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摘要:以草莓采摘作業(yè)過程為研究對象，對草莓自動采摘時出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象進行分析，提出一種利用機器視覺交互實現(xiàn)草莓準(zhǔn)確識別定位的自動采摘系統(tǒng)，并搭建草莓采摘機器人電氣控制模塊和機械模塊，同時進行系統(tǒng)驗證試驗。結(jié)果表明:在相同的作業(yè)環(huán)境條件下，在圖像采集時進行光源輔助，能夠有效提高采摘作業(yè)可靠性;通過對不同條件下采摘作業(yè)時間進行統(tǒng)計，得出草莓采摘機器人完成單個草莓采摘作業(yè)的時間約為10s。此采摘系統(tǒng)可為智能化采摘機器人的設(shè)計提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:采摘機器人;草莓采摘;機器視覺;末端執(zhí)行器

0引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程機械化程度的不斷提高，水果自動化采摘已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)自動化程度的標(biāo)識［1］。受水果外觀特性的限制，草莓采摘過程大多依靠人工進行作業(yè)，采摘效率低，勞動強度大，成本高，導(dǎo)致收獲時期草莓采摘滯后而造成浪費［2］。草莓采摘機器人通過夾持機構(gòu)對草莓進行夾取，并使用隨機刀具進行草莓莖切斷，當(dāng)草莓的形狀和大小不同時需要準(zhǔn)確進行夾持力和受力部位的控制，否則會出現(xiàn)草莓損傷現(xiàn)象［3－4］。因此，需要設(shè)計一種通過機器視覺進行草莓高精度識別和夾持控制的定位機構(gòu)，以有效解決采摘過程中出現(xiàn)的損傷問題。筆者通過對草莓種植采摘過程進行分析，設(shè)計了一種基于機器視覺的草莓精確無損采摘機器人，可實現(xiàn)草莓自動化采摘，同時確保采摘過程中草莓無損傷。

1采摘機器人整體設(shè)計

草莓采摘機器人包含機械、電氣及機器視覺3部分，如圖1所示。其中，機械部分包含移動裝置、末端執(zhí)行器以及草莓收集裝置;電氣部分包含機器人電源、電機、控制器以及驅(qū)動模塊;機器視覺系統(tǒng)主要包含圖像采集傳感器、視覺分析系統(tǒng)以及信號傳輸裝置［5－7］。草莓采摘機器人控制系統(tǒng)將控制器與末端執(zhí)行器連接，實現(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)傳輸至控制器進行圖像處理，識別草莓形狀和大小;同時，將識別信息反饋至電機驅(qū)動器，計算草莓與末端執(zhí)行器之間的距離，根據(jù)移動速度計算末端執(zhí)行器開始工作時間和工作結(jié)束時間。末端執(zhí)行器移動至草莓正下方后，迅速向上移動，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采摘機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計

草莓采摘機器人圖像采集傳感器是一種像素30萬的視覺傳感器，能夠與控制器連接，實現(xiàn)草莓圖像采集識別。在工作過程中，圖像采集傳感器實時進行圖像采集，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)，對圖像中每一個像素點進行識別，并根據(jù)草莓顏色閾值進行圖像判斷，識別草莓的成熟程度，判斷草莓是否需要采摘［10］。草莓采摘機器人通過對圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)特征進行識別，將草莓圖像從草莓植株中識別出來，在采摘作業(yè)過程中可通過手動設(shè)置顏色閾值的方式來進行草莓判斷。草莓采摘機器人末端執(zhí)行器能夠根據(jù)圖像信息有效進行草莓狀態(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)過程可靠性［11］。整個控制過程不需要對圖像信息進行精確的識別，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，機器人末端執(zhí)行器即可進行作業(yè)。在草莓成熟程度識別過程中，對草莓顏色進行識別是最直接有效的識別方法，在1個采摘作業(yè)循環(huán)完成后即可轉(zhuǎn)入下一次作業(yè)循環(huán)。圖3為草莓采摘機器人視覺識別流程圖。草莓機器人機器視覺識別過程主要包含圖像采集和圖像處理兩個過程:圖像采集過程用于對草莓圖像進行采集，控制系統(tǒng)同時對草莓圖像進行處理，實現(xiàn)草莓的識別和位置確定;圖像處理過程主要完成草莓圖像內(nèi)的顏色提取，同時對每一個像素點的RGB值進行提取，并與設(shè)定的顏色閾值進行判斷，從而識別出草莓的成熟程度。

3采摘機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計

草莓采摘機器人電氣系統(tǒng)交互模塊用于對用戶進行狀態(tài)顯示，可通過按鍵指令輸入的方式進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］。采摘機器人傳感器主要包含圖像采集傳感器、光電距離檢測裝置及位置傳感器。其中，視覺傳感器用于對草莓進行圖像采集，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行采摘;光電距離檢測裝置用于對草莓采摘末端執(zhí)行器到草莓之間的距離進行檢測，避免采摘過程中出現(xiàn)末端執(zhí)行器損壞或造成草莓損傷的現(xiàn)象;位置傳感器用于對末端執(zhí)行器的位置進行復(fù)位，同時根據(jù)位置傳感器的信號值判斷末端執(zhí)行器是否處于控制系統(tǒng)原點。在采摘作業(yè)過程中，當(dāng)末端執(zhí)行器復(fù)位至控制系統(tǒng)原點時，機器人驅(qū)動電機開始作業(yè)，圖像采集傳感器不斷進行圖像采集處理，并判斷草莓的成熟程度;當(dāng)需要采摘時，驅(qū)動電機開始工作，并執(zhí)行采摘動作。如圖4為采摘機器人控制系統(tǒng)工作流程圖。

4系統(tǒng)測試分析

采用機器視覺搭建草莓采摘機器人作業(yè)系統(tǒng)，并分別在白天、黑天、晴天、陰天、無光源輔助、有光源輔助以及不同環(huán)境交叉條件下進行采摘作業(yè)。試驗過程中，每種條件設(shè)定100個采摘目標(biāo)。采摘完成后統(tǒng)計采摘成功率及單個草莓采摘作業(yè)時長，驗證草莓采摘機器人作業(yè)過程的穩(wěn)定性及作業(yè)效率。采摘作業(yè)試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出:在同一環(huán)境條件下，在圖像采集過程中進行光源輔助，能夠有效提高采摘成功率，同時縮短單個草莓的采摘時間，提高采摘作業(yè)效率;在不同的采摘環(huán)境條件下，采摘機器人完成單個草莓的平均采摘時長為10s。

5結(jié)論

草莓采摘機器人利用機器視覺自動進行草莓圖像采集，并根據(jù)圖像顏色進行草莓識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)過程中，采摘機器人末端執(zhí)行器根據(jù)識別結(jié)果對草莓進行夾持采摘，并有效控制夾持作用力，避免采摘過程出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明:設(shè)計的草莓采摘機器人能夠有效完成采摘作業(yè)，作業(yè)過程可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可為機器視覺采摘機器人的推廣提供理論基礎(chǔ)。

作者:蘇文芝 單位:濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院