石建華

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，武漢 430074)

?

基于云計(jì)算技術(shù)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人系統(tǒng)

石建華

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，武漢 430074)

近年來(lái)，我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展期，蘋(píng)果種植面積日益擴(kuò)大，年產(chǎn)量明顯增加，促使我國(guó)成為世界上最大的水果生產(chǎn)國(guó)家。水果進(jìn)行種植過(guò)程中，成熟的水果采摘操作時(shí)必須消耗大量的時(shí)間和勞動(dòng)力。由于進(jìn)城務(wù)工人員日益增多，農(nóng)村勞動(dòng)力人口不斷減少，此時(shí)勞動(dòng)力成本有一定程度的增長(zhǎng)，果農(nóng)日常經(jīng)營(yíng)的成本也有所增加，因此智能采摘機(jī)器人順勢(shì)而生。為此，針對(duì)水果采摘機(jī)械研究的不足之處，提出了基于云計(jì)算的蘋(píng)果采摘機(jī)器人系統(tǒng)，在機(jī)器人處于作業(yè)狀態(tài)下設(shè)計(jì)了蘋(píng)果采摘機(jī)器人軟、硬件設(shè)計(jì)情況。為驗(yàn)證蘋(píng)果采摘機(jī)器人的采摘效果，在果園中對(duì)其采摘性能展開(kāi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人運(yùn)用視覺(jué)技術(shù)，能很好地克服氣候環(huán)境等因素的影響，采摘作業(yè)中性能穩(wěn)定，采摘效率高，值得在蘋(píng)果生產(chǎn)地推廣使用。

云計(jì)算技術(shù)；蘋(píng)果機(jī)器人采摘系統(tǒng)；硬件；軟件設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)作為世界上最大的水果產(chǎn)地，水果也成為國(guó)內(nèi)主要的經(jīng)濟(jì)作物。現(xiàn)階段，水果發(fā)展成為繼糧食、蔬菜之后第三大農(nóng)作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要位置。我國(guó)對(duì)水果采摘機(jī)械化發(fā)展尤為重視，采摘機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生直接的影響。蘋(píng)果采摘機(jī)器人是針對(duì)蘋(píng)果設(shè)計(jì)，可完成其采摘、輸送、裝箱等作業(yè)的裝備，是一種具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)。水果自動(dòng)采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象為有機(jī)生物，其實(shí)施采摘作業(yè)時(shí)受作業(yè)環(huán)境、對(duì)象等因素的影響，而運(yùn)用機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)，能有效提升采摘作業(yè)效率和精度。因此，設(shè)計(jì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人必須解決識(shí)別和定位目標(biāo)果實(shí)的問(wèn)題，在不損害果實(shí)和植株的基礎(chǔ)上，遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)完成蘋(píng)果采摘工作；同時(shí)，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(píng)果采摘效率。本文根據(jù)各地蘋(píng)果生產(chǎn)種植和具體采摘情況，在云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)蘋(píng)果采摘情況展開(kāi)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出智能化的蘋(píng)果采摘機(jī)器人樣機(jī)，以期減輕勞動(dòng)人員工作量、提升蘋(píng)果采摘效率。

1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)面臨嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸向其他各領(lǐng)域和行業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力不僅具有成本高的特點(diǎn)，也不易找到充足的勞動(dòng)力。果蔬采摘是其生產(chǎn)過(guò)程中最耗費(fèi)時(shí)間、人力的環(huán)節(jié)，加之，采摘人員時(shí)常要彎腰或利用梯子登高，水果采摘成為勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗時(shí)間長(zhǎng)的作業(yè)模式。蘋(píng)果是我國(guó)11大優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品之一，近年來(lái)，我國(guó)對(duì)世界上蘋(píng)果貢獻(xiàn)率越來(lái)越高，如果一直采用人工采摘實(shí)在無(wú)法滿足其發(fā)展需求。因此，研發(fā)蘋(píng)果采摘機(jī)器人不僅能減輕勞動(dòng)者工作強(qiáng)度，也能提高蘋(píng)果采摘效率，從而擁有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。為滿足形式各樣的蘋(píng)果園地面環(huán)境要求，本研究的機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣智能控制等部件組合而成：機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械手臂、末端執(zhí)行器及可移動(dòng)載體等裝置；電氣智能控制系統(tǒng)包含微控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

