基于機器視覺的草莓采摘機械手設(shè)計

寧 彤，張 燕，梁 棟，吳 超

（海南大學機電工程學院，海南 ?？?570228）

草莓是一種多年生草本植物，生長周期短，經(jīng)濟效益高，隨著近些年草莓種植行業(yè)的發(fā)展以及病蟲害防治技術(shù)的提高，草莓產(chǎn)業(yè)在我國得到空前的發(fā)展. 目前我國的草莓采摘主要靠人工采摘，勞動強度較大，成本高，費時費力［1］. 近些年來，隨著工業(yè)化的高速發(fā)展和服務(wù)業(yè)的迅速崛起，大批農(nóng)業(yè)勞動力逐漸轉(zhuǎn)行，加上我國人口老齡化問題日益凸顯，導致草莓的生產(chǎn)成本逐漸增加，嚴重影響了我國草莓產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展. 據(jù)統(tǒng)計，草莓采摘所花費的人力成本占草莓生產(chǎn)總成本的50%～70%，草莓生產(chǎn)過程40%的時間都耗費在采摘環(huán)節(jié)［2］.

20 世紀80年代開始，一些發(fā)達國家開始對草莓采摘機器人進行大量的試驗研究. 杜沛松等［3］利用把手使機構(gòu)在鋼絲繩的控制下實現(xiàn)草莓的采摘與收集同步進行，使用棘輪與棘爪配合，使草莓收集裝置每收集一顆草莓后旋轉(zhuǎn)一定角度，避免果實之間的碰撞，有效保證草莓果實的品質(zhì). 王糧局等［4］提出了采摘草莓自下而上的方法，將草莓果實向上攏起，并對末端執(zhí)行器進行重新設(shè)計，使其能夠一次采摘多顆草莓，但采摘后草莓容易掉落，且需要對末端執(zhí)行機構(gòu)進一步優(yōu)化.Harvest CROO Robotics 公司［5］開發(fā)和測試一種自動化草莓采摘機，以緩解草莓產(chǎn)業(yè)中面臨的勞動力短缺問題. 該草莓采摘機是在設(shè)備上安裝自動連續(xù)采摘輪，即皮策輪，由其發(fā)明者鮑勃·皮策命名，是該草莓采摘機的核心組件.

目前，雖然也有許多對草莓收獲機械的研究，但大多數(shù)都停留在實驗室，且大部分研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高. 因此，針對目前草莓采摘的機械存在智能化程度低的問題，筆者設(shè)計一種智能草莓采摘機械手. 整機結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，制造成本低，工作效率高，對解決上述問題具有重要意義.

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由運動小車、微型氣泵、微型電機、微型電機減速器、傳動齒輪、傳動絲杠、伸縮氣缸、收集裝置、高清攝像頭、光源和末端執(zhí)行器等組成. 整機安裝在運動小車上，小車下方設(shè)置有電池、電機、智能控制器、減速器和錐齒輪，由智能控制器控制電池給電機通電或斷電實現(xiàn)整機的前進、后退和停止［6］. 本設(shè)計主要針對高架草莓的采摘作業(yè)，將采摘過程及采摘路徑簡化，使末端執(zhí)行器具有X、Y、Z3個方向的移動自由度，避免了因機械手關(guān)節(jié)多而導致定位誤差增大，減少了機構(gòu)運動過程中的誤差. 同時，運用絲杠傳動，增加了定位過程中的定位精度.

