覃 鋮

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

隨著科技的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成為一個引人關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的果樹修剪大多依賴人工操作，不僅效率低下，而且可能因?yàn)榧夹g(shù)熟練度不同導(dǎo)致果樹生長的質(zhì)量參差不齊?；跈C(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人在果樹修剪中的應(yīng)用，可以有效解決上述問題，提高果樹修剪的精確度和效率，同時降低勞動強(qiáng)度和人工成本。機(jī)器視覺作為一種可以模擬人類視覺行為的技術(shù)，通過對環(huán)境的感知和識別，為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如何將高科技應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，是研究者和工程師們持續(xù)探索的方向。

1 研究背景與研究意義

果樹修剪是農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)重要工作，影響著果實(shí)的產(chǎn)量和質(zhì)量。隨著農(nóng)業(yè)勞動力的減少和人口老齡化的加劇，如何找到一種更為高效和穩(wěn)定的修剪方法變得尤為迫切。此時，機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)提供了一種可能的解決方案[1]。機(jī)器人技術(shù)具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性，可以在各種環(huán)境下工作，無論是溫度、濕度還是其他復(fù)雜因素，機(jī)器人都能夠快速適應(yīng)。而機(jī)器視覺技術(shù)則可以幫助機(jī)器人更準(zhǔn)確地識別果樹的枝干、果實(shí)和其他重要部位。考慮到果樹修剪的復(fù)雜性和多樣性，單純的機(jī)械化操作無法滿足農(nóng)業(yè)的需要。機(jī)器視覺技術(shù)的引入，使得機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)際情況，自動調(diào)整修剪策略和方法。這不僅確保了果樹的生長健康，還大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，機(jī)器視覺技術(shù)還能夠?qū)崟r監(jiān)測果樹的生長狀態(tài)，為農(nóng)民提供及時的反饋和建議。這種智能化的管理方法，既降低了農(nóng)民的工作強(qiáng)度，也為果樹提供了更為科學(xué)和合理的生長環(huán)境[2]。

2 機(jī)器視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述

2.1 工業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人作為一種自動化設(shè)備，原本廣泛應(yīng)用于汽車、制造和電子產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)已逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來深刻的變革。隨著農(nóng)業(yè)面臨的各種挑戰(zhàn)，如勞動力短缺、生產(chǎn)效率低下等，工業(yè)機(jī)器人為農(nóng)業(yè)提供了新的生產(chǎn)手段和解決方案。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用主要體現(xiàn)在種植、收割、包裝和儲存等多個環(huán)節(jié)[3]。在種植階段，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動化播種、施肥和灌溉，大大提高了種植效率和準(zhǔn)確性。對于大規(guī)模的農(nóng)田，機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地完成種植任務(wù)，節(jié)省大量人力和物力。收割是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的收割方式勞動強(qiáng)度大、效率低[4]，工業(yè)機(jī)器人在這一環(huán)節(jié)發(fā)揮了巨大的作用。無論是糧食作物還是果蔬，機(jī)器人都可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的收割。通過先進(jìn)的傳感器和機(jī)器視覺技術(shù)，機(jī)器人可以識別成熟的作物，確保收割的準(zhǔn)確性和效率。除了種植和收割，機(jī)器人在農(nóng)產(chǎn)品的后期處理中也發(fā)揮了重要的作用。對于果樹等特殊的農(nóng)作物，工業(yè)機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的管理和操作。例如，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)果樹的精準(zhǔn)修剪，確保果樹的生長健康和果實(shí)的產(chǎn)量。此外，機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)果樹病蟲害的自動化檢測和治療，大大提高了果樹的管理效率和質(zhì)量。值得注意的是，工業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用并不僅限于生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)研究和試驗(yàn)中，機(jī)器人也發(fā)揮了重要的作用。通過先進(jìn)的傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，為農(nóng)業(yè)研究和決策提供有力的支持[5]。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)通過模擬人眼的視覺功能，使機(jī)器具備圖像識別、分析和處理的能力。這種技術(shù)在近年來得到了迅猛發(fā)展，并在工業(yè)機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺技術(shù)使機(jī)器人能夠?qū)α慵M(jìn)行準(zhǔn)確的定位和識別。在自動裝配線中，機(jī)器人需對各種零件進(jìn)行快速分揀和裝配。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以實(shí)時捕捉零件的圖像，分析其形狀、尺寸和位置，從而指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行精確的操作[6]。在質(zhì)量檢測中，機(jī)器視覺技術(shù)也起到了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的人工檢測不僅效率低，而且可能出現(xiàn)遺漏或誤判。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以對生產(chǎn)線上的產(chǎn)品進(jìn)行高速、高精度的檢測，確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，例如對電路板的檢測，機(jī)器視覺可以識別焊點(diǎn)的完整性、部件的位置等關(guān)鍵參數(shù)，確保生產(chǎn)的高品質(zhì)。在工業(yè)制造的復(fù)雜環(huán)境中，機(jī)器人經(jīng)常需要在不同的場景中進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器視覺技術(shù)提供了環(huán)境感知的能力，使機(jī)器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。例如，對于汽車焊接任務(wù)，機(jī)器視覺可以幫助機(jī)器人定位焊縫，確保焊接的精確性和質(zhì)量。