蘋(píng)果采摘機(jī)器人配備的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，有利于機(jī)器人準(zhǔn)確判斷已經(jīng)成熟的果實(shí)，并為準(zhǔn)確摘取操作打下良好的基礎(chǔ)。機(jī)器人配置的其它部件的功能有一定的差異，各配件相互結(jié)合共同完成蘋(píng)果自動(dòng)采摘操作。

可移動(dòng)載體作為蘋(píng)果采摘機(jī)器人最基本的部件，也是其它采集系統(tǒng)的主要平臺(tái)，且執(zhí)行信號(hào)采集及智能控制等均要借助移動(dòng)載體完成?？梢苿?dòng)載體使用腹帶行走的方式，這種移動(dòng)載體與地面接觸面、受力面積較大，極易在松軟的路面進(jìn)行操作。機(jī)器人機(jī)械手臂使用多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，設(shè)計(jì)3個(gè)主自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等操作。同時(shí)，自動(dòng)采摘機(jī)器人配置的機(jī)械手臂具有韌性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，便于及時(shí)到達(dá)所指定的位置，在整個(gè)采摘操作中穩(wěn)定運(yùn)行。夾持器作為采摘蘋(píng)果過(guò)程中發(fā)揮最大作用的部件，蘋(píng)果整個(gè)收獲操作完全依靠夾持器完成。本次設(shè)計(jì)的夾持器最大工作角度為88°，采摘閉合時(shí)間設(shè)定為2s；設(shè)計(jì)的裝置極為簡(jiǎn)便，采摘耗費(fèi)時(shí)間短、力度適中，不會(huì)對(duì)目標(biāo)水果帶來(lái)不良的影響。

1.系統(tǒng)控制倉(cāng) 2.紅外對(duì)管 3.電源倉(cāng) 4.移動(dòng)載體

2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人硬件、軟件設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由采摘機(jī)械臂、果實(shí)識(shí)別定位及可移動(dòng)平臺(tái)等模塊組成，因此主要介紹蘋(píng)果采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)的軟硬件部分設(shè)計(jì)情況。

2.1 采摘機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)視覺(jué)定位系統(tǒng)

視覺(jué)定位系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、圖像采集卡及CCD攝像機(jī)等部分組成。該系統(tǒng)所用的雙目攝像頭固定在支架上，為機(jī)械手提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位。選用我國(guó)大恒公司生產(chǎn)的雙通道彩色視頻采集卡，對(duì)蘋(píng)果這類水果進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別及定位研究，其定位流程如圖2所示。

2.1.2 末端執(zhí)行器

蘋(píng)果采摘機(jī)器人執(zhí)行采摘作業(yè)時(shí)，由末端執(zhí)行器與蘋(píng)果相接觸，因蘋(píng)果園采摘環(huán)境比較復(fù)雜，末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)一直被認(rèn)為農(nóng)業(yè)類機(jī)器人的主要技術(shù)之一。蘋(píng)果采摘系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3所示。這個(gè)末端執(zhí)行器要求通過(guò)對(duì)蘋(píng)果果梗的夾持，在不損傷果實(shí)的基礎(chǔ)上成功采摘蘋(píng)果。

圖2 蘋(píng)果采摘機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別定位流程圖

1.直流電機(jī) 2.蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) 3.鋼絲軟管傳動(dòng) 4.刀架與刀片

