【文章內(nèi)容簡介】 手爪到草莓的距離；采用氣動機(jī)械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但這僅僅只是一個草莓采 收實(shí)驗(yàn)裝置，體積比較龐大，且沒有驅(qū)動裝置，對于草莓的枝葉遮擋、重疊等尚未進(jìn)行研究，距生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。 1．工作對象脆弱：農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對象多數(shù)是成熟的果實(shí)、田間的幼苗這樣的軟弱易傷的生物對象，必須要能夠輕柔的處理。 2．工作環(huán)境惡劣：由于農(nóng)作物是生長變化的，其生存環(huán)境和自身的狀態(tài)也會隨著時間和空間的改變發(fā)生改變，這就要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人不僅要具有與生物體柔性相對應(yīng)的處理功能，而且還要能夠適應(yīng)變化無常的自然環(huán)境。 3．對操作要求簡單：農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用者多數(shù)主體是農(nóng)民，他們懂得很 少的電子、機(jī)械方面的專業(yè)知識，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有較高的可靠性并且操作簡單。 3 4．工作動作復(fù)雜：農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般是作業(yè)、移動同時進(jìn)行。作業(yè)過程中機(jī)器人的行走路線受到作物栽培方式的影響因而比較狹窄、位置受限制的一定范圍，常常需要走較長的距離并要求遍及整個田間表面等特點(diǎn)，設(shè)計時要充分考慮在復(fù)雜的情況下完成作業(yè)。 5．價格要求低廉：農(nóng)業(yè)機(jī)器人以個體經(jīng)營為主，如果價格不是很合理，就很難得到有效的普及。 總之，目前無論國內(nèi)還是國外，農(nóng)業(yè)機(jī)械人的自動化還有待提高，草莓采摘機(jī)器人的研究也尚處于實(shí)驗(yàn)室的裝置研究階段，智 能水平還很有限，離生產(chǎn)應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離。 3 草莓采摘機(jī)器人基本構(gòu)造及工作環(huán)境 根據(jù)采摘機(jī)器人的功能可知，機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分組成，這三大部分可分成行走系統(tǒng)、機(jī)械本體系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交換系統(tǒng)六個系統(tǒng)。 草莓采摘機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)有：末端執(zhí)行器，視覺傳感器，機(jī)械手。 草莓采摘機(jī)器人的設(shè)計的核心技術(shù)之一是末端執(zhí)行器的設(shè)計，因?yàn)槌墒斓牟葺谋砥け容^脆弱，其形狀也較復(fù)雜。末端執(zhí)行器抓持力的控制要求很高，同時要求夾持系統(tǒng)具有一定柔性，可以補(bǔ)償部分力控制產(chǎn)生的誤差 ，避免夾持力過小而抓取失穩(wěn)，導(dǎo)致草莓掉落，因此作為草莓采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器的特點(diǎn)要求通用性和靈活性較強(qiáng)，且系統(tǒng)簡單，成本較低，易于操作和維護(hù)，盡量可以實(shí)現(xiàn)果蔬的無損采摘。 人類從外部世界獲取信息大部分都是通過視覺完成的，視覺是我們最重要的感覺之一，因此當(dāng)前信息研究的核心任務(wù)之一是信息視覺處理。機(jī)器人視覺就是給機(jī)器人裝上視覺傳感器，模擬人的視覺功能，從圖像或圖像序列中提取信息，對客觀世界進(jìn)行形態(tài)識別。