基于云計算技術的蘋果采摘機器人系統

石建華

(武漢職業技術學院 電信學院，武漢 430074)

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基于云計算技術的蘋果采摘機器人系統

石建華

(武漢職業技術學院 電信學院，武漢 430074)

近年來，我國水果產業迎來快速發展期，蘋果種植面積日益擴大，年產量明顯增加，促使我國成為世界上最大的水果生產國家。水果進行種植過程中，成熟的水果采摘操作時必須消耗大量的時間和勞動力。由于進城務工人員日益增多，農村勞動力人口不斷減少，此時勞動力成本有一定程度的增長，果農日常經營的成本也有所增加，因此智能采摘機器人順勢而生。為此，針對水果采摘機械研究的不足之處，提出了基于云計算的蘋果采摘機器人系統，在機器人處于作業狀態下設計了蘋果采摘機器人軟、硬件設計情況。為驗證蘋果采摘機器人的采摘效果，在果園中對其采摘性能展開試驗，試驗結果表明：所設計的采摘機器人運用視覺技術，能很好地克服氣候環境等因素的影響，采摘作業中性能穩定，采摘效率高，值得在蘋果生產地推廣使用。

云計算技術；蘋果機器人采摘系統；硬件；軟件設計

0 引言

我國作為世界上最大的水果產地，水果也成為國內主要的經濟作物。現階段，水果發展成為繼糧食、蔬菜之后第三大農作物，在國民經濟發展中占有重要位置。我國對水果采摘機械化發展尤為重視，采摘機器人的應用對水果產業的發展產生直接的影響。蘋果采摘機器人是針對蘋果設計，可完成其采摘、輸送、裝箱等作業的裝備，是一種具有感知能力的自動化機械收獲系統。水果自動采摘機器人作業對象為有機生物，其實施采摘作業時受作業環境、對象等因素的影響，而運用機器人視覺技術，能有效提升采摘作業效率和精度。因此，設計蘋果采摘機器人必須解決識別和定位目標果實的問題，在不損害果實和植株的基礎上，遵循一定的標準完成蘋果采摘工作；同時，也要綜合考慮其他因素的影響，要確保其成本不比所替代的人工成本高，有效提升蘋果采摘效率。本文根據各地蘋果生產種植和具體采摘情況，在云計算技術基礎上對蘋果采摘情況展開試驗研究，設計出智能化的蘋果采摘機器人樣機，以期減輕勞動人員工作量、提升蘋果采摘效率。

1 蘋果采摘機器人總體設計方案

進入21世紀，世界各國面臨嚴重的人口老齡化問題，農業勞動力逐漸向其他各領域和行業轉移，勞動力不僅具有成本高的特點，也不易找到充足的勞動力。果蔬采摘是其生產過程中最耗費時間、人力的環節，加之，采摘人員時常要彎腰或利用梯子登高，水果采摘成為勞動強度大、消耗時間長的作業模式。蘋果是我國11大優勢產品之一，近年來，我國對世界上蘋果貢獻率越來越高，如果一直采用人工采摘實在無法滿足其發展需求。因此，研發蘋果采摘機器人不僅能減輕勞動者工作強度，也能提高蘋果采摘效率，從而擁有廣闊的應用前景和發展空間。為滿足形式各樣的蘋果園地面環境要求，本研究的機器人主要由機械結構和電氣智能控制等部件組合而成：機械結構主要包括機械手臂、末端執行器及可移動載體等裝置；電氣智能控制系統包含微控制器、運動控制卡、數據采集卡及電動機驅動等部分，結構如圖1所示。

蘋果采摘機器人配備的機械結構部分，有利于機器人準確判斷已經成熟的果實，并為準確摘取操作打下良好的基礎。機器人配置的其它部件的功能有一定的差異，各配件相互結合共同完成蘋果自動采摘操作。

