視覺(jué)交互技術(shù)的采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要:以草莓采摘作業(yè)過(guò)程為研究對(duì)象，對(duì)草莓自動(dòng)采摘時(shí)出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出一種利用機(jī)器視覺(jué)交互實(shí)現(xiàn)草莓準(zhǔn)確識(shí)別定位的自動(dòng)采摘系統(tǒng)，并搭建草莓采摘機(jī)器人電氣控制模塊和機(jī)械模塊，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明:在相同的作業(yè)環(huán)境條件下，在圖像采集時(shí)進(jìn)行光源輔助，能夠有效提高采摘作業(yè)可靠性;通過(guò)對(duì)不同條件下采摘作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出草莓采摘機(jī)器人完成單個(gè)草莓采摘作業(yè)的時(shí)間約為10s。此采摘系統(tǒng)可為智能化采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人;草莓采摘;機(jī)器視覺(jué);末端執(zhí)行器

0引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化程度的不斷提高，水果自動(dòng)化采摘已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度的標(biāo)識(shí)［1］。受水果外觀特性的限制，草莓采摘過(guò)程大多依靠人工進(jìn)行作業(yè)，采摘效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高，導(dǎo)致收獲時(shí)期草莓采摘滯后而造成浪費(fèi)［2］。草莓采摘機(jī)器人通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)對(duì)草莓進(jìn)行夾取，并使用隨機(jī)刀具進(jìn)行草莓莖切斷，當(dāng)草莓的形狀和大小不同時(shí)需要準(zhǔn)確進(jìn)行夾持力和受力部位的控制，否則會(huì)出現(xiàn)草莓損傷現(xiàn)象［3－4］。因此，需要設(shè)計(jì)一種通過(guò)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行草莓高精度識(shí)別和夾持控制的定位機(jī)構(gòu)，以有效解決采摘過(guò)程中出現(xiàn)的損傷問(wèn)題。筆者通過(guò)對(duì)草莓種植采摘過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的草莓精確無(wú)損采摘機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)草莓自動(dòng)化采摘，同時(shí)確保采摘過(guò)程中草莓無(wú)損傷。

1采摘機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

草莓采摘機(jī)器人包含機(jī)械、電氣及機(jī)器視覺(jué)3部分，如圖1所示。其中，機(jī)械部分包含移動(dòng)裝置、末端執(zhí)行器以及草莓收集裝置;電氣部分包含機(jī)器人電源、電機(jī)、控制器以及驅(qū)動(dòng)模塊;機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要包含圖像采集傳感器、視覺(jué)分析系統(tǒng)以及信號(hào)傳輸裝置［5－7］。草莓采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)將控制器與末端執(zhí)行器連接，實(shí)現(xiàn)不同裝置之間的信息交互，協(xié)同完成草莓采摘作業(yè)［8］。圖像采集傳感器獲取草莓圖片，并將圖片數(shù)據(jù)傳輸至控制器進(jìn)行圖像處理，識(shí)別草莓形狀和大小;同時(shí)，將識(shí)別信息反饋至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，計(jì)算草莓與末端執(zhí)行器之間的距離，根據(jù)移動(dòng)速度計(jì)算末端執(zhí)行器開(kāi)始工作時(shí)間和工作結(jié)束時(shí)間。末端執(zhí)行器移動(dòng)至草莓正下方后，迅速向上移動(dòng)，將草莓夾持，在拉力作用下草莓莖被拉斷，完成草莓采摘作業(yè)［9］。

