智能草莓采摘機器人設計及試驗

凌 軒，劉江濤，梁超越，王旭東

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510225）

0 引言

近年來，我國草莓栽培面積以及產(chǎn)量迅速擴大，草莓成熟后必須及時采摘，尤其是盛果期（約30 d），草莓的產(chǎn)量多，種植面積廣，人工采摘草莓,勞動強度和作業(yè)量非常大。草莓有其獨特的生長方式，多為二歧聚傘花序,按次序先后開花結(jié)果,造成果實的不定期成熟,需要人工不定時地進行判斷和收獲，草莓采摘的及時性要求給果農(nóng)的采摘帶來了諸多挑戰(zhàn)，由此開發(fā)一種能夠代替人工作業(yè)的草每收獲機器人勢在必行。

20 世紀 80 年代起，世界各國開始了果蔬采摘自動化的研究。美國佛羅里達大學、日本岡山大學和我國的上海交通大學和中國農(nóng)業(yè)大學相繼開展了草莓采摘機器人的研究工作[1-3],并取得了眾多成果，但目前仍存在以下幾點問題，如采摘運動機構(gòu)復雜、定位采摘算法運算量大、適應性不高、成本較高等。

本文針對地壟栽培模式下草莓的生長特點，提出采用三軸同步滑臺機構(gòu)作為運動定位機構(gòu)，用面向?qū)ο笳Z言開發(fā)了總控制中心，編寫了串口與PLC和單片機通訊協(xié)議，提高了系統(tǒng)的柔性,可配置性及交互性?？蓪σ欢ǚ秶鷥?nèi)成熟草莓進行自動定位和無損傷采摘，一定程度上減輕了勞動強度，提高了自動化作業(yè)水平。

1 采摘機器人系統(tǒng)組成及工作原理

我國的大部分農(nóng)田采用壟作栽培的草莓種植模式，兩壟間相隔一道寬度，草莓植株種植在壟頂，果實貼在壟坡，并且在垂直壟坡方向上沒有重疊；采摘作業(yè)過程中除了少許的葉子遮擋外基本沒有別的障礙物。根據(jù)這種農(nóng)藝條件，在標準種植區(qū)域使用合適寬度的四輪驅(qū)動最為合適。

本文設計的智能自動草莓采摘機器人如圖1 所示，主要由底座模塊、XYZ 同步滑臺模塊、PLC 控制器模塊和柔性采摘機械手模塊組成。底座安裝4個輪子方便移動，3 個滑臺構(gòu)成X,Y,Z 軸，可以實現(xiàn)機械手位置在各個方向上的移動，機械手由3 個舵機進行控制，實現(xiàn)對草莓果實的抓取并通過扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)采摘。

圖1 自動草莓采摘機器人結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of automatic strawberry picking robot

末端執(zhí)行器安裝在 Z 軸同步滑臺上，以適當力度夾持并扭轉(zhuǎn)果柄，完成采摘動作。由于草莓果實表皮十分嬌嫩，夾持果實本體容易造成果皮損傷，影響果實品質(zhì)，進而影響后續(xù)加工、儲藏。采摘機器人末端執(zhí)行器采用了柔性網(wǎng)狀材料打印成型，以保護嬌嫩果實。

2 草莓視覺識別原理

在采摘過程中，末端執(zhí)行器貼壟坡沿 X 方向運動，當?shù)竭_目標草莓域正下方時，停止 X 方向的運動，然后沿壟坡向上Y 方向運動，接著機械臂帶動末端執(zhí)行器向Z 方向運動，將草莓抓取扭轉(zhuǎn)收獲。因此，在 X 方向?qū)誓繕瞬葺蚝螅恍璜@得末端執(zhí)行器到草莓采摘點之間的Y 方向上的距離和草莓域?qū)挾?，即可實現(xiàn)對目標草莓的采摘[4,5]。

