基于視覺交互技術(shù)的采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計.pdf

基于視覺交互技術(shù)的采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計 蘇文芝 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 濟(jì)源 nullnullnullnullnullnull 摘 要 以草莓采摘作業(yè)過程為研究對象 對草莓自動采摘時出現(xiàn)的損傷現(xiàn)象進(jìn)行分析 提出一種利用機器視 覺交互實現(xiàn)草莓準(zhǔn)確識別定位的自動采摘系統(tǒng) 并搭建草莓采摘機器人電氣控制模塊和機械模塊 同時進(jìn)行系 統(tǒng)驗證試驗 結(jié)果表明 在相同的作業(yè)環(huán)境條件下 在圖像采集時進(jìn)行光源輔助 能夠有效提高采摘作業(yè)可靠 性 通過對不同條件下采摘作業(yè)時間進(jìn)行統(tǒng)計 得出草莓采摘機器人完成單個草莓采摘作業(yè)的時間約為 nullnullnull 此 采摘系統(tǒng)可為智能化采摘機器人的設(shè)計提供技術(shù)參考 關(guān)鍵詞 采摘機器人 草莓采摘 機器視覺 末端執(zhí)行器 中圖分類號 S225 TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1003 188X 2023 08 0228 03 0 引言 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程機械化程度的不斷提高 水果 自動化采摘已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)自動化程度的標(biāo)識 null 受水果外觀特性的限制 草莓采摘過程大多依靠人工 進(jìn)行作業(yè) 采摘效率低 勞動強度大 成本高 導(dǎo)致收 獲時期草莓采摘滯后而造成浪費 null 草莓采摘機器 人通過夾持機構(gòu)對草莓進(jìn)行夾取 并使用隨機刀具進(jìn) 行草莓莖切斷 當(dāng)草莓的形狀和大小不同時需要準(zhǔn)確 進(jìn)行夾持力和受力部位的控制 否則會出現(xiàn)草莓損傷 現(xiàn)象 nullnullnull 因此 需要設(shè)計一種通過機器視覺進(jìn)行草 莓高精度識別和夾持控制的定位機構(gòu) 以有效解決采 摘過程中出現(xiàn)的損傷問題 筆者通過對草莓種植采摘過程進(jìn)行分析 設(shè)計了 一種基于機器視覺的草莓精確無損采摘機器人 可實 現(xiàn)草莓自動化采摘 同時確保采摘過程中草莓無 損傷 1 采摘機器人整體設(shè)計 草莓采摘機器人包含機械 電氣及機器視覺 null 部 分 如圖 null 所示 其中 機械部分包含移動裝置 末端 執(zhí)行器以及草莓收集裝置 電氣部分包含機器人電 源 電機 控制器以及驅(qū)動模塊 機器視覺系統(tǒng)主要包 含圖像采集傳感器 視覺分析系統(tǒng)以及信號傳輸 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金項目 河南省 十三五 規(guī)劃項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 河南省青年骨 干教師項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 蘇文芝 nullnullnullnullnull 女 河南安陽人 副教授 工程碩士 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 裝置 nullnullnull 草莓采摘機器人控制系統(tǒng)將控制器與末端執(zhí)行 器連接 實現(xiàn)不同裝置之間的信息交互 協(xié)同完成草 莓采摘作業(yè) null 圖像采集傳感器獲取草莓圖片 并將 圖片數(shù)據(jù)傳輸至控制器進(jìn)行圖像處理 識別草莓形狀 和大小 同時 將識別信息反饋至電機驅(qū)動器 計算草 莓與末端執(zhí)行器之間的距離 根據(jù)移動速度計算末端 執(zhí)行器開始工作時間和工作結(jié)束時間 末端執(zhí)行器 移動至草莓正下方后 迅速向上移動 將草莓夾持 在 拉力作用下草莓莖被拉斷 完成草莓采摘作業(yè) null 圖 null 為草莓采摘機器人作業(yè)流程圖 圖 null 草莓采摘機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 null 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 08 002 圖 null 采摘機器人作業(yè)流程圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 2 采摘機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計 草莓采摘機器人圖像采集傳感器是一種像素 nullnull 萬的視覺傳感器 能夠與控制器連接 實現(xiàn)草莓圖像 采集識別 在工作過程中 圖像采集傳感器實時進(jìn)行 圖像采集 并將圖像數(shù)據(jù)上傳 控制系統(tǒng)根據(jù)圖像信 息數(shù)據(jù) 對圖像中每一個像素點進(jìn)行識別 并根據(jù)草 莓顏色閾值進(jìn)行圖像判斷 識別草莓的成熟程度 判 斷草莓是否需要采摘 nullnull 草莓采摘機器人通過對圖像傳感器采集到的圖 像數(shù)據(jù)特征進(jìn)行識別 將草莓圖像從草莓植株中識別 出來 在采摘作業(yè)過程中可通過手動設(shè)置顏色閾值的 方式來進(jìn)行草莓判斷 草莓采摘機器人末端執(zhí)行器能夠根據(jù)圖像信息 有效進(jìn)行草莓狀態(tài)判斷 從而調(diào)整末端執(zhí)行器的作用 力 提高采摘作業(yè)過程可靠性 nullnull 整個控制過程不 需要對圖像信息進(jìn)行精確的識別 僅需要判斷圖像區(qū) 域內(nèi)是否存在設(shè)定的 nullnullnull 閾值信息和像素點的閾值 即可完成草莓成熟程度的判斷 當(dāng)該區(qū)域內(nèi)存在符合 采摘要求的草莓時 機器人末端執(zhí)行器即可進(jìn)行作 業(yè) 在草莓成熟程度識別過程中 對草莓顏色進(jìn)行識 別是最直接有效的識別方法 