2.1.3 設(shè)計(jì)合理的能源箱

依據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)不同元件的供電參數(shù)要求，本設(shè)計(jì)采用220V交流電源控制不同關(guān)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)及計(jì)算機(jī)供電。同時(shí)，選取24V直流電源對(duì)末端執(zhí)行器電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電。在機(jī)器人上安裝的視覺(jué)攝像頭所需能源由計(jì)算機(jī)端口進(jìn)行供應(yīng)，通過(guò)測(cè)算，整個(gè)采摘機(jī)器人系統(tǒng)總能耗量約為1.5kW。

2.2 采摘機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

蘋(píng)果采摘機(jī)器人采用開(kāi)環(huán)式控制結(jié)構(gòu)，建立基于云計(jì)算技術(shù)的評(píng)估采摘控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)基于Windows XP平臺(tái)上完成操作，采用RS232總線與運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)通信。因控制系統(tǒng)對(duì)使用者具有全開(kāi)放性，因此可在平臺(tái)上對(duì)機(jī)器人實(shí)施操作和在線調(diào)試，利用不同控制算法和圖像處理算法，促使其滿足蘋(píng)果采摘要求。為方便操作，設(shè)計(jì)了圖形化的用戶界面，用戶可在界面上調(diào)整攝像機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器等參數(shù)，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)具體運(yùn)行情況。

在計(jì)算機(jī)上調(diào)用MatLab圖像處理軟件，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制板和位控板組成的運(yùn)動(dòng)模塊，完成圖像的采集、分析、處理等操作。運(yùn)動(dòng)控制器作為機(jī)器人完成采摘要求的核心部件，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 蘋(píng)果采摘機(jī)器人系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 識(shí)別定位目標(biāo)果實(shí)

采摘機(jī)器人開(kāi)展采摘操作時(shí)，先要準(zhǔn)確判定采摘果實(shí)是否處于成熟狀態(tài)及其三維位置，識(shí)別目標(biāo)果實(shí)的成熟率對(duì)采摘效率產(chǎn)生直接的影響。具體采摘操作時(shí)，機(jī)器人配備的夾持器采用手環(huán)抱狀的采摘方法，夾持器根據(jù)目標(biāo)果實(shí)具體定位進(jìn)行采摘。圖像視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度監(jiān)拍果實(shí)的圖像，并由圖像采集卡將所采集的信息發(fā)送到工控計(jì)算機(jī)內(nèi)，借助工控計(jì)算機(jī)制作目標(biāo)果實(shí)的三維圖像；根據(jù)已經(jīng)形成的三維圖像，機(jī)器人能夠準(zhǔn)確判斷蘋(píng)果的大小、形狀等信息，從而更好地實(shí)施采摘作業(yè)。

對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行正確采摘時(shí)，先要對(duì)其進(jìn)行正確的分割識(shí)別，確保采摘機(jī)器人能夠代替勞動(dòng)力完成采摘操作。識(shí)別首要任務(wù)是準(zhǔn)確采集蘋(píng)果樣本，運(yùn)用攝像機(jī)完成整個(gè)拍攝操作。同時(shí)，依據(jù)圖像信息建立相應(yīng)的蘋(píng)果樣本及顏色模型，通過(guò)分割及時(shí)對(duì)果實(shí)與其附近生長(zhǎng)的環(huán)境進(jìn)行分離，采用三原色RGS進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，準(zhǔn)確判定將要采摘的蘋(píng)果是否成熟。蘋(píng)果采摘作業(yè)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(jiǎn)圖

本文以蘋(píng)果為研究對(duì)象，介紹采摘機(jī)器人利用自動(dòng)閾值分割法對(duì)蘋(píng)果執(zhí)行切割識(shí)別操作。一般情況下，生長(zhǎng)成熟的蘋(píng)果為紅色，這種顏色與其附近的生長(zhǎng)環(huán)境具有明顯區(qū)別的是顏色。這時(shí)，利用三原色RGB準(zhǔn)確對(duì)目標(biāo)果實(shí)執(zhí)行切割操作；同時(shí)，可以根據(jù)蘋(píng)果的具體顏色，借助圖像處理模塊對(duì)比PC機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)已成熟果實(shí)的顏色樣本，從而判定目標(biāo)果實(shí)成熟度。