草莓目標識別及其采摘點位置計算分為3 個步驟，即圖像預處理、目標草莓識別和采摘點位置計算等。攝像機首先攝取水平地面上收獲區(qū)域內(nèi)草莓的圖像，經(jīng)圖像分割后提取收獲區(qū)域內(nèi)所有成熟草莓的重心位置，計算草莓個數(shù)，并按重心坐標值對草莓排序，驅(qū)動機械手進行采摘。

圖像處理包括讀入圖像、色差變換、二值化去噪音、區(qū)域標記、重心提取等[6-10]。首先把采集到的圖像通過HIS 顏色模型識別出成熟草莓紅色區(qū)域，選取合適的閾值對圖像進行二值化圖像分割,本文閾值取65。然后再采用與原圖通過膨脹與腐蝕去除噪音獲得草莓的完整區(qū)域，并進行區(qū)域標記和通過計算獲取重心位置。

圖2 中a 為采集到原始圖像，圖b 為經(jīng)過閾值分割并濾波去噪音后提取出的草莓位置信息。從圖中可以看出，采用的圖像分割算法能夠適應草莓顏色非均一性和圖像光的復雜性，能很好地去除樹葉等復雜背景，而且能較好地保存未被遮擋的草莓區(qū)域，滿足所需分割效果。

圖2 草莓圖像識別過程Fig.2 The process of strawberry image recognition

3 控制系統(tǒng)方案

本文草莓采摘機器人控制系統(tǒng)通過一個Windows 窗體應用程序作為總控制中心，與PLC 和單片機通訊，從而實現(xiàn)草莓的采摘，如圖3 所示。

圖3 草莓采摘機控制框圖Fig.3 The control block diagram of strawberry picker

控制系統(tǒng)設計為2 個模塊，由手動采摘調(diào)試模塊和自動識別采摘模塊組成。分別由信息采集層、運動執(zhí)行層，算法控制層組成。信息采集層由采集攝像頭、安裝在同步滑臺模組兩端的光電行程開關(guān)、機械手定位開關(guān)等設備組成，可實時顯示采集圖像及檢測畫面；運動執(zhí)行層由精密同步帶運動定位機構(gòu)及驅(qū)動步進電機、末端執(zhí)行器以及相應的驅(qū)動電路模塊（24 V 獨立直流電源供電）組成，負責實時響應上位機發(fā)來的控制信號，驅(qū)動采摘機器人完成所需動作；算法控制層由上位機控制，主要負責調(diào)試模塊和采摘模塊算法的執(zhí)行處理。

3.1 采摘機控制軟件設計

采摘機控制軟件上位機采用面向?qū)ο笳Z言編寫，用C#編程語言完成用戶界面及功能函數(shù)的編程，用串口開發(fā)工具完成用戶軟件、計算機和傳感器之間數(shù)據(jù)的交換，使控制系統(tǒng)能夠按照用戶的要求工作。左邊界面為視覺監(jiān)控及檢測實時顯示模塊，右邊界面為功能模組可完成手動測試及自動采摘等，底部信息模塊可實時顯示執(zhí)行情況和采摘效果，如圖4 所示。

圖4 自動草莓采摘機上位機控制界面Fig.4 The control interface of automatic strawberry picking machine

3.2 手動采摘測試模塊

為了測試設計的草莓采摘機的各部件能否正常工作，設計了手動測試模塊。包括相機的測試、機械手的轉(zhuǎn)動抓取、三軸滑臺的XYZ 軸的移動上升下降等，均可通過程序按鈕控件測試，同時可手動控制模擬采摘過程，PLC 和末端執(zhí)行器通過串口同計算機通訊。當計算機發(fā)出指令時，可驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成所需的動作。

圖5 為Y 軸同步滑臺步進電機PLC 程序，X006 和X005 為滑臺限位開關(guān)，當滑塊運行到限位開關(guān)時，自動停止或返回。

圖5 草莓采摘機單軸驅(qū)動PLC程序Fig.5 The PLC program of single axis driving for picking machine

