基于圖像識別的流水線炭疽病青棗分揀機械手系統設計

盧熙達　漆海霞　邱俊　何子玄　游浩潺　甘海明

摘要：為了對優質青棗進行分揀，解決人為分揀青棗準確度低、效率差等問題，提出了基于圖像識別的由Ar-duino控制的多自由度機械手，實現在流水線上對炭疽病青棗的分揀。該系統以Arduino控制板作為主控制器，結合Pixy圖像識別傳感器、MG995舵機和圖像識別算法組成自動分揀機械手系統。通過Pixy圖像識別傳感器對傳送線上的青棗圖像進行采集，并分析獲取獲得青棗的大小、顏色等特征量，得出青棗的品質信息。然后由Arduino控制器控制分揀機械手動作對青棗進行分揀。實驗結果表明，通過該方法對炭疽病青棗進行分揀，準確率可達80%以上。

關鍵詞：Arduino控制；分揀機械手；圖像識別

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A doi：10.14031/j cnki.njwx.2018.06.002

0引言

海南青棗作為一種營養價值極高的亞熱帶水果，近年來市場需求量急劇攀升，其產品的精深加工成為新形勢下的發展重點。在這樣的形勢下應將提高青棗產品品質作為提高競爭力的關鍵。因此，青棗的產業化發展成為促進海南農民增收的重要手段之一，而對炭疽病青棗的分揀是青棗產業化過程中提高果品質量的關鍵技術，對提高開箱合格率、產品附加值和開拓國內外市場具有重要意義。

青棗是一種外形不規則、等級范圍小、分級難度大的水果，當今國內對其分揀措施主要為人工挑選，準確率和效率無法得到保證。雖然目前市面上的工業機器人已經可以代替人工對大部分的產品進行分揀，但由于缺少對產品質量等級的識別功能，這種方法并不能對不同等級的產品進行分級分揀。而擁有圖像識別系統的機器人通過圖像處理算法，可自動辨別水果質量等級，進而對其進行精確分揀。

根據市場需求，現研發了一種利用Pixy圖像傳感器對行青棗拍照進行顏色識別，流水線上有分揀灰褐斑的炭疽病青棗的機械手，該機械手具備多個自由度，由Arduino控制模塊進行運動控制，動作靈活精確。另外，針對流水線上青棗的運動特點，該機械手設計有轉動底盤，便于機械手快速且準確地夾取青棗。這樣就可以在不破損農產品的同時，使其分揀工作更科學、更準確，可提高農產品加工品質，降低工人的勞動強度。

1炭疽病青棗分揀機械手系統的組成和原理

該系統包括Arduino Mega 2560控制器、Pixy傳感器、MG995舵機、機械手。系統工作原理為：Pixy傳感器負責采集并識別青棗圖像信息；Arduino控制器作為機械手的控制核心，讀取青棗等級數據并將其轉化為各級舵機的指令，最后向MG995舵機發出PWM脈沖信號，舵機作為執行元件驅動機械手運動。程序將體積較小、灰褐色的炭疽病青棗定為劣質品，機器人負責把形狀小且顏色為灰褐色的炭疽病青棗果從傳送帶上分揀出來，優質的青棗繼續留在傳送帶上。

2機械手的總體結構設計

機械手的種類很多，有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節坐標式等。本文設計的機械手采用關節坐標式，其結構尺寸小、動作靈活，適合分揀青棗等體積較小的水果。青棗分揀機械手的結構主要由機座、下段機械臂、中段機械臂、上段機械臂和機械爪組成。其中機座采用舵機驅動進行旋轉，最大旋轉角度為180°，機械爪同樣由舵機驅動，由齒輪傳動的方式進行同步開合，可靠性高。該機械手可實現折疊、左右旋轉、夾取和投放等動作。其總體結構如圖所示。

3圖像識別系統設計

3.1青棗病變識別算法

首先獲取一組Pixy圖像傳感器處理后的數據，先判斷鏡頭范圍內是否有青棗存在，如有則再次判斷這批青棗中是否存在灰褐色斑點，判斷方法為：利用一個青棗的中心坐標和寬度高度確定了鏡頭內的一個區域，然后看是否有中心坐標落在這個區域內的灰褐色斑點，如有則該青棗為炭疽病青棗，否則為正常青棗。