圖1 草莓采摘機三維示意圖

1.2 工作原理啟動開關(guān)按鈕，智能電機控制器控制電池給電機通電，電機轉(zhuǎn)動通過錐齒輪傳動驅(qū)動整機前進，待機器到達采摘位置，智能控制器控制CCD攝像機給待采摘的高架草莓拍照，然后將圖片信息傳送到數(shù)據(jù)處理中心，由2 個攝像頭拍攝的圖片信息計算出成熟草莓的空間位置［7-8］，并以空間坐標（X1，Y1，Z1）的形式暫存在數(shù)據(jù)處理中心，接著智能控制器會控制氣泵給氣缸充氣，使末端執(zhí)行器在Z方向伸長Z1，與待采摘草莓在Z方向處于同一水平線上；之后控制器控制微型電機轉(zhuǎn)動，微型電機轉(zhuǎn)動末端連接減速器，通過傳動齒輪帶動絲杠轉(zhuǎn)動，根據(jù)絲杠的螺距d和前進的距離X1計算出要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，使末端執(zhí)行器在X方向移動X1，到達預定位置；最后由智能控制器控制氣泵給采摘氣缸充氣，使末端執(zhí)行器在Y反方向伸長Y1，最后到達草莓的采摘位置，將草莓摘下.

由于成熟草莓果實鮮嫩多汁，易損壞，所以采摘方式采用剪刀剪斷果柄，并夾持住將草莓果實放入收集箱收集［9］，收集箱采用多個抽屜式的收集箱，待收集箱快裝滿時，只需更換收集箱即可，不會影響采摘作業(yè).

2 關(guān)鍵部件設(shè)計及分析

2.1 傳動絲杠設(shè)計及分析

2.1.1 傳動絲杠結(jié)構(gòu)傳動絲杠三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，兩端分別設(shè)置固定塊，固定塊前端設(shè)置有軸承，由一根連桿連接，限定刀具滑座在X軸上的轉(zhuǎn)動自由度，左固定塊上端設(shè)置有微型電機，微型電機軸端設(shè)置有小齒輪，該齒輪與絲杠左端的齒輪嚙合，從而將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動推動刀具滑座前進或后退.

圖2 傳動絲杠三維示意圖

2.1.2 傳動絲杠分析傳動絲杠是整機的重要組成部分，左端設(shè)置有微型電機，為分析微型電機轉(zhuǎn)動時對絲杠精確度和穩(wěn)定性的影響，采用SOLIDWORKS simulation 軟件進行有限元分析. 絲杠工作時主要受微型電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的震動影響，且刀具座以及刀具的重力40 N. 為了便于分析2 個主要影響因素各自對整機精確度的影響，分別將2 個因素單獨進行分析. 由于重力是地球引力作用的結(jié)果，非外加載荷，在靜應(yīng)力分析時選擇引力，其分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 絲杠應(yīng)力、位移和應(yīng)變分析

由圖3 可知，絲杠整體結(jié)構(gòu)沒有明顯的應(yīng)力應(yīng)變集中，但由于刀座和刀具自身重力的影響，刀具伸縮桿有向下的位移Δ，故在實際工作時，需測出采摘刀具尖端的位移ΔX的值，計算出待采摘草莓的空間位置的Z坐標（Z1）上加上ΔX，即絲杠上升的高度為Z1+ΔX.

絲杠受微型電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的震動頻率分析圖（圖4）中可以看出，絲杠本身受振動變形的影響較小，氣缸套前端受振動影響較大，并且隨著頻率的增加，受影響的程度越來越大. 由此可推知，在采摘刀具處的振動幅度會更大，所以在選擇微型電機時，盡量選用低頻電機.

圖4 絲杠及刀具座振型分析

從頻率響應(yīng)中的累積有效質(zhì)量參與系數(shù)（圖5）可以得出：在頻率約為3 350 Hz之前，累積有效質(zhì)量參與在x和z方向比較穩(wěn)定，y方向上升趨勢較大，在頻率為3 350 ～4 139 Hz 之間，累積有效質(zhì)量參與在x，y和z3個方向上均有小幅變化，之后趨于穩(wěn)定［10］.