在 null 個采摘作業(yè)循環(huán)完 成后即可轉(zhuǎn)入下一次作業(yè)循環(huán) 圖 null 為草莓采摘機 器人視覺識別流程圖 草莓機器人機器視覺識別過程主要包含圖像采 集和圖像處理兩個過程 圖像采集過程用于對草莓圖 像進(jìn)行采集 控制系統(tǒng)同時對草莓圖像進(jìn)行處理 實 現(xiàn)草莓的識別和位置確定 圖像處理過程主要完成草 莓圖像內(nèi)的顏色提取 同時對每一個像素點的 nullnullnull 值 進(jìn)行提取 并與設(shè)定的顏色閾值進(jìn)行判斷 從而識別 出草莓的成熟程度 圖 null 采摘機器人視覺識別流程圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 3 采摘機器人電氣系統(tǒng)設(shè)計 草莓采摘機器人電氣系統(tǒng)交互模塊用于對用戶 進(jìn)行狀態(tài)顯示 可通過按鍵指令輸入的方式進(jìn)行草莓 顏色閾值或采摘作業(yè)速率等作業(yè)參數(shù)設(shè)定 nullnull 采摘機器人傳感器主要包含圖像采集傳感器 光 電距離檢測裝置及位置傳感器 其中 視覺傳感器用 于對草莓進(jìn)行圖像采集 根據(jù)草莓圖像信息判斷草莓 的狀態(tài)及成熟程度 作為控制器的輸入指令用于判斷 是否需要進(jìn)行采摘 光電距離檢測裝置用于對草莓采 摘末端執(zhí)行器到草莓之間的距離進(jìn)行檢測 避免采摘 過程中出現(xiàn)末端執(zhí)行器損壞或造成草莓損傷的現(xiàn)象 位置傳感器用于對末端執(zhí)行器的位置進(jìn)行復(fù)位 同時 根據(jù)位置傳感器的信號值判斷末端執(zhí)行器是否處于 控制系統(tǒng)原點 在采摘作業(yè)過程中 當(dāng)末端執(zhí)行器復(fù)位至控制系 統(tǒng)原點時 機器人驅(qū)動電機開始作業(yè) 圖像采集傳感 器不斷進(jìn)行圖像采集處理 并判斷草莓的成熟程度 當(dāng)需要采摘時 驅(qū)動電機開始工作 并執(zhí)行采摘動作 如圖 null 為采摘機器人控制系統(tǒng)工作流程圖 nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 null 期 圖 null 采摘機器人控制系統(tǒng)工作流程圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 4 系統(tǒng)測試分析 采用機器視覺搭建草莓采摘機器人作業(yè)系統(tǒng) 并 分別在白天 黑天 晴天 陰天 無光源輔助 有光源輔 助以及不同環(huán)境交叉條件下進(jìn)行采摘作業(yè) 試驗過 程中 每種條件設(shè)定 nullnullnull 個采摘目標(biāo) 采摘完成后統(tǒng) 計采摘成功率及單個草莓采摘作業(yè)時長 驗證草莓采 摘機器人作業(yè)過程的穩(wěn)定性及作業(yè)效率 采摘作業(yè) 試驗數(shù)據(jù)如表 null 所示 由表 null 可以看出 在同一環(huán)境條件下 在圖像采 集過程中進(jìn)行光源輔助 能夠有效提高采摘成功率 同時縮短單個草莓的采摘時間 提高采摘作業(yè)效率 在不同的采摘環(huán)境條件下 采摘機器人完成單個草莓 的平均采摘時長為 nullnullnull 表 null 采摘作業(yè)試驗數(shù)據(jù) nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 試驗條件 總目標(biāo)數(shù) null個 采摘數(shù) null個 采摘成功率 nullnull 總采摘時間 nullnull 單個采摘時間 nullnull 白天 無光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 白天 有光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull 黑天 無光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 黑天 有光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 晴天 無光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 晴天 有光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull 陰天 無光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 陰天 有光源輔助 nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull 5 結(jié)論 草莓采摘機器人利用機器視覺自動進(jìn)行草莓圖 像采集 并根據(jù)圖像顏色進(jìn)行草莓識別和草莓成熟度 判斷 生成是否需要采摘的控制指令 作業(yè)過程中 采摘機器人末端執(zhí)行器根據(jù)識別結(jié)果對草莓進(jìn)行夾 持采摘 并有效控制夾持作用力 避免采摘過程出現(xiàn) 損傷現(xiàn)象 試驗結(jié)果表明 設(shè)計的草莓采摘機器人能 夠有效完成采摘作業(yè) 作業(yè)過程可靠 結(jié)構(gòu)簡單 緊 湊 可為機器視覺采摘機器人的推廣提供理論基礎(chǔ) 參考文獻(xiàn) null 倪江楠 石新龍 null基于光學(xué)導(dǎo)航的采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計及 定位方法研究 null null農(nóng)機化研究 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null 王萬麗 null基于云平臺和計算機控制系統(tǒng)的采摘機器人仿真 設(shè)計 null null農(nóng)機化研究 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnullnull null 白克 null基于 nullnullnull 和機器視覺的采摘機器人智能控制系統(tǒng) 設(shè)計 null null農(nóng)機化研究 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null 王飛濤 樊春春 李兆東 等 