【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 行初步的研究，課題的具體研究?jī)?nèi)容如下：1．調(diào)查現(xiàn)有的草莓識(shí)別方式（Hough變換的草莓識(shí)別算法），找出可行的草莓采摘機(jī)器人有效識(shí)別成熟草莓的方法。2．選取合適的器件，使用視覺識(shí)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(jì)算機(jī)軟件，對(duì)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，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變換是一種使用表決原理的參數(shù)估計(jì)技術(shù)，Hough變換最初是用來檢測(cè)直線和曲線的，后來推廣到廣義Hough變換，來檢測(cè)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(gè)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(shí)別出來。每個(gè)草莓的輪廓都一定存在著差異，所以建立一個(gè)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(jì)算簡(jiǎn)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 （1）式中x0、y0 成熟草莓圖像形心坐標(biāo) r0 草莓輪廓的半徑、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(shí)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(duì)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，目標(biāo)可以是單個(gè)區(qū)域，也可以是多個(gè)區(qū)域。常用的圖像分割技術(shù)有：閡值分割法、區(qū)域生長(zhǎng)法、區(qū)域的分裂與合并法、邊緣檢測(cè)與邊界跟蹤法等。當(dāng)圖像內(nèi)含有多個(gè)草莓果實(shí)或者除了草莓果實(shí)外含有其他干擾時(shí)，就需要對(duì)圖像中的不同部分進(jìn)行區(qū)分，這時(shí)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(shí)，可以計(jì)算各個(gè)區(qū)域的面積。區(qū)域面積就是對(duì)區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行計(jì)數(shù)。區(qū)域面積雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但是很有實(shí)用性，當(dāng)面積過小時(shí)，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。因?yàn)槌墒觳葺妮喞皇且粋€(gè)真正的圓，所以每個(gè)成熟草莓都有多個(gè)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(gè)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(shí)，對(duì)于任一輪廓點(diǎn)增加所有滿足式(1)的參數(shù)累計(jì)單元，求取累計(jì)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(gè)有效極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)圓參數(shù)方程，即一個(gè)成熟草莓。對(duì)圖像各個(gè)有效區(qū)域依次進(jìn)行處理，可完成整幅圖像的草莓識(shí)別。流程圖如下圖2： 開始 采集圖像 邊界追蹤 畸變補(bǔ)償對(duì)各個(gè)區(qū)域的外接矩形內(nèi)的邊緣點(diǎn)進(jìn)行Hough變換 圖像增強(qiáng)自動(dòng)對(duì)比增強(qiáng)檢測(cè)出累計(jì)數(shù)組的極大值點(diǎn) 閥值化對(duì)極大值點(diǎn)的鄰域進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算出擬合圓的參數(shù) 閉運(yùn)算 結(jié)束區(qū)域標(biāo)記獲取特征參數(shù)，如面積、最小外接矩形等 圖2 成熟草莓識(shí)別流程圖對(duì)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(gè)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(gè)分離的成熟草莓，還是多個(gè)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(duì)于整個(gè)成熟草莓來說，識(shí)別誤差較小，能夠滿足機(jī)器視覺系統(tǒng)的要求。 圖3 草莓圖像及Hough變換識(shí)別結(jié)果（a） 草莓簡(jiǎn)單分離 （b）2個(gè)草莓緊挨 （c）3個(gè)草莓緊挨 （d）草莓被其他 物體遮掩（f）草莓相互遮掩草莓采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的功能是識(shí)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。如圖4所示，草莓采摘機(jī)器人由精密運(yùn)動(dòng)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)閤軸正方向，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)?huì)隨實(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(gè)機(jī)器人，并進(jìn)行較大范圍移動(dòng)；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(dòng)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(jì)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(dòng)。運(yùn)動(dòng)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(duì)位置，包含3個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度．