2采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

草莓采摘機(jī)器人圖像采集傳感器是一種像素30萬(wàn)的視覺(jué)傳感器，能夠與控制器連接，實(shí)現(xiàn)草莓圖像采集識(shí)別。在工作過(guò)程中，圖像采集傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像采集，并將圖像數(shù)據(jù)上傳;控制系統(tǒng)根據(jù)圖像信息數(shù)據(jù)，對(duì)圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)草莓顏色閾值進(jìn)行圖像判斷，識(shí)別草莓的成熟程度，判斷草莓是否需要采摘［10］。草莓采摘機(jī)器人通過(guò)對(duì)圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)特征進(jìn)行識(shí)別，將草莓圖像從草莓植株中識(shí)別出來(lái)，在采摘作業(yè)過(guò)程中可通過(guò)手動(dòng)設(shè)置顏色閾值的方式來(lái)進(jìn)行草莓判斷。草莓采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器能夠根據(jù)圖像信息有效進(jìn)行草莓狀態(tài)判斷，從而調(diào)整末端執(zhí)行器的作用力，提高采摘作業(yè)過(guò)程可靠性［11］。整個(gè)控制過(guò)程不需要對(duì)圖像信息進(jìn)行精確的識(shí)別，僅需要判斷圖像區(qū)域內(nèi)是否存在設(shè)定的RGB閾值信息和像素點(diǎn)的閾值，即可完成草莓成熟程度的判斷;當(dāng)該區(qū)域內(nèi)存在符合采摘要求的草莓時(shí)，機(jī)器人末端執(zhí)行器即可進(jìn)行作業(yè)。在草莓成熟程度識(shí)別過(guò)程中，對(duì)草莓顏色進(jìn)行識(shí)別是最直接有效的識(shí)別方法，在1個(gè)采摘作業(yè)循環(huán)完成后即可轉(zhuǎn)入下一次作業(yè)循環(huán)。圖3為草莓采摘機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別流程圖。草莓機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)識(shí)別過(guò)程主要包含圖像采集和圖像處理兩個(gè)過(guò)程:圖像采集過(guò)程用于對(duì)草莓圖像進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)同時(shí)對(duì)草莓圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)草莓的識(shí)別和位置確定;圖像處理過(guò)程主要完成草莓圖像內(nèi)的顏色提取，同時(shí)對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)的RGB值進(jìn)行提取，并與設(shè)定的顏色閾值進(jìn)行判斷，從而識(shí)別出草莓的成熟程度。

3采摘機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

草莓采摘機(jī)器人電氣系統(tǒng)交互模塊用于對(duì)用戶進(jìn)行狀態(tài)顯示，可通過(guò)按鍵指令輸入的方式進(jìn)行草莓顏色閾值或采摘作業(yè)速率等作業(yè)參數(shù)設(shè)定［12］。采摘機(jī)器人傳感器主要包含圖像采集傳感器、光電距離檢測(cè)裝置及位置傳感器。其中，視覺(jué)傳感器用于對(duì)草莓進(jìn)行圖像采集，根據(jù)草莓圖像信息判斷草莓的狀態(tài)及成熟程度，作為控制器的輸入指令用于判斷是否需要進(jìn)行采摘;光電距離檢測(cè)裝置用于對(duì)草莓采摘末端執(zhí)行器到草莓之間的距離進(jìn)行檢測(cè)，避免采摘過(guò)程中出現(xiàn)末端執(zhí)行器損壞或造成草莓損傷的現(xiàn)象;位置傳感器用于對(duì)末端執(zhí)行器的位置進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)根據(jù)位置傳感器的信號(hào)值判斷末端執(zhí)行器是否處于控制系統(tǒng)原點(diǎn)。在采摘作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)末端執(zhí)行器復(fù)位至控制系統(tǒng)原點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始作業(yè)，圖像采集傳感器不斷進(jìn)行圖像采集處理，并判斷草莓的成熟程度;當(dāng)需要采摘時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作，并執(zhí)行采摘?jiǎng)幼鳌Ｈ鐖D4為采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)工作流程圖。

4系統(tǒng)測(cè)試分析

采用機(jī)器視覺(jué)搭建草莓采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，并分別在白天、黑天、晴天、陰天、無(wú)光源輔助、有光源輔助以及不同環(huán)境交叉條件下進(jìn)行采摘作業(yè)。試驗(yàn)過(guò)程中，每種條件設(shè)定100個(gè)采摘目標(biāo)。采摘完成后統(tǒng)計(jì)采摘成功率及單個(gè)草莓采摘作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，驗(yàn)證草莓采摘機(jī)器人作業(yè)過(guò)程的穩(wěn)定性及作業(yè)效率。采摘作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出:在同一環(huán)境條件下，在圖像采集過(guò)程中進(jìn)行光源輔助，能夠有效提高采摘成功率，同時(shí)縮短單個(gè)草莓的采摘時(shí)間，提高采摘作業(yè)效率;在不同的采摘環(huán)境條件下，采摘機(jī)器人完成單個(gè)草莓的平均采摘時(shí)長(zhǎng)為10s。

5結(jié)論

草莓采摘機(jī)器人利用機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)進(jìn)行草莓圖像采集，并根據(jù)圖像顏色進(jìn)行草莓識(shí)別和草莓成熟度判斷，生成是否需要采摘的控制指令。作業(yè)過(guò)程中，采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)草莓進(jìn)行夾持采摘，并有效控制夾持作用力，避免采摘過(guò)程出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人能夠有效完成采摘作業(yè)，作業(yè)過(guò)程可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可為機(jī)器視覺(jué)采摘機(jī)器人的推廣提供理論基礎(chǔ)。

作者:蘇文芝 單位:濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院