磁流变液在磁场的作用下变成类固体，被采摘果蔬周围都是类固体，因此可以很稳地被持拿住，进而实现采摘，要放置采摘的果蔬时，撤去磁流变液外加的磁场，磁流变液呈现出低粘度的牛顿流体特性，松开被采摘水果。

磁流变液在有无磁场情况下表现出不同特性，麦克斯韦方程组描述了变化的电场可以激发磁场的规律。基于这些理论知识，控制加在磁流变液周围的变化电流，即控制磁流变液周围的磁场，从而实现磁流变液的液态和类固体转换，进而提高了设备对各种果蔬的适应性，同时实现了果蔬的无损包裹持拿、采摘以及放置。

如图1所示，本实施方式的果蔬采摘设备包括智能驱动装置10、多自由度机械臂20、采摘装置30以及控制装置40。

智能驱动装置10驱动多自由度机械臂20将采摘装置30移至待采摘果蔬处。

如图2所示，采摘装置30包括柔性壳体31、线圈32、爪形手结构的持拿端33以及磁芯34。

柔性壳体31的内腔中填充有磁流变液。柔性壳体31采用弹性材料，如橡胶，高分子聚合物等。

线圈32绕设于柔性壳体31上。线圈32与外接电源电连接，则线圈32上通有可变电流，则线圈32产生可变磁场。

持拿端33将柔性壳体31与多自由度机械臂20连接。

磁芯34由柔性壳体31包覆。磁芯34可以增大线圈32的磁场强度。当改变电流的时候，相应的磁场强度变化也快。因此，磁芯34可以使磁流变效应发生的更为快速，缩短磁流变效应的时间，提高上述果蔬采摘设备的采摘效率。

控制装置40利用磁流变效应控制采摘装置30中磁流变液的磁流变过程，使柔性壳体31与果蔬相适应，适应能力强。

在不采摘时，磁流变液呈液体状态，当要执行采摘任务时，多自由度机械臂20移动采摘装置30往被采摘果蔬靠，由于采摘装置30采用柔性壳体31，因此在接触被采摘对象时，柔性壳体31因为力的作用产生形变，而又因为其中填充的是液体，作用力微小且使果蔬表面受力均匀，不足以损伤被采摘果蔬。

为了避免果蔬被夹伤和夹持不稳的情况，实现果蔬的无损伤采摘，可在柔性壳体31上设置力学传感器阵列，该力学传感器阵列实时检测柔性壳体31与被采摘果蔬表面的压力数据，并反馈给控制装置40。控制装置40可根据柔性壳体31与果蔬表面的压力数据来实时调节磁流变液的磁流变过程。

控制装置40与外接电源电连接。控制装置40通过控制变化的电场来控制采摘装置中磁流变液的磁流变过程。麦克斯韦方程组描述了变化的电场可以激发磁场的规律，基于这些理论知识，本实施方式控制加在磁流变液周围的变化电流，即控制磁流变液周围的磁场，从而实现磁流变液的液态和类固体转换。

具体地，如图3所示，控制装置40包括微处理器41、DDS（DirectDigitalSynthesizer）信号源42、DA（DigitaltoAnalog）数模转换单元43、乘法器44、隔离单元45及AD（AnalogtoDigital）模数转换单元46。微处理器41与DDS信号源42及DA数模转换单元43通信连接。DDS信号源42及DA数模转换单元43与乘法器44电连接。力学传感器阵列311与AD模数转换单元46通信连接。

微处理器41控制DDS信号源42产生频率可控的交流信号。DDS信号源42输出的是数字化的正弦波。微处理器41并控制DA数模转换单元43产生电压可变的直流信号。DA数模转换单元43将数字信号转换成模拟信号。交流信号以及直流信号经乘法器44产生频率、幅值可控的交流信号源。交流信号源经滤波放电处理得到可流入线圈32的基本交流信号，用于产生变化的电场，以控制采摘装置30中磁流变液的磁流变过程。

同时，微处理器41控制产生脉宽可调的PWM（PulseWidthModulation）信号，由隔离单元45通过该PWM信号控制基本交流信号流入线圈32的时间。

可以理解，隔离单元45可以为隔离器。

由于磁流变液在不同的状态下会表现出不同的应力状态，一般情况下，固体状态越明显，产生的应力就越大，柔性壳体31与果蔬表面之间的压力数据也就越大。液体状态越明显，产生的应力就越小，柔性壳体31与果蔬表面之间的压力数据也就越小。AD模数转换单元46将模拟信号转换为数字信号。因此，AD模数转换单元46接收力学传感器阵列311反馈来的柔性壳体31与被采摘果蔬表面的压力数据。由微处理器41将该压力数据与预设的果蔬损伤最小应力对比，根据对比结果调节基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比，以得到一个合适的应力进行果蔬采摘，保证果蔬采摘过程的无损性和成功率。当压力数据大于预设的果蔬损伤最小应力，则果蔬很容易就会被压损。当压力数据小于预设的果蔬损伤最小应力，会发生果蔬持拿不稳的现象。