null機器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析 null null中國農(nóng)機化學(xué)報 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnull null 徐雪峰 黃余 null基于機器視覺的機器人智能采摘實驗平臺 開發(fā) null null中國農(nóng)機化學(xué)報 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null 杜文龍 徐雪峰 null基于視覺的機器人采摘實驗平臺設(shè)計與 實現(xiàn) null null智能計算機與應(yīng)用 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull null 王宏波 null機器視覺在西紅柿采摘機器人中的應(yīng)用 null null南方 農(nóng)機 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull null 高新浩 王占山 溫貽芳 等 null基于景深傳感技術(shù)的水果采 摘視覺定位系統(tǒng)設(shè)計 null null湖北農(nóng)機化 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull null 張青 陶睿志 丁蘇生 等 null基于機器視覺的智能草莓采摘 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗 null null蚌埠學(xué)院學(xué)報 nullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnull nullnull 李娜娜 null基于 nullnullnullnull 圖像傳感器的采摘機器人嵌入式視 覺系統(tǒng) null null農(nóng)機化研究 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull 下轉(zhuǎn)第 nullnullnull 頁 nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 null 期 null null佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 自然科學(xué)版 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnull 韓新風(fēng) null基于 nullnullnullnullnullnull 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動灌溉控制系統(tǒng) 設(shè)計 null null綿陽師范學(xué)院學(xué)報 nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull 蔡彬 繆子梅 褚琳琳 等 null基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的茶園智能 化噴灌系統(tǒng) null null節(jié)水灌溉 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 謝振偉 馬蓉 趙天圖 等 null基于 nullnullnullnullnullnull 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的棉田節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計 null null江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 蔣新啟 韓天峰 null無線傳感網(wǎng)絡(luò)下的智能灌溉體系設(shè)計和 研究 null null農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull 鄭向歌 任平英 null基于 nullnullnullnullnullnull 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤 墑情監(jiān)測中的應(yīng)用研究 null null科技與創(chuàng)新 nullnullnullnull null null nullnullnull Intelligent Optimization of Irrigation System Based on Wireless Sensor Network Technology nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 上接第 nullnullnull 頁 nullnull 初廣麗 張偉 王延杰 等 null基于機器視覺的水果采摘機器 人目標(biāo)識別方法 null null中國農(nóng)機化學(xué)報 nullnullnullnull nullnull null nullnull null nullnullnull nullnull 宣峰 朱清智 張毅 null基于 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 智能監(jiān)控的蘋果 采摘機器人設(shè)計 null null農(nóng)機化研究 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull null nullnullnullnull Abstract ID 1003 188X 2023 08 0228 EA Design of Picking Robot System Based on Visual Interaction Technology nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull 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nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 年 null 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 null 期