基于視覺識別的藍莓采摘機器人的設計

賀增民 游 挺 李念軒 李 婧 翟文多 曹有為

(東北農林大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 藍莓識別采摘控制系統

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

圖1 控制系統框圖

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，主要考慮設計任務的復雜程度。根據設計任務的復雜程度，綜合分析所選單片機的數據總線寬度、尋址能力、中斷能力、指令系統和執行效率等功能能否保證任務的順利完成[1]。本系統中，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鍵在于將其和周圍背景分離后分析其在圖像平面上的數字特征，從而得到有效信息。其中最為關鍵的是MiniPC和USB相機模塊。USB相機模塊負責以高幀率收集圖像信息，MiniPC負責成熟藍莓果實識別。

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較為敏感，考慮采用HSV通道分離[3]。根據式將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 采摘機械手設計方案的確定

根據矮叢藍莓的特點，機械手的結構應盡量簡單，緊湊[4]。本文采用多關節機器人，多關節機器人的坐標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結構的機器人的特性[5]。

根據藍莓采摘機械手的特點和使用要求[4]，采用機器人結構為多關節機器人。

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：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；后面的3個自由度尺寸比較小，來完成末端執行器的姿態，這叫做次連桿系統，即手腕；選擇由6個轉動關節構成的六自由度機械手，6個自由度分別是腰的回轉、大臂的擺動、小臂的擺動、小臂的扭轉、腕部的扭轉和手爪的旋轉。其中，腰的回轉、大臂的擺動、小臂的扭轉、腕部的扭轉和手爪的旋轉均由舵機來實現。

整個機械手通過舵機帶動，當舵機轉動時，其連接著的舵盤會帶動主動桿轉動，從而帶動從動桿轉動，從而滑臂就會滑動，因為光軸的限制，滑臂會沿著光軸平動，實現使機械爪平動，從而控制機械爪的夾緊與松開。當采摘單顆藍莓時，可以通過機械爪上橡膠塊的部分去夾持果實實現采摘，當采摘成簇的藍莓時，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采摘。

考慮到矮叢藍莓的生長環境以及分布密度，選擇履帶式行走機構。

(1)履帶傳動屬于鏈傳動，鏈傳動沒有彈性滑動與打滑現象，平均傳動比準確，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對外部刺激的反應能力。將振動源與基礎之間的剛性連接改變為彈性連接，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。通過在適當的彈性設備上安裝機械來實現隔離機械振動傳遞。下圖為通過彈簧來實現減震的設計方案。

圖4 彈簧減震設計圖

4 收集裝置的設計

藍莓單果的收集裝置，它通過真空泵的作用，使裝置內外產生壓力差，通過空心圓柱管，使藍莓單果進入收納盒內部。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。