为了准确调节磁场，进而得到一个更加精准的采摘应力，达到更好的采摘效果，微处理器41根据对比结果采用PID（ProportionIntegrationDifferentiation）闭环反馈算法调节基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比。

PID控制算法是一个经典的闭环反馈算法，算法的原理表达式如式（1）所示：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(k\right)-e(k-1)]+u_0---\left(1\right)$

式中u₀为控制量的初值，即k＝0时的控制量；u(k)为第k个采样时刻的控制；K_P为比例放大系数；K_I为积分放大系数；K_D为微分放大系数。

对于PID***来说。***性能的好坏主要取决于PID控制参数的设定。有PID控制原理知：比例（P）控制能迅速反应误差，减小稳态误差；比例作用的加大，会引起***的不稳定。积分（I）控制的作用，只要***有偏差存在，积分作用不断地积累，输出控制量以消除误差；积分作用太强会使***超调加大，甚至使***出现振荡。微分（D）控制可以减小超调量，克服振荡，使***的稳定性提高，同时加快***的动态响应速度，减小调整时间，从而改善***的动态性能。

PID***的目标是：反应速度尽可能快，超调量尽可能小，稳态误差趋于0。反应速度快可以缩短磁流变液的液态与类固态之间的转换时间，提高果蔬采摘的效率。超调量过大，可能会使得过冲较大，即瞬间的磁场较大，而磁场越大，磁流变液给果蔬施加的应力就越大，当果蔬所受到的应力大于果蔬损伤最小应力时，果蔬容易遭到损害。因此，超调量较小，可以保证瞬间磁场小于果蔬损伤最小应力，防止果蔬受到损害。

在采摘果蔬时，磁流变液给果蔬持拿应力的大小与外加磁场有关。当磁场过大时，持拿应力也跟着变大，可能会损坏被采摘的果蔬。当磁场过小时，持拿应力也跟着变小，可能会出现拿不稳果蔬的现象。因此，要求PID***的稳态误差尽可能小，且趋于0，以保证持拿果蔬稳定。

还提供一种果蔬采摘方法。果蔬采摘方法利用上述果蔬采摘设备采摘果蔬。

请参阅图4，本实施方式的果蔬采摘方法包括以下步骤：

步骤S110，提供上述果蔬采摘装置。利用上述果蔬采摘装置对果蔬进行无损采摘。

步骤S120，智能驱动装置驱动多自由度机械臂将采摘装置推送到被采摘果蔬位置。

步骤S130，柔性壳体包覆被采摘果蔬。当采摘装置的柔性壳体接触被采摘果蔬时，因为力的作用柔性壳体产生形变，且作用力微小不足以损伤被采摘果蔬。在多自由度机械臂的推动下，磁流变液包裹被采摘果蔬。

步骤S140，控制装置控制线圈的电流，磁流变液发生磁流变效应。磁流变液在磁场的作用下呈现出高粘度，低流动性的固体特性。

具体在本实施方式中，请参阅图5，步骤S140还包括：步骤S141，产生可流入线圈的基本交流信号，并通入线圈产生磁场。

步骤S142，测量柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据。

步骤S143，判断柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据是否大于预设的果蔬损伤最小应力，如果该压力数据大于预设的果蔬损伤最小应力，则发出报警，需要重新产生基本交流信号，返回步骤S141。如果该压力数据小于预设的果蔬损伤最小应力，则进行步骤S144。

步骤S144，判断柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据是否正常，如果柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据正常，则进入步骤S145。如果柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据异常，则控制装置复位初始化。压力数据异常的时候，可能是柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力过大以损坏被采摘果蔬的表面；也可能是柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力过小，不能将被采摘果蔬持拿稳。因此，在这种情况下，需要将控制装置进行复位。

步骤S145，进行PID闭环反馈算法修改控制量，调节基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比，重新产生基本交流信号。

步骤S150，切断被采摘果蔬的梗。切断果蔬梗便可完成果蔬的采摘。

步骤S160，控制装置断开线圈的电流，磁流变液发生磁流变效应，被采摘果蔬从柔性壳体内脱离。在放置果蔬时，只需断开线圈的电流，撤销外部磁场即可。

在上述果蔬采摘方法中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小。磁流变液可以根据果蔬的形状发生形变，因此可以提高了果蔬采摘设备的普遍适用性，能适应于各种不同类型和大小的果蔬。此外，磁流变液中磁性颗粒的尺寸很小，无磁场作用时其流动特性和工作特性与液压油类似。因此，在没有磁场的作用下，让磁流变液包裹果蔬，则柔性壳体与果蔬的外表面为软接触，可以减少因采摘而对果蔬带来的损伤。

