基于视觉识别的蓝莓采摘机器人的设计

贺增民 游 挺 李念轩 李 婧 翟文多 曹有为

(东北农林大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 蓝莓识别采摘控制系统

蓝莓识别采摘控制系统是本机器人控制系统中最为重要的系统，其系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图

目前市场上的单片机种类很多，性能也有很大差异，在选用单片机类型的时候，主要考虑设计任务的复杂程度。根据设计任务的复杂程度，综合分析所选单片机的数据总线宽度、寻址能力、中断能力、指令系统和执行效率等功能能否保证任务的顺利完成[1]。本系统中，选用STM32系列单片机。

2 视觉识别

2.1 针对蓝莓果实的识别硬件

成熟蓝莓果实识别的关键在于将其和周围背景分离后分析其在图像平面上的数字特征，从而得到有效信息。其中最为关键的是MiniPC和USB相机模块。USB相机模块负责以高帧率收集图像信息，MiniPC负责成熟蓝莓果实识别。

2.2 针对蓝莓果实的识别原理

对于成熟的蓝莓果实，由于其独特的颜色常常不会和环境颜色相重合，采用RGB颜色分离，效果较为理想。对成熟蓝莓果实的通道值按照式变换，做二值化筛选[2]。

其RGB通道特征不明显，常常和环境融为一体，若是采用RGB通道分离，识别效果不理想。但其对于光线照射的反应较为敏感，考虑采用HSV通道分离[3]。根据式将RGB颜色空间映射至HSV颜色空间，按照式变换，做二值化筛选。其满足下式。

V=Cmax

筛选后进行高斯滤波平滑部分图像过渡，随后进行适当腐蚀和膨胀提取轮廓信息，最后依照成熟蓝莓果实的几何特征进行几何筛选。

图2 蓝莓果实颜色图(HSV)

图3 识别效果图

3 采摘机械手设计方案的确定

根据矮丛蓝莓的特点，机械手的结构应尽量简单，紧凑[4]。本文采用多关节机器人，多关节机器人的坐标系是通过相邻运动部件间的相对角位移来确定的。该机器人臂可以达到大部分球形体积。机器人的形状取决于具有不同坐标结构的机器人的特性[5]。

根据蓝莓采摘机械手的特点和使用要求[4]，采用机器人结构为多关节机器人。

采摘机械手组成部分为连接部分、腰部、大臂、小臂、腕部以及机械手爪组成，分为两个连杆系统：前面的3个自由度分别是腰、大臂和小臂，这叫做主连杆系统；后面的3个自由度尺寸比较小，来完成末端执行器的姿态，这叫做次连杆系统，即手腕；选择由6个转动关节构成的六自由度机械手，6个自由度分别是腰的回转、大臂的摆动、小臂的摆动、小臂的扭转、腕部的扭转和手爪的旋转。其中，腰的回转、大臂的摆动、小臂的扭转、腕部的扭转和手爪的旋转均由舵机来实现。

整个机械手通过舵机带动，当舵机转动时，其连接着的舵盘会带动主动杆转动，从而带动从动杆转动，从而滑臂就会滑动，因为光轴的限制，滑臂会沿着光轴平动，实现使机械爪平动，从而控制机械爪的夹紧与松开。当采摘单颗蓝莓时，可以通过机械爪上橡胶块的部分去夹持果实实现采摘，当采摘成簇的蓝莓时，可通过机械爪上端刀片部分剪断这一簇果实的茎，同时机械爪下面橡胶部分会夹紧茎被剪断处的下端，从而夹住这一簇果实实现采摘。

考虑到矮丛蓝莓的生长环境以及分布密度，选择履带式行走机构。

(1)履带传动属于链传动，链传动没有弹性滑动与打滑现象，平均传动比准确，传动比接近于1，效率高达98%，传动功率大。

(2)弹簧减震：减震器使用弹性支撑来降低系统对外部刺激的反应能力。将振动源与基础之间的刚性连接改变为弹性连接，可以隔离或削弱振动能量的传递，从而达到减少振动和噪音的目的。有主动隔振和被动隔振。前者是对振动源设备采取隔振措施，以防止将振动传递给其它场合。后者是为害怕受到振动干扰的设备，仪器或人员采取隔振措施，以防止外部振动的影响。通过在适当的弹性设备上安装机械来实现隔离机械振动传递。下图为通过弹簧来实现减震的设计方案。

图4 弹簧减震设计图

4 收集装置的设计

蓝莓单果的收集装置，它通过真空泵的作用，使装置内外产生压力差，通过空心圆柱管，使蓝莓单果进入收纳盒内部。通过可拆卸的螺钉连接收纳盒与圆形盒盖，相对密封，保证收纳盒内外压力差，方便蓝莓单果倒出，之后再通过螺钉连接，完成蓝莓单果的取出。收集空心圆柱管两侧有两个小支管，两个小支管分别与两个橡胶管相连，两个橡胶管另一端分别与两个真空泵相连保证装置内外的压力差，通过粘合剂使真空泵固定在圆形盒盖外表面上，使真空泵位置固定。