視覺傳感器主要由彩色攝像機(jī)來尋找和識別成熟的草莓，利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定位。收獲時， 由視覺系統(tǒng)計算采摘目標(biāo)的空間位置，然后采摘機(jī)械手移動到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器靈活移動直到把草莓吸入，完成采摘。 草莓采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行部件是機(jī)械手，它的功能主要是將末端執(zhí)行器移至接近果實(shí)的位置。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性和果實(shí)分布的隨機(jī)性，采 4 摘機(jī)械手的選型不僅要遵循機(jī)械手設(shè)計的基本原則，還要考慮其工作的特殊性。果實(shí)采摘過程中，植物莖葉以及植物支撐裝置的位置不固定，為了減少對植物的損傷，機(jī)械手必須能方便地避開障礙物。 目前，我國草莓的栽培模式包括溫室栽培、露地栽培和大棚栽培。 其中，按常規(guī)露地栽培的草莓產(chǎn)量較低，上市遲，供應(yīng)短，效益不高。采用黑膜覆蓋加塑料大棚栽培，投入少，產(chǎn)出高，采果期長，畝產(chǎn)可達(dá) 1500 至 2021 公斤，比露地栽培增產(chǎn) 至 2 倍。因?yàn)樵耘嘟Y(jié)構(gòu)化的種植特點(diǎn)，可以減輕勞動作業(yè)的強(qiáng)度。采用溫室結(jié)構(gòu)化方式種植草莓，果實(shí)分布區(qū)域相對集中，減少了莖葉對果實(shí)的遮擋，有利于草莓自動化采收。采摘機(jī)器人行走于壟行間，同時對兩側(cè)草莓進(jìn)行采摘。 對于草莓采摘機(jī)器人綜合來說，首先是有可靠性好、精度高的視覺系統(tǒng)技術(shù)，能夠檢測出所有成熟果實(shí)，精確對其定位。然后是提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計 柔性和靈巧性，提高采摘的成功率和降低采摘草莓的損傷率。最后是要提高采摘機(jī)器人的通用性，提高機(jī)器人的利用率。 溫室栽培一般采用的是高畦壟上栽雙行的形式，如圖 1 所示。 如圖 1 溫室草莓高畦壟上雙行栽培 4 目前國內(nèi)草莓采摘機(jī)器人研究存在的問題 1．普遍采用多目機(jī)器視覺系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 2．整體機(jī)構(gòu)龐大，工作過程中占用較多行走空間，影響種植密度。 3．面向我國國內(nèi)草莓生長環(huán)境特點(diǎn)的采摘機(jī)器人研究較少。 5 5 主要研究內(nèi)容 草莓的自動收獲機(jī)械是一個結(jié)合了包括計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)及各種自動化技術(shù)在內(nèi)的復(fù)雜 系統(tǒng)，本課題的研究目標(biāo)是對草莓的自動收獲進(jìn)行初步的研究，課題的具體研究內(nèi)容如下： 1．調(diào)查現(xiàn)有的草莓識別方式（ Hough 變換的草莓識別算法），找出可行的草莓采摘機(jī)器人有效識別成熟草莓的方法。 2．選取合適的器件，使用視覺識別技術(shù)和無線控制技術(shù)，探討草莓采摘機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)造。 3．運(yùn)用計算機(jī)軟件，對采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計，建造模型。 ，找出草莓采摘失誤的原因和改進(jìn)的方法，為后續(xù)精確智能機(jī)器人的研制打下基礎(chǔ)。 Hough 變換的成熟草莓識別算法 Hough 變換是一種使用表決原 理的參數(shù)估計技術(shù)， Hough 變換最初是用來檢測直線和曲線的，后來推廣到廣義 Hough 變換，來檢測各種曲線。