3.3 自動識別采摘模塊

本文設計的自動識別采摘過程算法如下：首先草莓采摘機器人向前運動到合適的位置距離，使用攝像機采集圖像，分辨成熟草莓位置，存在則進行下一步驟，否則繼續(xù)前行重復。若發(fā)現(xiàn)成熟草莓，確定位置和數(shù)量，形成自動采摘方案，上位機驅(qū)動末端執(zhí)行器手爪張開，驅(qū)動PLC 控制執(zhí)行機構(gòu)運行到計算的草莓重心位置，抓取并扭轉(zhuǎn)果實完成采摘及收集，重復進行，直到全部采摘成功。再判斷行程是否結(jié)束，結(jié)束就停止不動，否則繼續(xù)前行，重復上述流程。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗條件

在實驗室搭建測試平臺，試驗中用仿真草莓模型替代真實草莓，用泡沫板作壟，分別有成熟草莓，青紅草莓及不成熟草莓等測試模型。

為了驗證本文設計的草莓摘果機性能是否滿足要求，設計并制作了自動草莓收獲采摘機器人樣機如圖6 所示，底座為由鋁合金型材固連而成，用于支撐連接機器人各機械部件；運動機構(gòu)采用三軸同步帶滑臺機構(gòu)，XYZ軸移動范圍分別為500 mm×500 mm×300 mm；驅(qū)動系統(tǒng)采用三菱fx3n PLC作控制器，可同時高速驅(qū)動3個步進電機運動；視覺模塊采用500萬像素工業(yè)攝像機，鏡頭焦距為12 mm；控制臺采用微型電腦，通過串口連接PLC、舵機控制板、各類傳感器實現(xiàn)相互間通訊，根據(jù)設定的算法實現(xiàn)識別采摘等動作。

4.2 試驗結(jié)果

在實驗室搭建測試平臺，過道兩側(cè)隨機安排40顆草莓（包含成熟草莓35 顆），測試試驗如圖7所示。

圖6 自動草莓采摘機器人樣機Fig.6 automatic strawberry picking robot

以采摘耗時和采摘成功率為評價指標，共進行3 組試驗，每組試驗進行 10 次，每次記錄采摘成功粒數(shù)與應采摘總粒數(shù)的比值及采摘果實所需的時間。如果出現(xiàn)夾持不住果實或采摘生草莓的情況則該次果實采摘失敗。

采摘測試中，成功采摘草莓26 顆，由于遮擋等原因果實誤判2 次，試驗過程如圖8 所示。測試結(jié)果表明，在試驗環(huán)境下對草莓的平均判別速度為1 s，果實誤判率7%，采摘成功率約為90%。

圖8 自動草莓采摘機器人采摘測試界面Fig.8 The test interface of automatic strawberry picking robot

5 結(jié)語

1）設計了針對地壟栽培模式下的草莓智能采摘機器人軟、硬件系統(tǒng)，制造了機器人樣機。該采摘機器人基于三菱PLC 控制系統(tǒng)，采用三軸精確同步滑臺機構(gòu),具有移動精度高、結(jié)構(gòu)簡單、控制算法合理等特點。

2）草莓采摘末端執(zhí)行器采用柔性材料設計，通過機器視覺技術(shù)實現(xiàn)果實的精準識別與定位，為草莓采摘提供位置信息并快速精確定位抓取同時包住目標草莓，通過扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)果實和葉柄分離，避免對果實表皮造成損傷。

3）構(gòu)建了開放式的機器人控制系統(tǒng)，基于面向?qū)ο缶幊碳糃#編寫了窗體應用程序作為總控制中心，通過串口與PLC 和單片機通訊，提高了系統(tǒng)的柔性,可配置性及交互性。

4）采摘機器人性能試驗結(jié)果表明，在試驗環(huán)境下對草莓的平均判別速度為1 s，果實誤判率7%，采摘成功率為90%，達到設計要求。