基于視覺識別的藍莓采摘機器人的設(shè)計

賀增民 游 挺 李念軒 李 婧 翟文多 曹有為

(東北農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 藍莓識別采摘控制系統(tǒng)

藍莓識別采摘控制系統(tǒng)是本機器人控制系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

目前市場上的單片機種類很多，性能也有很大差異，在選用單片機類型的時候，主要考慮設(shè)計任務(wù)的復(fù)雜程度。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的復(fù)雜程度，綜合分析所選單片機的數(shù)據(jù)總線寬度、尋址能力、中斷能力、指令系統(tǒng)和執(zhí)行效率等功能能否保證任務(wù)的順利完成[1]。本系統(tǒng)中，選用STM32系列單片機。

2 視覺識別

2.1 針對藍莓果實的識別硬件

成熟藍莓果實識別的關(guān)鍵在于將其和周圍背景分離后分析其在圖像平面上的數(shù)字特征，從而得到有效信息。其中最為關(guān)鍵的是MiniPC和USB相機模塊。USB相機模塊負責(zé)以高幀率收集圖像信息，MiniPC負責(zé)成熟藍莓果實識別。

2.2 針對藍莓果實的識別原理

對于成熟的藍莓果實，由于其獨特的顏色常常不會和環(huán)境顏色相重合，采用RGB顏色分離，效果較為理想。對成熟藍莓果實的通道值按照式變換，做二值化篩選[2]。

其RGB通道特征不明顯，常常和環(huán)境融為一體，若是采用RGB通道分離，識別效果不理想。但其對于光線照射的反應(yīng)較為敏感，考慮采用HSV通道分離[3]。根據(jù)式將RGB顏色空間映射至HSV顏色空間，按照式變換，做二值化篩選。其滿足下式。

V=Cmax

篩選后進行高斯濾波平滑部分圖像過渡，隨后進行適當(dāng)腐蝕和膨脹提取輪廓信息，最后依照成熟藍莓果實的幾何特征進行幾何篩選。

圖2 藍莓果實顏色圖(HSV)

圖3 識別效果圖

3 采摘機械手設(shè)計方案的確定

根據(jù)矮叢藍莓的特點，機械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，緊湊[4]。本文采用多關(guān)節(jié)機器人，多關(guān)節(jié)機器人的坐標(biāo)系是通過相鄰運動部件間的相對角位移來確定的。該機器人臂可以達到大部分球形體積。機器人的形狀取決于具有不同坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機器人的特性[5]。

根據(jù)藍莓采摘機械手的特點和使用要求[4]，采用機器人結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)機器人。

采摘機械手組成部分為連接部分、腰部、大臂、小臂、腕部以及機械手爪組成，分為兩個連桿系統(tǒng)：前面的3個自由度分別是腰、大臂和小臂，這叫做主連桿系統(tǒng)；后面的3個自由度尺寸比較小，來完成末端執(zhí)行器的姿態(tài)，這叫做次連桿系統(tǒng)，即手腕；選擇由6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)構(gòu)成的六自由度機械手，6個自由度分別是腰的回轉(zhuǎn)、大臂的擺動、小臂的擺動、小臂的扭轉(zhuǎn)、腕部的扭轉(zhuǎn)和手爪的旋轉(zhuǎn)。其中，腰的回轉(zhuǎn)、大臂的擺動、小臂的扭轉(zhuǎn)、腕部的扭轉(zhuǎn)和手爪的旋轉(zhuǎn)均由舵機來實現(xiàn)。

整個機械手通過舵機帶動，當(dāng)舵機轉(zhuǎn)動時，其連接著的舵盤會帶動主動桿轉(zhuǎn)動，從而帶動從動桿轉(zhuǎn)動，從而滑臂就會滑動，因為光軸的限制，滑臂會沿著光軸平動，實現(xiàn)使機械爪平動，從而控制機械爪的夾緊與松開。當(dāng)采摘單顆藍莓時，可以通過機械爪上橡膠塊的部分去夾持果實實現(xiàn)采摘，當(dāng)采摘成簇的藍莓時，可通過機械爪上端刀片部分剪斷這一簇果實的莖，同時機械爪下面橡膠部分會夾緊莖被剪斷處的下端，從而夾住這一簇果實實現(xiàn)采摘。

考慮到矮叢藍莓的生長環(huán)境以及分布密度，選擇履帶式行走機構(gòu)。

(1)履帶傳動屬于鏈傳動，鏈傳動沒有彈性滑動與打滑現(xiàn)象，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動比接近于1，效率高達98%，傳動功率大。

(2)彈簧減震：減震器使用彈性支撐來降低系統(tǒng)對外部刺激的反應(yīng)能力。將振動源與基礎(chǔ)之間的剛性連接改變?yōu)閺椥赃B接，可以隔離或削弱振動能量的傳遞，從而達到減少振動和噪音的目的。有主動隔振和被動隔振。前者是對振動源設(shè)備采取隔振措施，以防止將振動傳遞給其它場合。后者是為害怕受到振動干擾的設(shè)備，儀器或人員采取隔振措施，以防止外部振動的影響。通過在適當(dāng)?shù)膹椥栽O(shè)備上安裝機械來實現(xiàn)隔離機械振動傳遞。下圖為通過彈簧來實現(xiàn)減震的設(shè)計方案。

圖4 彈簧減震設(shè)計圖

4 收集裝置的設(shè)計

藍莓單果的收集裝置，它通過真空泵的作用，使裝置內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，通過空心圓柱管，使藍莓單果進入收納盒內(nèi)部。通過可拆卸的螺釘連接收納盒與圓形盒蓋，相對密封，保證收納盒內(nèi)外壓力差，方便藍莓單果倒出，之后再通過螺釘連接，完成藍莓單果的取出。收集空心圓柱管兩側(cè)有兩個小支管，兩個小支管分別與兩個橡膠管相連，兩個橡膠管另一端分別與兩個真空泵相連保證裝置內(nèi)外的壓力差，通過粘合劑使真空泵固定在圓形盒蓋外表面上，使真空泵位置固定。