待包裹好之后，开始给磁流变液施加磁场，磁流变液在磁场的作用下变成类固体，被采摘果蔬周围都是类固体，因此可以将果蔬较为稳固地被持拿住，进而实现采摘。

以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种果蔬采摘设备，包括智能驱动装置，由智能驱动装置驱动的多自由度机械臂，采摘装置，以及控制装置，其特征在于，还包括，

所述采摘装置，包括柔性壳体、磁流变液以及线圈，所述柔性壳体的内腔中填充有磁流变液，所述磁流变液可发生磁流变效应，所述柔性壳体与所述多自由度机械臂连接，所述线圈绕设于柔性壳体上，所述线圈与外接电源电连接；及

所述控制装置，与所述外接电源电连接，通过控制所述线圈的电流，控制所述磁流变液的磁流变过程，使所述柔性壳体包覆并持拿所述果蔬；所述柔性壳体上分布有力学传感器阵列，所述力学传感器阵列实时检测所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据，并反馈给所述控制装置，所述控制装置根据所述压力数据实时调节所述磁流变液的磁流变过程；

所述控制装置包括微处理器、DDS信号源、DA数模转换单元、乘法器以及AD模数转换单元，所述AD模数转换单元接收所述力学传感器阵列反馈来的所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据，所述微处理器将所述压力数据与预设的果蔬损伤最小应力对比，判断所述柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据是否大于所述预设的果蔬损伤最小应力，如果所述压力数据大于所述预设的果蔬损伤最小应力，则发出报警，重新产生基本交流信号，并通入所述线圈产生磁场；如果所述压力数据小于所述预设的果蔬损伤最小应力，则判断所述柔性壳体与被采摘果蔬表面的压力数据是否正常，如果所述压力数据异常，则所述控制装置复位初始化；如果所述压力数据正常，则根据对比结果所述微处理器控制所述DDS信号源产生频率可控的交流信号，并控制所述DA数模转换单元产生电压可变的直流信号，所述交流信号以及所述直流信号经所述乘法器产生频率、幅值可控的交流信号源，所述交流信号源经滤波放电处理得到可流入所述线圈的基本交流信号，所述基本交流信号用于产生磁场，所述磁场控制所述磁流变液的磁流变过程。

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘设备，其特征在于，所述控制装置还包括隔离单元，所述微处理器可产生脉宽可调的PWM信号，所述隔离单元通过所述PWM信号控制所述基本交流信号流入线圈的时间。

3.根据权利要求1所述的果蔬采摘设备，其特征在于，所述微处理器根据所述压力数据与预设的果蔬损伤最小应力对比的对比结果采用PID闭环反馈算法调节所述基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比。

4.根据权利要求1所述的果蔬采摘设备，其特征在于，所述采摘装置还包括磁芯，所述磁芯由所述柔性壳体包覆。

5.一种果蔬采摘方法，包括以下步骤：

提供如权利要求1～4任意一项所述的果蔬采摘设备；

所述智能驱动装置驱动所述多自由度机械臂将所述采摘装置推送到被采摘果蔬位置；

所述柔性壳体包覆被采摘果蔬；

所述控制装置控制线圈的电流所述磁流变液发生磁流变效应；

切断所述被采摘果蔬的梗；

所述控制装置断开线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应，所述被采摘果蔬从所述柔性壳体内脱离；

所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应的步骤还包括：

产生基本交流信号，并通入所述线圈产生磁场；

测量所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据；

判断所述压力数据是否大于预设的果蔬损伤最小应力，如果所述压力数据大于所述预设的果蔬损伤最小应力，则发出预警，重新产生基本交流信号，并通入所述线圈产生磁场；如果所述压力数据小于所述预设的果蔬损伤最小应力，则判断所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据是否正常，如果所述压力数据正常，则切断被采摘果蔬的梗；如果所述压力数据异常，则所述控制装置复位初始化。

6.根据权利要求5所述的果蔬采摘方法，其特征在于，所述控制装置控制线圈的电流，所述磁流变液发生磁流变效应的步骤还包括：

当所述柔性壳体与所述果蔬表面之间的压力数据小于所述预设的果蔬损伤最小应力的时候，进行PID闭环反馈算法修改控制量，调节所述基本交流信号的频率、幅值以及PWM信号的占空比，重新产生基本交流信号；

所述PID闭环反馈算法为：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(k\right)-e(k-1)]+u_0$

其中，u₀为控制量的初值，即k＝0时的控制量；u(k)为第k个采样时刻的控制；K_P为比例放大系数；K_I为积分放大系数；K_D为微分放大系数。