圖5 頻率與累積有效質(zhì)量參與系數(shù)（CEMPF）

2.2 采摘刀具設(shè)計及分析

2.2.1 采摘刀具結(jié)構(gòu)采摘刀具主要由動刀片和定刀片組成，動刀片通過連桿與伸縮氣缸連結(jié)，動刀片和定刀片下端面均設(shè)置有夾持塊，如圖6所示. 剪刀閉合時，兩夾持塊之間有小縫隙，以夾持草莓果柄，在剪刀剪斷草莓果柄的同時，剪刀下端面的夾持塊將草莓果柄夾持住，是草莓不會掉落摔壞. 完成采摘后氣缸Ⅱ收縮，使采摘刀具沿Y軸方向回到初始位置，然后氣缸Ⅰ收縮，采摘刀具連同絲杠下降到最低位置，剪刀打開，草莓果實連同果柄經(jīng)斜面落到收集箱收集. 草莓果實鮮嫩多汁，易損壞，故在本設(shè)計中采用剪刀剪斷果柄的采摘方式.

圖6 采摘刀具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 采摘刀具分析由圖7 末端執(zhí)行器振型分析可知，末端執(zhí)行器尖端受振動影響較大，產(chǎn)生微小的扭曲變形，隨著頻率增加，變形程度越來越大. 在實際操作中，這種變形表現(xiàn)為采摘刀具在空間位置上產(chǎn)生微小的位移，影響采摘精度. 因此，應(yīng)盡量選擇低頻的電機，此外，還應(yīng)增大整機的質(zhì)量，增加整機穩(wěn)定，減輕振動對采摘作業(yè)的影響.

圖7 末端執(zhí)行器振型分析

建立末端執(zhí)行器與模式號關(guān)系折線統(tǒng)計圖，如圖8 所示. 從圖8 中可以看出，頻率增加，周期減小，斜率基本保持不變，末端執(zhí)行器頻率模式號與頻率基本上呈線性變化，說明模式號對頻率的影響不大.

圖8 末端執(zhí)行器頻率模式號

3 機器視覺系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用雙目立體視覺定位系統(tǒng)，通過對光學系統(tǒng)、圖像采集及特征提?。?1］進行分析，選擇適合的硬件設(shè)備，實現(xiàn)對空間中草莓的識別和定位［12］，再配合末端執(zhí)行器進行相應(yīng)的作業(yè)，以減輕果農(nóng)在草莓采摘活動中的作業(yè)強度.

3.1 光源選擇對于機器視覺系統(tǒng)來說，光源的選擇至關(guān)重要，好的光源應(yīng)該盡可能突出目標的特征；在待檢測的目標物體與其他物體之間產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度；同時要有足夠的亮度和穩(wěn)定性. 常見的光源有鹵素燈、熒光燈、氙氣燈和LED等，其相應(yīng)特性如表1所示.

表1 常見光源特性對比

綜合比較各種光源的特性，選用LED燈作為補償光源.

3.2 相機及鏡頭選擇高架草莓的栽培高度是在離地面1～1.2 m 的位置，由于草莓果實連著果柄處于下垂狀態(tài). 取采摘視場范圍為350 mm×250 mm，最小采摘精度取1 mm，考慮到軟件性能不穩(wěn)定以及存在機械誤差，此處選擇三倍的像素單位對應(yīng)一個測量精度值，即所需橫向分辨率為3×350/1=1 050（像素），縱向分辨率為3×250/1=750（像素）. 選擇Point Grey公司的FL3-U3系列CCD相機，型號FL3-U3-13S2C-CS，有效分辨率：1 024×768.

鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要部件，適宜的鏡頭不僅能夠提高成像質(zhì)量，還可以提高采摘作業(yè)質(zhì)量.在選擇鏡頭時，應(yīng)與所選的CCD相機的靶面尺寸相一致.

3.3 圖像采集與特征提取圖像采集是在草莓果實成熟時期進行拍攝，所有照片都是在有LED 光源補償下拍攝的. 通過2 個平行設(shè)置的彩色CCD 相機，模擬人的雙眼進行拍攝. 自然界的色光都是由紅（R）、綠（G）、藍（B）3種顏色組成，可以過線性變換或非線性變換來計算不同類型的色彩空間，然后對這些彩色圖像進行分割. 由于這些彩色空間無法超越其他彩色圖像，故本設(shè)計采用一組正交顏色特征{I1，I2，I3}［13］進行彩色圖像分割，該方法是由OHTA 在試驗中總結(jié)得出.OHTA 顏色空間與傳統(tǒng)的顏色空間相比，能與RGB顏色空間進行線性換算，避免了非線性空間與RGB顏色空間換算時出現(xiàn)問題，且計算簡單.