可移動載體作為蘋果采摘機器人最基本的部件，也是其它采集系統的主要平臺，且執行信號采集及智能控制等均要借助移動載體完成。可移動載體使用腹帶行走的方式，這種移動載體與地面接觸面、受力面積較大，極易在松軟的路面進行操作。機器人機械手臂使用多關節機械手臂，設計3個主自由度，能夠實現轉動、移動等操作。同時，自動采摘機器人配置的機械手臂具有韌性強、靈活性高等優點，便于及時到達所指定的位置，在整個采摘操作中穩定運行。夾持器作為采摘蘋果過程中發揮最大作用的部件，蘋果整個收獲操作完全依靠夾持器完成。本次設計的夾持器最大工作角度為88°，采摘閉合時間設定為2s；設計的裝置極為簡便，采摘耗費時間短、力度適中，不會對目標水果帶來不良的影響。

1.系統控制倉 2.紅外對管 3.電源倉 4.移動載體

2 蘋果采摘機器人硬件、軟件設計

采摘機器人硬件系統主要由采摘機械臂、果實識別定位及可移動平臺等模塊組成，因此主要介紹蘋果采摘機器人進行采摘作業時的軟硬件部分設計情況。

2.1 采摘機器人硬件設計

2.1.1 設計視覺定位系統

視覺定位系統主要由計算機、圖像采集卡及CCD攝像機等部分組成。該系統所用的雙目攝像頭固定在支架上，為機械手提供準確的目標定位。選用我國大恒公司生產的雙通道彩色視頻采集卡，對蘋果這類水果進行視覺識別及定位研究，其定位流程如圖2所示。

2.1.2 末端執行器

蘋果采摘機器人執行采摘作業時，由末端執行器與蘋果相接觸，因蘋果園采摘環境比較復雜，末端執行器的設計一直被認為農業類機器人的主要技術之一。蘋果采摘系統末端執行機構如圖3所示。這個末端執行器要求通過對蘋果果梗的夾持，在不損傷果實的基礎上成功采摘蘋果。

圖2 蘋果采摘機器人視覺識別定位流程圖

1.直流電機 2.蝸輪蝸桿機構 3.鋼絲軟管傳動 4.刀架與刀片

2.1.3 設計合理的能源箱

依據機器人系統不同元件的供電參數要求，本設計采用220V交流電源控制不同關節伺服電動機及計算機供電。同時，選取24V直流電源對末端執行器電動機進行供電。在機器人上安裝的視覺攝像頭所需能源由計算機端口進行供應，通過測算，整個采摘機器人系統總能耗量約為1.5kW。

2.2 采摘機器人系統軟件設計

蘋果采摘機器人采用開環式控制結構，建立基于云計算技術的評估采摘控制系統，整個系統基于Windows XP平臺上完成操作，采用RS232總線與運動控制器實現通信。因控制系統對使用者具有全開放性，因此可在平臺上對機器人實施操作和在線調試，利用不同控制算法和圖像處理算法，促使其滿足蘋果采摘要求。為方便操作，設計了圖形化的用戶界面，用戶可在界面上調整攝像機及伺服驅動器等參數，也可實時監控電動機具體運行情況。

在計算機上調用MatLab圖像處理軟件，并運用運動控制板和位控板組成的運動模塊，完成圖像的采集、分析、處理等操作。運動控制器作為機器人完成采摘要求的核心部件，其控制結構如圖4所示。

圖4 蘋果采摘機器人系統控制結構簡圖

3 識別定位目標果實

采摘機器人開展采摘操作時，先要準確判定采摘果實是否處于成熟狀態及其三維位置，識別目標果實的成熟率對采摘效率產生直接的影響。具體采摘操作時，機器人配備的夾持器采用手環抱狀的采摘方法，夾持器根據目標果實具體定位進行采摘。圖像視覺技術運用兩個攝像機從不同角度監拍果實的圖像，并由圖像采集卡將所采集的信息發送到工控計算機內，借助工控計算機制作目標果實的三維圖像；根據已經形成的三維圖像，機器人能夠準確判斷蘋果的大小、形狀等信息，從而更好地實施采摘作業。