如圖5所示。圖5 精密運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)示意圖1. 電動(dòng)機(jī) 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(dòng)機(jī)4通過電動(dòng)機(jī)支架與絲杠導(dǎo)軌模組2的一端固連，電動(dòng)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(dòng)機(jī)l的驅(qū)動(dòng)下，絲杠導(dǎo)軌模組2隨滑塊1沿x方向平動(dòng)；在電動(dòng)機(jī)2的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)絲杠導(dǎo)軌模組2和電動(dòng)機(jī)4一同相對(duì)于滑塊2沿y方向平動(dòng)；在電動(dòng)機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下，絲杠導(dǎo)軌模組3可相對(duì)于滑塊3沿z方向平動(dòng)。末端執(zhí)行器通過固定法蘭與精密運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)固連，精密運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)通過橫梁與框架頂端固連。電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)3搭配增量式編碼器，控制系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器沿x、y、z方向的精確平動(dòng)。末端執(zhí)行器由機(jī)械手、攝像頭、刀片和光纖傳感器組成，如圖6所示，能夠以剪切并夾持果柄的方式摘取草莓。攝像頭位于機(jī)械手正下方，用于判斷采摘目標(biāo)與末端執(zhí)行器在x、y方向上的位置偏差；光纖傳感器a與光纖傳感器b分別位于手鉗a和手鉗b的前端，用于探測(cè)兩手鉗之間是否存在果柄；刀片固連在手鉗a前端，刃口正對(duì)手鉗b前端的納刀槽，用于在機(jī)械手閉合同時(shí)切斷果柄；夾持面是指位于手鉗b納刀槽下方且面向手鉗a的部分表面與手鉗a上與之相對(duì)的表面，在目標(biāo)果柄被切斷后可將果實(shí)夾持。圖6 末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)示意圖1. 機(jī)械手 一般采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為：一是有最優(yōu)的工作空間，在采摘過程中，機(jī)械手工作空間應(yīng)該盡可能多地包含工作目標(biāo)的位置，以降低機(jī)器人的移動(dòng)頻率，提高工作效率。二是具有合理的內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人時(shí)，不僅要考慮其結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，而且要設(shè)計(jì)合理的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。具有較好的避障能力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)，作為作業(yè)對(duì)象的果實(shí)分布隨機(jī)，一般生長(zhǎng)在茂密的莖葉和支撐物等障礙物之間，而且在果實(shí)采摘過程中，植物莖葉以及支撐物的位置常常不固定，為了減少對(duì)植物的損傷，機(jī)械手在接近果實(shí)的過程中必須能方便地避開障礙物。三是具有消除工作空間內(nèi)奇異形位的能力，對(duì)于非冗余度機(jī)器人，一般通過增加自由度使其具有冗余度，以解決機(jī)械手機(jī)構(gòu)的奇異問題。自由度越多，靈活性越好，但是會(huì)增加機(jī)構(gòu)復(fù)雜性和控制難度。農(nóng)業(yè)機(jī)器人要求操作簡(jiǎn)單、成本低廉，因此要在保證這幾條原則的前提下盡量采用冗余自由度少、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的形式。機(jī)械手由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手閉合過程可分4個(gè)階段，各階段機(jī)械手最終狀態(tài)如圖7所示。圖7 機(jī)械手閉合過程示意圖（a）第一階段最終狀態(tài)（b）第二階段最終狀態(tài)（c）第三階段最終狀態(tài)（d）第四階段最終狀態(tài)第1階段：末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到采摘位置，兩手鉗把果柄置于中間，機(jī)械手準(zhǔn)備閉合；第2階段，兩手鉗對(duì)稱相向運(yùn)動(dòng)，直到刀片刃口接觸果柄，即將進(jìn)行切割動(dòng)作；第3階段，兩手鉗繼續(xù)對(duì)稱相向運(yùn)動(dòng)，直到果柄被完全切斷；第4階段，兩手鉗繼續(xù)對(duì)稱相向運(yùn)動(dòng)，刀片刃口逐漸進(jìn)入納刀槽中，直到機(jī)械手的夾持力達(dá)到最大，此時(shí)被采摘的草莓果實(shí)從果柄處被可靠的夾持。由于果柄被切斷后果實(shí)將連同剩余果柄在重力作用下掉落，為保證機(jī)械手能夠及時(shí)將果柄夾持，針對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行專門參數(shù)校驗(yàn)。草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)如圖8所示。采摘機(jī)器人系統(tǒng)硬件由輪式移動(dòng)平臺(tái)、關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械臂、雙耳視覺相機(jī)、柔性末端執(zhí)行器、人機(jī)交互模塊以及系統(tǒng)控制器等6部分構(gòu)成。系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)控制算法運(yùn)行以及控制信號(hào)接收發(fā)送，從而協(xié)調(diào)控制各功能部件。雙目視覺相機(jī)安裝于機(jī)械臂末端附近，通過設(shè)置機(jī)械臂初始姿態(tài)使得相機(jī)水平正對(duì)草莓栽培槽，以進(jìn)行果實(shí)識(shí)別定位。旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)1800則可以對(duì)機(jī)器人另一側(cè)的