3.2青棗等級辨別

該流水線水果分揀系統所識別的目標水果是青棗，對水果等級劃分針對青棗的表面顏色斑點與大小這兩個指標，而青棗的缺陷，整齊度等指標不在該系統的研究范圍內。在青棗等級劃分的定義中，將大而綠的青棗定義為一等品，小而有灰色斑點的炭疽病青棗定義為劣等品。

3.3圖像識別系統硬件設計

本系統采用了一種開源的圖像識別傳感器Pixy。可實現7種顏色物體的標記并且每幀能夠識別135個物體。Pixy被設計為可以與微控制器進行通訊，使用Pixy自帶的數據線便可連接Pixy到Arduino。Pixy支持多種方式輸出被識別物體的數據，SPI、12C、UART或模擬/數字I/O口（通過10Pin接口），Pixy還支持USB2.0?？梢酝ㄟ^配套軟件PixyMon的對話框來配置Pixy使用哪種方式，“Data out port”參數決定了輸出方式。

本系統通過Pixy標記青色和灰褐色這兩種顏色標志，編號為1、2，并使用了SPI的通訊方式，將攝像頭數據傳至Arduino。

Pixy傳感器有一個官方的庫，在軟件設計上包含這個庫文件便能實現Arduino與Pixy的信息傳送，被標記物體有以下元素可被Arduino獲?。?/p>

pixy.blocks[i].signature：被識別物體的標記編號；

pixy.blocks[i].x：被識別物體中心位置在x方向的坐標；

pixy.blocks[i].y：被識別物體中心位置在y方向的坐標；

pixy.blocks[i].width：被識別物體的寬度（1～320）；

pixy.blocks[i].height：被識別物體的高度（1～200）。

4機械手分揀動作過程分析

當開始青棗分揀過程之后，青棗開始在流水線上被傳送帶帶動，依次移動，此時分揀機械手位于流水線的末端，且Pixy攝像頭與流水線傳送帶位于同一水平面上。此時，Pixy攝像頭開始對位于其正前方的青棗進行攝像，接下來將圖像信息傳輸至電子控制系統中，Arduino控制系統會根據圖像識別算法對傳來的圖像信息做出識別，判斷青棗的色澤和體積大小，得出優劣信息，進而發出下一步的命令給各級舵機，使其做出下一步的動作。

假如Arduino控制器對圖像進行分析后得出的結果是青棗等級為劣質，那么Arduino控制系統將會傳輸信號給各級舵機，一級機械臂兩側舵機同時向下轉動一定角度，控制一級機械臂向下擺動一段距離；其次，Arduino控制系統會控制三級機械臂舵機向下轉動指定角度，帶動三級右側機械臂向下擺動指定角度，此時機械爪剛好位于流水線上；最后，Arduino控制系統控制機械爪開合傳動齒輪轉動，傳動齒輪和機械爪定位桿共同運動，驅動機械爪開合，夾取流水線上的銹病青棗，然后Arduino控制系統通過控制旋轉舵機轉動，帶動旋轉底座旋轉一定角度，此時，機械爪松開，將夾取的水果放到指定位置，將劣質銹病青棗從流水線上分揀出來。從而實現劣質青棗的分揀任務。

假如Arduino控制器對圖像進行分析后得出的結果是青棗等級為一等，則Arduino控制系統將不會傳輸任何信號給各級舵機，機器人將不做任何動作。優質的水果會繼續留在流水線上。

5結束語

目前，基于圖像識別的流水線銹病青棗分揀機械手系統填補了國內炭疽病青棗分揀領域的空白。該系統實現了逐個青棗的智能分揀，運用圖像識別技術使等級分辨更加精確，可剃除流水線上長有灰褐斑的炭疽病青棗，對于提高海南的青棗產品質量，降低工人勞動強度具有重要意義。在實際實驗中，該系統具有較高的穩定性，對炭疽病青棗的分揀成功率可達80%以上，為后續青棗分揀系統的研究提供了參考。