OHTA與RGB顏色空間的互換關(guān)系式為

其中，I1，I2，I3為OHTA正交顏色特征；I2'，I3'為OHTA正交顏色特征的另一種表示.

通過上式計算，把傳統(tǒng)的彩色圖像（RGB 顏色空間）轉(zhuǎn)換為OHTA 顏色空間中特征顏色的灰度圖像［14］，再分別對上述的I1，I2，I3，I2'，I3'5個顏色特征進行單一閾值的圖像分割性能檢驗，選擇最優(yōu)的一個顏色特征進行圖像分割. 采用局部閾值算法對灰度圖像進行二值化處理以凸顯草莓果實輪廓，進而識別目標.

3.4 降噪處理由于機器作業(yè)環(huán)境比較復雜，在進行圖像采集時不可避免地受到環(huán)境噪聲的影響，從而影響果實輪廓的提取精度，導致果實真實形狀和二值圖像之間產(chǎn)生差異. 為提高輪廓提取算法的精度，需對圖像進行降噪濾波處理，常用的降噪濾波方法有中值濾波、均值濾波和維納濾波等. 中值濾波采用非線性濾波計算，需進行多次濾波處理，計算速度低；維納濾波的算法是線性的，但是算法形式復雜，在實際處理中，對噪聲函數(shù)的分布不清晰，導致處理后的圖像邊緣信息缺失. 因此，選擇均值濾波進行降噪處理，其算法主要采用鄰域平均法，鄰域平均法是典型的線性濾波算法. 其原理：在一個像素點（x，y）鄰近選擇n個像素組成模板，將模板中像素的算術(shù)平均值

作為處理后的平均灰度［15］.

在實際的草莓生長情況中，草莓的分布是隨機的. 因此，特征目標是隨機的多個區(qū)域. 把具有相同特征的區(qū)域劃分出來，用紋理表示，并將紋理部分提取出來. 圖像分割算法有多種，且大都存在一些缺陷.筆者選擇一種基于Otsu 改進的自適應(yīng)閾值分割算法，該算法的優(yōu)點是具有線性的時間復雜度，計算過程簡單，便于電腦實時處理圖像和控制程序，實現(xiàn)草莓的自動化采摘并且提高工作效率.

4 小 結(jié)

設(shè)計了一種專門針對高架草莓的收獲機械手，運用機器視覺技術(shù)，使采摘機械手能夠自動識別和定位成熟草莓果實并進行采摘作業(yè). 主要有以下特點：

1）利用三維建模軟件構(gòu)建草莓采摘機的整機模型，介紹了整機運行的工作原理，并對草莓采摘機的關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以及SOLIDWORKS simulation 軟件有限元分析. 結(jié)果表明，傳動絲杠會隨著振動頻率的增加，受影響的程度變大，但其振動頻率穩(wěn)定于標準值；采摘刀具的末端執(zhí)行器頻率模式號與頻率基本上呈線性變化，說明模式號對頻率的影響不大.

2）采用雙目立體視覺定位系統(tǒng)，通過對光學系統(tǒng)、圖像采集及特征提取進行分析，選擇適合的硬件設(shè)備，可以實現(xiàn)對空間中草莓的識別和定位. 在圖像采集中，利用正交顏色特征進行彩色圖像分割，采用局部閾值算法對灰度圖像進行二值化處理以凸顯草莓果實輪廓，進而識別目標. 選擇了一種基于Otsu 改進的自適應(yīng)閾值分割算法進行圖像的降噪處理.

對草莓收獲機械的結(jié)構(gòu)進行簡化，在滿足作業(yè)要求的前提下，避免了冗雜的硬件結(jié)構(gòu). 同時，對關(guān)鍵部件進行應(yīng)力及位移分析，研究了機器在工作中可能出現(xiàn)的最大影響，對草莓機械化作業(yè)具有一定的理論指導意義.