假設(shè)草莓輪廓的數(shù)學(xué)模型已知，那么理論上不管草莓處于被遮掩或緊靠狀態(tài)，還是單個分離狀態(tài)，只要草莓的輪廓信息足夠多，利用這些輪廓信息進(jìn)行 Hough 變換，就可得到草莓的輪廓參數(shù)信息，從而把所有的草莓識別出來。 建立草莓輪廓模型 每個草莓的輪廓都一定存在著差異，所以建立一個標(biāo)準(zhǔn)的草莓輪廓數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。但是我們可以發(fā)現(xiàn)，成熟草莓約 3／ 4 左右的輪廓形狀與圓近似，因此為了計算簡單方便，以圓形近似表示草莓 的形狀輪廓，則成熟草莓輪廓在圖像中的參數(shù)方程為 202020 )()( ryyxx ???? （ 1） 式中 x0、 y0 成熟草莓圖像形心坐標(biāo) r0 草莓輪廓的半徑 圖像分割、區(qū)域標(biāo)記和有效圖像區(qū)域 草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘需要首先解決的關(guān)鍵問題是草莓成熟度和空間位置的識別，而要解決此問題必須先將成熟草莓果實(shí)的圖像從復(fù)雜的背景圖像中提取出來，即對實(shí)際拍攝的彩色圖像進(jìn)行分割。圖像分割就 是指把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。特性可以是灰度、顏色、紋理等， 6 目標(biāo)可以是單個區(qū)域，也可以是多個區(qū)域。常用的圖像分割技術(shù)有：閡值分割法、區(qū)域生長法、區(qū)域的分裂與合并法、邊緣檢測與邊界跟蹤法等。 當(dāng)圖像內(nèi)含有多個草莓果實(shí)或者除了草莓果實(shí)外含有其他干擾時，就需要對圖像中的不同部分進(jìn)行區(qū)分，這時要用到區(qū)域標(biāo)記，即給圖像中連接在一起的像素賦上相同的標(biāo)記，不同的連接成分賦上不同的標(biāo)記。 在進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記的同時，可以計算各個區(qū)域的面積。區(qū)域面積就是對區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行計數(shù)。區(qū)域面積雖然計算簡單，但 是很有實(shí)用性，當(dāng)面積過小時，該區(qū)域可以認(rèn)為是干擾去除，這樣就可以消除前面處理部分沒有去除掉的干擾。 變換識別草莓 因?yàn)槌墒觳葺妮喞皇且粋€真正的圓，所以每個成熟草莓都有多個極大值點(diǎn)，但由于這些極大值點(diǎn)位置鄰近，根據(jù)其位置信息，可以有效地辨別哪些極大值點(diǎn)屬同一個草莓。為減少有效圖像區(qū)域的掃描次數(shù)，進(jìn)一步減少運(yùn)算量，采用邊界跟蹤方法獲取輪廓信息。將獲取的草莓輪廓信息保存起來，用于 Hough 變換。 Hough 變換時，對于任一輪廓點(diǎn)增加所有滿足式 (1)的參數(shù)累計單元，求取累計單元的極大值點(diǎn)，最 后用加權(quán)平均法合并這些極大值點(diǎn)，獲取有效的極大值點(diǎn)。每個有效極值點(diǎn)對應(yīng)一個圓參數(shù)方程，即一個成熟草莓。對圖像各個有效區(qū)域依次進(jìn)行處理，可完成整幅圖像的草莓識別。流程圖如下圖 2： 7 圖 2 成熟草莓識別流 程圖 成熟草莓識別實(shí)驗(yàn)和分析 對于不同的成熟草莓情況，選取在實(shí)際環(huán)境中拍攝的照片，如圖 3 所示。照片中一共有 21 個成熟的草莓，這些成熟的草莓輪廓信息丟失不超過 1/2。無論是單個分離的成熟草莓，還是多個相互僅靠或重疊的，或者被葉子或其它物體遮掩的復(fù)雜情況，相對于整個成熟草莓來說，識別誤差較小，能夠滿足機(jī)器視覺系統(tǒng)的要求。 