除了定位和識別功能，機(jī)器視覺技術(shù)還為機(jī)器人提供了更為高級的功能，如三維建模、物體追蹤等。這使機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時能夠具備更為豐富的交互和處理能力，例如在雕刻或打磨任務(wù)中，機(jī)器視覺可以捕捉物體的三維結(jié)構(gòu)，為機(jī)器人提供詳細(xì)的操作指引。

3 基于機(jī)器視覺的果樹修剪機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

基于機(jī)器視覺的果樹修剪機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目的在于提供一種高效、精確的自動化修剪方法，解決人工修剪勞動強(qiáng)度大、效率低下的問題。該系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺模塊、運(yùn)動控制模塊和執(zhí)行器組成。

機(jī)器視覺模塊負(fù)責(zé)對果樹的枝干結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別和分析。首先，通過攝像頭捕捉果樹的實(shí)時圖像，再通過圖像處理算法，如邊緣檢測、分割和特征提取，從圖像中識別出果樹的主干、分支和果實(shí)。為了提高識別的準(zhǔn)確性，可以采用深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，對大量的果樹圖像進(jìn)行訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的果樹結(jié)構(gòu)識別。運(yùn)動控制模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人的定位和路徑規(guī)劃。在機(jī)器人移動到果樹前，需要先進(jìn)行定位，確保機(jī)器人與果樹的相對位置準(zhǔn)確。此外，還需要對機(jī)器人的修剪路徑進(jìn)行規(guī)劃，確保修剪的效率和質(zhì)量。路徑規(guī)劃通?；诠麡涞慕Y(jié)構(gòu)信息，如主干和分支的位置、角度和長度；修剪的策略和要求，如修剪的深度和寬度。執(zhí)行器主要包括修剪刀和驅(qū)動機(jī)構(gòu)。修剪刀需要具備足夠的鋒利度和硬度，確保修剪的平滑和整齊。驅(qū)動機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)修剪刀的運(yùn)動，如旋轉(zhuǎn)、前后移動等[7]。為了提高修剪的精度，驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要具備高精度的伺服電機(jī)和減速器；為了確保機(jī)器人的安全和穩(wěn)定性，系統(tǒng)還需要配備各種傳感器，如距離傳感器、壓力傳感器和傾角傳感器。這些傳感器可以實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人與果樹的相對位置、修剪刀與枝干的接觸壓力和機(jī)器人的傾斜狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全和穩(wěn)定操作。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的果樹修剪機(jī)器人系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)部分，主要涉及圖像處理、數(shù)據(jù)分析、路徑規(guī)劃和控制算法等方面。這一部分的目的在于確保機(jī)器人能夠準(zhǔn)確、高效地完成果樹修剪任務(wù)。圖像處理是軟件設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。首先，攝像頭捕捉到的果樹圖像需要經(jīng)過預(yù)處理，包括噪聲濾波、亮度和對比度調(diào)整，以獲得清晰、高質(zhì)量的圖像。接著，通過邊緣檢測、區(qū)域分割等方法，識別出果樹的主干、分支和果實(shí)。特征提取則進(jìn)一步分析這些部分的形態(tài)、大小、位置和方向等信息，為后續(xù)操作提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)已經(jīng)在圖像處理中取得了顯著的進(jìn)展。通過大量果樹圖像的訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的果樹結(jié)構(gòu)識別。這種模型不僅可以應(yīng)對不同種類和狀態(tài)的果樹，還能適應(yīng)不同的光照和背景條件，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)分析則是對圖像處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。例如，通過聚類分析，可以對分支進(jìn)行分類，確定哪些分支需要修剪，哪些分支需要保留。再比如，通過模式識別，可以預(yù)測果實(shí)的成熟度和數(shù)量，為修剪提供參考[8]。

