寧 彤，張 燕，梁 棟，吳 超

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

草莓是一種多年生草本植物，生長(zhǎng)周期短，經(jīng)濟(jì)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(guó)得到空前的發(fā)展. 目前我國(guó)的草莓采摘主要靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力［1］. 近些年來(lái)，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(dòng)力逐漸轉(zhuǎn)行，加上我國(guó)人口老齡化問(wèn)題日益凸顯，導(dǎo)致草莓的生產(chǎn)成本逐漸增加，嚴(yán)重影響了我國(guó)草莓產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，草莓采摘所花費(fèi)的人力成本占草莓生產(chǎn)總成本的50%～70%，草莓生產(chǎn)過(guò)程40%的時(shí)間都耗費(fèi)在采摘環(huán)節(jié)［2］.

20 世紀(jì)80年代開始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究. 杜沛松等［3］利用把手使機(jī)構(gòu)在鋼絲繩的控制下實(shí)現(xiàn)草莓的采摘與收集同步進(jìn)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(shí)之間的碰撞，有效保證草莓果實(shí)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(shí)向上攏起，并對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化.Harvest CROO Robotics 公司［5］開發(fā)和測(cè)試一種自動(dòng)化草莓采摘機(jī)，以緩解草莓產(chǎn)業(yè)中面臨的勞動(dòng)力短缺問(wèn)題. 該草莓采摘機(jī)是在設(shè)備上安裝自動(dòng)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(jī)的核心組件.

目前，雖然也有許多對(duì)草莓收獲機(jī)械的研究，但大多數(shù)都停留在實(shí)驗(yàn)室，且大部分研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高. 因此，針對(duì)目前草莓采摘的機(jī)械存在智能化程度低的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)一種智能草莓采摘機(jī)械手. 整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，制造成本低，工作效率高，對(duì)解決上述問(wèn)題具有重要意義.

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由運(yùn)動(dòng)小車、微型氣泵、微型電機(jī)、微型電機(jī)減速器、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)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(jī)安裝在運(yùn)動(dòng)小車上，小車下方設(shè)置有電池、電機(jī)、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(jī)通電或斷電實(shí)現(xiàn)整機(jī)的前進(jìn)、后退和停止［6］. 本設(shè)計(jì)主要針對(duì)高架草莓的采摘作業(yè)，將采摘過(guò)程及采摘路徑簡(jiǎn)化，使末端執(zhí)行器具有X、Y、Z3個(gè)方向的移動(dòng)自由度，避免了因機(jī)械手關(guān)節(jié)多而導(dǎo)致定位誤差增大，減少了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的誤差. 同時(shí)，運(yùn)用絲杠傳動(dòng)，增加了定位過(guò)程中的定位精度.

圖1 草莓采摘機(jī)三維示意圖

1.2 工作原理啟動(dòng)開關(guān)按鈕，智能電機(jī)控制器控制電池給電機(jī)通電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)整機(jī)前進(jìn)，待機(jī)器到達(dá)采摘位置，智能控制器控制CCD攝像機(jī)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(gè)攝像頭拍攝的圖片信息計(jì)算出成熟草莓的空間位置［7-8］，并以空間坐標(biāo)（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(huì)控制氣泵給氣缸充氣，使末端執(zhí)行器在Z方向伸長(zhǎng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，微型電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)末端連接減速器，通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)絲杠的螺距d和前進(jìn)的距離X1計(jì)算出要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，使末端執(zhí)行器在X方向移動(dòng)X1，到達(dá)預(yù)定位置；最后由智能控制器控制氣泵給采摘?dú)飧壮錃?，使末端?zhí)行器在Y反方向伸長(zhǎng)Y1，最后到達(dá)草莓的采摘位置，將草莓摘下.

由于成熟草莓果實(shí)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(shí)放入收集箱收集［9］，收集箱采用多個(gè)抽屜式的收集箱，待收集箱快裝滿時(shí)，只需更換收集箱即可，不會(huì)影響采摘作業(yè).

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及分析

2.1 傳動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)及分析

2.1.1 傳動(dòng)絲杠結(jié)構(gòu)傳動(dòng)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(dòng)自由度，左固定塊上端設(shè)置有微型電機(jī)，微型電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)刀具滑座前進(jìn)或后退.

圖2 傳動(dòng)絲杠三維示意圖

2.1.2 傳動(dòng)絲杠分析傳動(dòng)絲杠是整機(jī)的重要組成部分，左端設(shè)置有微型電機(jī)，為分析微型電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)絲杠精確度和穩(wěn)定性的影響，采用SOLIDWORKS simulation 軟件進(jìn)行有限元分析. 絲杠工作時(shí)主要受微型電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)影響，且刀具座以及刀具的重力40 N. 為了便于分析2 個(gè)主要影響因素各自對(duì)整機(jī)精確度的影響，分別將2 個(gè)因素單獨(dú)進(jìn)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(shí)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(méi)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(shí)際工作時(shí)，需測(cè)出采摘刀具尖端的位移ΔX的值，計(jì)算出待采摘草莓的空間位置的Z坐標(biāo)（Z1）上加上ΔX，即絲杠上升的高度為Z1+ΔX.