4 試驗(yàn)

2014年9月23-29日在我國(guó)某水果產(chǎn)地進(jìn)行蘋(píng)果采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)情況比較理想。室外試驗(yàn)過(guò)程中，并無(wú)大面積遮擋目標(biāo)、果實(shí)處于靜止無(wú)晃動(dòng)狀態(tài)等。蘋(píng)果采摘試驗(yàn)過(guò)程如下：針對(duì)果園中的蘋(píng)果，先實(shí)施圖像采集操作，視覺(jué)系統(tǒng)依據(jù)機(jī)器視覺(jué)算法求得目標(biāo)物的三維坐標(biāo)；同時(shí)，針對(duì)多個(gè)目標(biāo)把其計(jì)算的空間坐標(biāo)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，控制系統(tǒng)分別從數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)讀取坐標(biāo)值，完成機(jī)械采摘作業(yè)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知：不論是晴天、夜晚或者是陰天，采摘機(jī)器人都可以自由控制并完成移動(dòng)操作，進(jìn)一步落實(shí)采摘作業(yè)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果采摘機(jī)器人在不同天氣環(huán)境下成功率均在85%以上，單一目標(biāo)果實(shí)需要的采摘時(shí)間在10s以內(nèi)，進(jìn)一步證明所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人具有極高的采摘效率，極易在蘋(píng)果采摘作業(yè)中推廣使用。

表1 蘋(píng)果采摘機(jī)器人具體采摘情況

5 結(jié)論

根據(jù)果農(nóng)對(duì)成熟蘋(píng)果提出的采摘要求，設(shè)計(jì)了云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上的蘋(píng)果采摘機(jī)器人。這種機(jī)器人將視覺(jué)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)合理結(jié)合，具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，在采摘作業(yè)中能輕松躲避障礙物，從而提升蘋(píng)果采摘效率。根據(jù)我國(guó)部分地區(qū)蘋(píng)果采摘作業(yè)量大、勞動(dòng)力資源不足等特點(diǎn)，對(duì)智能化的蘋(píng)果采摘機(jī)器人的軟硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：本次設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人識(shí)別果實(shí)速度快，不管何種天氣狀態(tài)摘取果實(shí)效率高，能夠滿足農(nóng)業(yè)采摘操作中機(jī)械智能化、自動(dòng)化等要求，具有非常廣闊的發(fā)展空間。

[1] 薛亮,樊衛(wèi)國(guó),汪小志,等.基于RBF網(wǎng)絡(luò)的果蔬采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(9):229-233.

[2] 談?dòng)?顧寶興,姬長(zhǎng)英,等.基于顏色和重量特征的蘋(píng)果在線分級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2016,11(2):219-222.

[3] 張杰,姬長(zhǎng)英,顧寶興,等.三自由度蘋(píng)果采摘機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2015,51(23):251-257.

[4] 熊俊濤,葉敏,鄒湘軍,等.多類型水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(z1):230-235.

[5] 石雪強(qiáng),程新文.蘋(píng)果采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的目標(biāo)提取研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(10):46-48,59.

[6] 朱霞,陳仁文,夏樺康,等.智能機(jī)器人水果采摘識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2014,31(9):2711-2714.

[7] 孫承庭,胡平.智能移動(dòng)式水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)—基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(8):179-183.

[8] 孫承庭,胡平.嵌入式采摘機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量與避障控 制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(11):219-223.

[9] 姬偉,李俊樂(lè),楊俊,等.機(jī)器手采摘蘋(píng)果抓取損傷機(jī)理有限元分析及驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,15(5):17-22.

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(xiàng)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