视觉交互技术的采摘机器人系统设计

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摘要:以草莓采摘作业过程为研究对象，对草莓自动采摘时出现的损伤现象进行分析，提出一种利用机器视觉交互实现草莓准确识别定位的自动采摘系统，并搭建草莓采摘机器人电气控制模块和机械模块，同时进行系统验证试验。结果表明:在相同的作业环境条件下，在图像采集时进行光源辅助，能够有效提高采摘作业可靠性;通过对不同条件下采摘作业时间进行统计，得出草莓采摘机器人完成单个草莓采摘作业的时间约为10s。此采摘系统可为智能化采摘机器人的设计提供技术参考。

关键词:采摘机器人;草莓采摘;机器视觉;末端执行器

0引言

随着农业生产过程机械化程度的不断提高，水果自动化采摘已经成为当前农业自动化程度的标识［1］。受水果外观特性的限制，草莓采摘过程大多依靠人工进行作业，采摘效率低，劳动强度大，成本高，导致收获时期草莓采摘滞后而造成浪费［2］。草莓采摘机器人通过夹持机构对草莓进行夹取，并使用随机刀具进行草莓茎切断，当草莓的形状和大小不同时需要准确进行夹持力和受力部位的控制，否则会出现草莓损伤现象［3－4］。因此，需要设计一种通过机器视觉进行草莓高精度识别和夹持控制的定位机构，以有效解决采摘过程中出现的损伤问题。笔者通过对草莓种植采摘过程进行分析，设计了一种基于机器视觉的草莓精确无损采摘机器人，可实现草莓自动化采摘，同时确保采摘过程中草莓无损伤。

1采摘机器人整体设计

草莓采摘机器人包含机械、电气及机器视觉3部分，如图1所示。其中，机械部分包含移动装置、末端执行器以及草莓收集装置;电气部分包含机器人电源、电机、控制器以及驱动模块;机器视觉系统主要包含图像采集传感器、视觉分析系统以及信号传输装置［5－7］。草莓采摘机器人控制系统将控制器与末端执行器连接，实现不同装置之间的信息交互，协同完成草莓采摘作业［8］。图像采集传感器获取草莓图片，并将图片数据传输至控制器进行图像处理，识别草莓形状和大小;同时，将识别信息反馈至电机驱动器，计算草莓与末端执行器之间的距离，根据移动速度计算末端执行器开始工作时间和工作结束时间。末端执行器移动至草莓正下方后，迅速向上移动，将草莓夹持，在拉力作用下草莓茎被拉断，完成草莓采摘作业［9］。

2采摘机器人视觉系统设计

草莓采摘机器人图像采集传感器是一种像素30万的视觉传感器，能够与控制器连接，实现草莓图像采集识别。在工作过程中，图像采集传感器实时进行图像采集，并将图像数据上传;控制系统根据图像信息数据，对图像中每一个像素点进行识别，并根据草莓颜色阈值进行图像判断，识别草莓的成熟程度，判断草莓是否需要采摘［10］。草莓采摘机器人通过对图像传感器采集到的图像数据特征进行识别，将草莓图像从草莓植株中识别出来，在采摘作业过程中可通过手动设置颜色阈值的方式来进行草莓判断。草莓采摘机器人末端执行器能够根据图像信息有效进行草莓状态判断，从而调整末端执行器的作用力，提高采摘作业过程可靠性［11］。整个控制过程不需要对图像信息进行精确的识别，仅需要判断图像区域内是否存在设定的RGB阈值信息和像素点的阈值，即可完成草莓成熟程度的判断;当该区域内存在符合采摘要求的草莓时，机器人末端执行器即可进行作业。在草莓成熟程度识别过程中，对草莓颜色进行识别是最直接有效的识别方法，在1个采摘作业循环完成后即可转入下一次作业循环。图3为草莓采摘机器人视觉识别流程图。草莓机器人机器视觉识别过程主要包含图像采集和图像处理两个过程:图像采集过程用于对草莓图像进行采集，控制系统同时对草莓图像进行处理，实现草莓的识别和位置确定;图像处理过程主要完成草莓图像内的颜色提取，同时对每一个像素点的RGB值进行提取，并与设定的颜色阈值进行判断，从而识别出草莓的成熟程度。

3采摘机器人电气系统设计

草莓采摘机器人电气系统交互模块用于对用户进行状态显示，可通过按键指令输入的方式进行草莓颜色阈值或采摘作业速率等作业参数设定［12］。采摘机器人传感器主要包含图像采集传感器、光电距离检测装置及位置传感器。其中，视觉传感器用于对草莓进行图像采集，根据草莓图像信息判断草莓的状态及成熟程度，作为控制器的输入指令用于判断是否需要进行采摘;光电距离检测装置用于对草莓采摘末端执行器到草莓之间的距离进行检测，避免采摘过程中出现末端执行器损坏或造成草莓损伤的现象;位置传感器用于对末端执行器的位置进行复位，同时根据位置传感器的信号值判断末端执行器是否处于控制系统原点。在采摘作业过程中，当末端执行器复位至控制系统原点时，机器人驱动电机开始作业，图像采集传感器不断进行图像采集处理，并判断草莓的成熟程度;当需要采摘时，驱动电机开始工作，并执行采摘动作。如图4为采摘机器人控制系统工作流程图。

4系统测试分析

采用机器视觉搭建草莓采摘机器人作业系统，并分别在白天、黑天、晴天、阴天、无光源辅助、有光源辅助以及不同环境交叉条件下进行采摘作业。试验过程中，每种条件设定100个采摘目标。采摘完成后统计采摘成功率及单个草莓采摘作业时长，验证草莓采摘机器人作业过程的稳定性及作业效率。采摘作业试验数据如表1所示。由表1可以看出:在同一环境条件下，在图像采集过程中进行光源辅助，能够有效提高采摘成功率，同时缩短单个草莓的采摘时间，提高采摘作业效率;在不同的采摘环境条件下，采摘机器人完成单个草莓的平均采摘时长为10s。

5结论

草莓采摘机器人利用机器视觉自动进行草莓图像采集，并根据图像颜色进行草莓识别和草莓成熟度判断，生成是否需要采摘的控制指令。作业过程中，采摘机器人末端执行器根据识别结果对草莓进行夹持采摘，并有效控制夹持作用力，避免采摘过程出现损伤现象。试验结果表明:设计的草莓采摘机器人能够有效完成采摘作业，作业过程可靠，结构简单、紧凑，可为机器视觉采摘机器人的推广提供理论基础。

作者:苏文芝 单位:济源职业技术学院