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

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(shì)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(gè)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(jì)及分析

2.2.1 采摘刀具結(jié)構(gòu)采摘刀具主要由動(dòng)刀片和定刀片組成，動(dòng)刀片通過(guò)連桿與伸縮氣缸連結(jié)，動(dòng)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(shí)，兩夾持塊之間有小縫隙，以?shī)A持草莓果柄，在剪刀剪斷草莓果柄的同時(shí)，剪刀下端面的夾持塊將草莓果柄夾持住，是草莓不會(huì)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(shí)連同果柄經(jīng)斜面落到收集箱收集. 草莓果實(shí)鮮嫩多汁，易損壞，故在本設(shè)計(jì)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(dòng)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(lái)越大. 在實(shí)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(jī)，此外，還應(yīng)增大整機(jī)的質(zhì)量，增加整機(jī)穩(wěn)定，減輕振動(dòng)對(duì)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(hào)關(guān)系折線統(tǒng)計(jì)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(hào)與頻率基本上呈線性變化，說(shuō)明模式號(hào)對(duì)頻率的影響不大.

圖8 末端執(zhí)行器頻率模式號(hào)

3 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用雙目立體視覺(jué)定位系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)、圖像采集及特征提?。?1］進(jìn)行分析，選擇適合的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中草莓的識(shí)別和定位［12］，再配合末端執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)，以減輕果農(nóng)在草莓采摘活動(dòng)中的作業(yè)強(qiáng)度.

3.1 光源選擇對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光源的選擇至關(guān)重要，好的光源應(yīng)該盡可能突出目標(biāo)的特征；在待檢測(cè)的目標(biāo)物體與其他物體之間產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對(duì)比度；同時(shí)要有足夠的亮度和穩(wěn)定性. 常見的光源有鹵素?zé)?、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(duì)比

綜合比較各種光源的特性，選用LED燈作為補(bǔ)償光源.

3.2 相機(jī)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(shí)連著果柄處于下垂?fàn)顟B(tài). 取采摘視場(chǎng)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(jī)械誤差，此處選擇三倍的像素單位對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)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(jī)，型號(hào)FL3-U3-13S2C-CS，有效分辨率：1 024×768.

鏡頭是機(jī)器視覺(jué)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(shí)，應(yīng)與所選的CCD相機(jī)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(shí)成熟時(shí)期進(jìn)行拍攝，所有照片都是在有LED 光源補(bǔ)償下拍攝的. 通過(guò)2 個(gè)平行設(shè)置的彩色CCD 相機(jī)，模擬人的雙眼進(jìn)行拍攝. 自然界的色光都是由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3種顏色組成，可以過(guò)線性變換或非線性變換來(lái)計(jì)算不同類型的色彩空間，然后對(duì)這些彩色圖像進(jìn)行分割. 由于這些彩色空間無(wú)法超越其他彩色圖像，故本設(shè)計(jì)采用一組正交顏色特征{I1，I2，I3}［13］進(jìn)行彩色圖像分割，該方法是由OHTA 在試驗(yàn)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(jìn)行線性換算，避免了非線性空間與RGB顏色空間換算時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，且計(jì)算簡(jiǎn)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(guò)上式計(jì)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(duì)上述的I1，I2，I3，I2'，I3'5個(gè)顏色特征進(jìn)行單一閾值的圖像分割性能檢驗(yàn)，選擇最優(yōu)的一個(gè)顏色特征進(jìn)行圖像分割. 采用局部閾值算法對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化處理以凸顯草莓果實(shí)輪廓，進(jìn)而識(shí)別目標(biāo).

3.4 降噪處理由于機(jī)器作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，在進(jìn)行圖像采集時(shí)不可避免地受到環(huán)境噪聲的影響，從而影響果實(shí)輪廓的提取精度，導(dǎo)致果實(shí)真實(shí)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(duì)圖像進(jìn)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(jì)算，需進(jìn)行多次濾波處理，計(jì)算速度低；維納濾波的算法是線性的，但是算法形式復(fù)雜，在實(shí)際處理中，對(duì)噪聲函數(shù)的分布不清晰，導(dǎo)致處理后的圖像邊緣信息缺失. 因此，選擇均值濾波進(jìn)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(gè)像素點(diǎn)（x，y）鄰近選擇n個(gè)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(shí)際的草莓生長(zhǎng)情況中，草莓的分布是隨機(jī)的. 因此，特征目標(biāo)是隨機(jī)的多個(gè)區(qū)域. 把具有相同特征的區(qū)域劃分出來(lái)，用紋理表示，并將紋理部分提取出來(lái). 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(jìn)的自適應(yīng)閾值分割算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)是具有線性的時(shí)間復(fù)雜度，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，便于電腦實(shí)時(shí)處理圖像和控制程序，實(shí)現(xiàn)草莓的自動(dòng)化采摘并且提高工作效率.

4 小 結(jié)

設(shè)計(jì)了一種專門針對(duì)高架草莓的收獲機(jī)械手，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，使采摘機(jī)械手能夠自動(dòng)識(shí)別和定位成熟草莓果實(shí)并進(jìn)行采摘作業(yè). 主要有以下特點(diǎn)：

1）利用三維建模軟件構(gòu)建草莓采摘機(jī)的整機(jī)模型，介紹了整機(jī)運(yùn)行的工作原理，并對(duì)草莓采摘機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及SOLIDWORKS simulation 軟件有限元分析. 結(jié)果表明，傳動(dòng)絲杠會(huì)隨著振動(dòng)頻率的增加，受影響的程度變大，但其振動(dòng)頻率穩(wěn)定于標(biāo)準(zhǔn)值；采摘刀具的末端執(zhí)行器頻率模式號(hào)與頻率基本上呈線性變化，說(shuō)明模式號(hào)對(duì)頻率的影響不大.

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

對(duì)草莓收獲機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力及位移分析，研究了機(jī)器在工作中可能出現(xiàn)的最大影響，對(duì)草莓機(jī)械化作業(yè)具有一定的理論指導(dǎo)意義.