對極大值點(diǎn)的鄰域進(jìn)行加權(quán)平均，計算出擬合圓的參數(shù) 檢測出累計數(shù)組的極大值點(diǎn) 對各個區(qū)域的外接矩形內(nèi)的邊緣點(diǎn)進(jìn)行 Hough 變換 結(jié)束 開始 采集圖像 邊界追蹤 區(qū)域標(biāo)記獲取特征參數(shù)，如面積、最小外接矩形等 畸變補(bǔ)償 圖像增強(qiáng) 閉運(yùn)算 自動對比增強(qiáng) 閥值化 8 圖 3 草莓圖像及 Hough 變換識別結(jié)果 （ a） 草莓簡單分離 （ b） 2 個草莓緊挨 （ c） 3 個草莓緊挨 （ d）草莓被其他 物體遮掩（ f）草莓相互遮掩 構(gòu)造 草莓采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的功能是識別圖像內(nèi)成熟草莓果實(shí)的數(shù)量和目標(biāo)果實(shí)圖像重心的位置，并向機(jī)器人控制系統(tǒng)提供這些位置信息。 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)整體設(shè)計 如圖 4 所示，草莓采摘機(jī)器人由精密運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器、框架、履帶式行走機(jī)構(gòu)、果籃托盤以及控制箱組成，工作過程中，機(jī)器人行走于過道中央，定義參考坐標(biāo)系：機(jī)器人前進(jìn)方向?yàn)?x 軸正方向，垂直地面向上為 y 軸正方向；垂直且指向采摘目標(biāo)所在的栽培床側(cè)表面為 Z 軸正方向，在機(jī)器人作業(yè)過程中，該方向?qū)S實(shí)際采摘目標(biāo)的變化而改變；機(jī)器人攝像頭所拍攝圖像坐標(biāo)的 z、y 方向與參考坐標(biāo)系的 x、 y 方向定義一致。 圖 4 草莓采摘機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖 框架由鋁合金型材固連而成，用于支撐連接機(jī)器人各機(jī)械部件；履帶式行走機(jī)構(gòu)用于負(fù)載整個機(jī)器人，并進(jìn)行較大范圍移動；果籃托盤為正方形的平面，通過鋁型材與框架固連，用于放置草莓收納容器；工控箱與框架上表面固連，內(nèi)置電源、控制器、驅(qū)動器等電子設(shè)備，用于接收數(shù)字圖像等機(jī)器人反饋信息、計算機(jī)器人導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及控制機(jī)器人各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 9 運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)設(shè)計 運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)用于局部范圍內(nèi)精密調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器和采摘目標(biāo)的相對位置，包含 3 個平動自由度 和 1 個旋轉(zhuǎn)自由度．如圖 5 所示。 圖 5 精密運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)示意圖 2 1 2 動機(jī) 4 3 組 3 3 橫梁與絲杠導(dǎo)軌模組 l 平行放置且固連，滑塊 l、滑塊 滑塊 3 分別與絲杠導(dǎo)軌模組 l、絲杠導(dǎo)軌模組 絲杠導(dǎo)軌模組 3 配合；絲杠導(dǎo)軌模組 1 與絲杠導(dǎo)軌模組 2 垂直放置，滑塊 1 與滑塊 2 固連；電動機(jī) 4 通過電動機(jī)支架與絲杠導(dǎo)軌模組 2 的一端固連，電動機(jī) 4 的輸出軸與旋轉(zhuǎn)法蘭固連，旋轉(zhuǎn)法蘭與滑塊 3固連。在電動機(jī) l 的驅(qū)動下，絲杠導(dǎo)軌模組 2 隨滑塊 1 沿 x 方向平動；在電動機(jī)2 的驅(qū)動下，整個絲杠導(dǎo)軌模組 2 和電動機(jī) 4 一同相對于滑塊 2 沿 y 方向平動；在電動機(jī) 3 的驅(qū)動下，絲杠導(dǎo)軌模組 3 可相對于滑塊 3 沿 z 方向平動。 末端執(zhí)行器通過固定法蘭與精密運(yùn)動定 位機(jī)構(gòu)固連，精密運(yùn)動定位機(jī)構(gòu)通過橫梁與框架頂端固連。電動機(jī) 電動機(jī) 電動機(jī) 3 搭配增量式編碼器，控制系統(tǒng)可對其進(jìn)行閉環(huán)控