對蘋果進行正確采摘時，先要對其進行正確的分割識別，確保采摘機器人能夠代替勞動力完成采摘操作。識別首要任務是準確采集蘋果樣本，運用攝像機完成整個拍攝操作。同時，依據圖像信息建立相應的蘋果樣本及顏色模型，通過分割及時對果實與其附近生長的環境進行分離，采用三原色RGS進行對比計算，準確判定將要采摘的蘋果是否成熟。蘋果采摘作業中所用三原色RGB顏色模型如圖5所示。

圖5 三原色RGB顏色模型簡圖

本文以蘋果為研究對象，介紹采摘機器人利用自動閾值分割法對蘋果執行切割識別操作。一般情況下，生長成熟的蘋果為紅色，這種顏色與其附近的生長環境具有明顯區別的是顏色。這時，利用三原色RGB準確對目標果實執行切割操作；同時，可以根據蘋果的具體顏色，借助圖像處理模塊對比PC機數據庫內已成熟果實的顏色樣本，從而判定目標果實成熟度。

4 試驗

2014年9月23-29日在我國某水果產地進行蘋果采摘試驗，試驗情況比較理想。室外試驗過程中，并無大面積遮擋目標、果實處于靜止無晃動狀態等。蘋果采摘試驗過程如下：針對果園中的蘋果，先實施圖像采集操作，視覺系統依據機器視覺算法求得目標物的三維坐標；同時，針對多個目標把其計算的空間坐標值存儲在數據庫內，控制系統分別從數據庫內讀取坐標值，完成機械采摘作業。根據表1數據可知：不論是晴天、夜晚或者是陰天，采摘機器人都可以自由控制并完成移動操作，進一步落實采摘作業。通過試驗數據發現，蘋果采摘機器人在不同天氣環境下成功率均在85%以上，單一目標果實需要的采摘時間在10s以內，進一步證明所設計的采摘機器人具有極高的采摘效率，極易在蘋果采摘作業中推廣使用。

表1 蘋果采摘機器人具體采摘情況

5 結論

根據果農對成熟蘋果提出的采摘要求，設計了云計算技術基礎上的蘋果采摘機器人。這種機器人將視覺技術與自動化技術合理結合，具有操作簡單、運行效率高等優點，在采摘作業中能輕松躲避障礙物，從而提升蘋果采摘效率。根據我國部分地區蘋果采摘作業量大、勞動力資源不足等特點，對智能化的蘋果采摘機器人的軟硬件設備進行設計。試驗結果表明：本次設計的蘋果采摘機器人識別果實速度快，不管何種天氣狀態摘取果實效率高，能夠滿足農業采摘操作中機械智能化、自動化等要求，具有非常廣闊的發展空間。

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Apple Based on Cloud Computing Technology Design Picking Robot System

Shi Jianhua

(College of Telecommunication, Wuhan Polytechnic College, Wuhan 430074,China)

In recent years, China's fruit industry usher in rapid development, increasing the apple planting area, the annual output has been increased significantly, to become the world's largest fruit producing countries. To grow in the process of fruit, ripe fruit picking operation must consume a lot of time and labor. Because more and more rural migrant workers, rural Labour force shrinking labor costs at this time have a certain degree of growth, fruit daily operation cost also increased. Development based on the above background, the intelligent picking robot conveniently, aimed at the deficiency of fruit harvest machinery research, apple picking robot system based on cloud computing design is put forward, in the robot under a state of operation about apple picking robot software and hardware design. To test and verify the picking of apple picking robot effect, in the orchard to pick performance test, the test results show that the designed picking robot using visual technology, can overcome the influence of environmental factors such as climate, picking performance is stable in operation, picking efficiency is high, is worth popularizing in apple production use.

cloud computing technology; apple picking robot system; hardware; the software design

2016-08-09

湖北省教育廳中青年人才項目(Q20151504)

石建華 (1971-)，男，湖北鄂州人，副教授，碩士，(E-mail)shijianhua0611@163.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)07-0180-04