路徑規(guī)劃是軟件設(shè)計(jì)的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；诠麡涞慕Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出機(jī)器人的移動路徑和修剪策略。這一部分需要考慮機(jī)器人的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特性，確保修剪的效率和質(zhì)量。同時，還需要考慮安全因素，避免機(jī)器人與果樹的碰撞和傷害?？刂扑惴▌t直接影響機(jī)器人的操作?；诼窂揭?guī)劃和果樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，控制算法可以實(shí)時調(diào)整機(jī)器人的速度、方向和姿態(tài)，確保修剪的精確性和穩(wěn)定性。此外，控制算法還可以響應(yīng)各種傳感器的信號，如距離傳感器、壓力傳感器和傾角傳感器，實(shí)時調(diào)整機(jī)器人的狀態(tài)，確保其安全和穩(wěn)定操作。

4 技術(shù)缺陷與未來展望

當(dāng)下基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人在果樹修剪中的應(yīng)用雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在一些技術(shù)缺陷。1）圖像識別準(zhǔn)確性仍然是一個挑戰(zhàn)[9]。盡管現(xiàn)有的機(jī)器視覺算法能夠識別果樹的基本結(jié)構(gòu)，但對于復(fù)雜的果樹形態(tài)、不同的生長階段或不同的光照條件，識別的準(zhǔn)確性還有待提高。這導(dǎo)致機(jī)器人在實(shí)際操作中可能會出現(xiàn)誤判或遺漏，影響修剪的質(zhì)量和效率。機(jī)器人的靈活性和適應(yīng)性還有很大的提升空間，果樹的形態(tài)和狀態(tài)因品種、生長環(huán)境、季節(jié)等因素變化較大，需要機(jī)器人具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。但現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)往往是基于固定的模型和參數(shù)，難以適應(yīng)不同情境的變化。2）機(jī)器人的操作安全性也是一個值得關(guān)注的問題，果樹修剪涉及尖銳的工具和復(fù)雜的動作，如果機(jī)器人操作不當(dāng)，可能會導(dǎo)致果樹受傷或機(jī)器人本身受損[10]。而當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)往往缺乏有效的安全防護(hù)和故障預(yù)警機(jī)制。3）機(jī)器人的成本和維護(hù)問題也是限制其廣泛應(yīng)用的一個因素。高精度的機(jī)器視覺系統(tǒng)和復(fù)雜的控制算法需要較高的硬件和軟件支持，增加了機(jī)器人的成本。此外，機(jī)器人的日常維護(hù)和故障排除也需要專業(yè)的技術(shù)支持，增加了使用的難度和成本。

針對這些技術(shù)缺陷，未來基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人在果樹修剪中的研究將朝以下方向發(fā)展。1）深度學(xué)習(xí)和其他先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法將在機(jī)器視覺中得到更廣泛的應(yīng)用，提高圖像識別的準(zhǔn)確性和魯棒性。通過大量的果樹圖像訓(xùn)練，機(jī)器人可以更好地適應(yīng)不同情境的變化。2）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)設(shè)計(jì)也將得到優(yōu)化，提高其靈活性和適應(yīng)性，采用模塊化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，使機(jī)器人能夠根據(jù)不同的果樹品種和狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。3）增加各種傳感器和反饋機(jī)制，提高機(jī)器人的操作安全性，通過壓力傳感器和傾角傳感器，實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人的狀態(tài)和與果樹的交互情況，及時調(diào)整機(jī)器人的動作，避免傷害和故障。4）降低機(jī)器人的成本和提高其維護(hù)的便利性也是未來的研究方向，采用更經(jīng)濟(jì)的材料和制造工藝，簡化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，使其更加易于生產(chǎn)和使用。

5 小結(jié)

綜上所述，基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人在果樹修剪領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力和價值。圖像處理、數(shù)據(jù)分析、路徑規(guī)劃與控制算法等軟件設(shè)計(jì)方面，都成為支撐這一系統(tǒng)正常工作的核心部分。通過深度學(xué)習(xí)算法和其他先進(jìn)技術(shù)，機(jī)器人的圖像識別準(zhǔn)確性將持續(xù)提高，從而適應(yīng)各種復(fù)雜的果樹形態(tài)與生長環(huán)境。然而，現(xiàn)階段該系統(tǒng)仍面臨著準(zhǔn)確性、靈活性、安全性和成本等方面的挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，未來的研究將朝向深度學(xué)習(xí)應(yīng)用、機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳感器增強(qiáng)與成本降低等方向發(fā)展。預(yù)計(jì)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種基于機(jī)器視覺的修剪機(jī)器人將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的效益，在提高生產(chǎn)效率的同時降低人工成本和風(fēng)險。