盧熙達(dá)　漆海霞　邱俊　何子玄　游浩潺　甘海明

摘要：為了對(duì)優(yōu)質(zhì)青棗進(jìn)行分揀，解決人為分揀青棗準(zhǔn)確度低、效率差等問題，提出了基于圖像識(shí)別的由Ar-duino控制的多自由度機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)在流水線上對(duì)炭疽病青棗的分揀。該系統(tǒng)以Arduino控制板作為主控制器，結(jié)合Pixy圖像識(shí)別傳感器、MG995舵機(jī)和圖像識(shí)別算法組成自動(dòng)分揀機(jī)械手系統(tǒng)。通過Pixy圖像識(shí)別傳感器對(duì)傳送線上的青棗圖像進(jìn)行采集，并分析獲取獲得青棗的大小、顏色等特征量，得出青棗的品質(zhì)信息。然后由Arduino控制器控制分揀機(jī)械手動(dòng)作對(duì)青棗進(jìn)行分揀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過該方法對(duì)炭疽病青棗進(jìn)行分揀，準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上。

關(guān)鍵詞：Arduino控制；分揀機(jī)械手；圖像識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.14031/j cnki.njwx.2018.06.002

0引言

海南青棗作為一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的亞熱帶水果，近年來市場(chǎng)需求量急劇攀升，其產(chǎn)品的精深加工成為新形勢(shì)下的發(fā)展重點(diǎn)。在這樣的形勢(shì)下應(yīng)將提高青棗產(chǎn)品品質(zhì)作為提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。因此，青棗的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為促進(jìn)海南農(nóng)民增收的重要手段之一，而對(duì)炭疽病青棗的分揀是青棗產(chǎn)業(yè)化過程中提高果品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高開箱合格率、產(chǎn)品附加值和開拓國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)具有重要意義。

青棗是一種外形不規(guī)則、等級(jí)范圍小、分級(jí)難度大的水果，當(dāng)今國(guó)內(nèi)對(duì)其分揀措施主要為人工挑選，準(zhǔn)確率和效率無法得到保證。雖然目前市面上的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)可以代替人工對(duì)大部分的產(chǎn)品進(jìn)行分揀，但由于缺少對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的識(shí)別功能，這種方法并不能對(duì)不同等級(jí)的產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)分揀。而擁有圖像識(shí)別系統(tǒng)的機(jī)器人通過圖像處理算法，可自動(dòng)辨別水果質(zhì)量等級(jí)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行精確分揀。

根據(jù)市場(chǎng)需求，現(xiàn)研發(fā)了一種利用Pixy圖像傳感器對(duì)行青棗拍照進(jìn)行顏色識(shí)別，流水線上有分揀灰褐斑的炭疽病青棗的機(jī)械手，該機(jī)械手具備多個(gè)自由度，由Arduino控制模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，動(dòng)作靈活精確。另外，針對(duì)流水線上青棗的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，該機(jī)械手設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)動(dòng)底盤，便于機(jī)械手快速且準(zhǔn)確地夾取青棗。這樣就可以在不破損農(nóng)產(chǎn)品的同時(shí)，使其分揀工作更科學(xué)、更準(zhǔn)確，可提高農(nóng)產(chǎn)品加工品質(zhì)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1炭疽病青棗分揀機(jī)械手系統(tǒng)的組成和原理

該系統(tǒng)包括Arduino Mega 2560控制器、Pixy傳感器、MG995舵機(jī)、機(jī)械手。系統(tǒng)工作原理為：Pixy傳感器負(fù)責(zé)采集并識(shí)別青棗圖像信息；Arduino控制器作為機(jī)械手的控制核心，讀取青棗等級(jí)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為各級(jí)舵機(jī)的指令，最后向MG995舵機(jī)發(fā)出PWM脈沖信號(hào)，舵機(jī)作為執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。程序?qū)Ⅲw積較小、灰褐色的炭疽病青棗定為劣質(zhì)品，機(jī)器人負(fù)責(zé)把形狀小且顏色為灰褐色的炭疽病青棗果從傳送帶上分揀出來，優(yōu)質(zhì)的青棗繼續(xù)留在傳送帶上。

2機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的種類很多，有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，其結(jié)構(gòu)尺寸小、動(dòng)作靈活，適合分揀青棗等體積較小的水果。青棗分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、下段機(jī)械臂、中段機(jī)械臂、上段機(jī)械臂和機(jī)械爪組成。其中機(jī)座采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)角度為180°，機(jī)械爪同樣由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，由齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行同步開合，可靠性高。該機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)折疊、左右旋轉(zhuǎn)、夾取和投放等動(dòng)作。其總體結(jié)構(gòu)如圖所示。

3圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1青棗病變識(shí)別算法

首先獲取一組Pixy圖像傳感器處理后的數(shù)據(jù)，先判斷鏡頭范圍內(nèi)是否有青棗存在，如有則再次判斷這批青棗中是否存在灰褐色斑點(diǎn)，判斷方法為：利用一個(gè)青棗的中心坐標(biāo)和寬度高度確定了鏡頭內(nèi)的一個(gè)區(qū)域，然后看是否有中心坐標(biāo)落在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的灰褐色斑點(diǎn)，如有則該青棗為炭疽病青棗，否則為正常青棗。

3.2青棗等級(jí)辨別

該流水線水果分揀系統(tǒng)所識(shí)別的目標(biāo)水果是青棗，對(duì)水果等級(jí)劃分針對(duì)青棗的表面顏色斑點(diǎn)與大小這兩個(gè)指標(biāo)，而青棗的缺陷，整齊度等指標(biāo)不在該系統(tǒng)的研究范圍內(nèi)。在青棗等級(jí)劃分的定義中，將大而綠的青棗定義為一等品，小而有灰色斑點(diǎn)的炭疽病青棗定義為劣等品。

3.3圖像識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了一種開源的圖像識(shí)別傳感器Pixy?？蓪?shí)現(xiàn)7種顏色物體的標(biāo)記并且每幀能夠識(shí)別135個(gè)物體。Pixy被設(shè)計(jì)為可以與微控制器進(jìn)行通訊，使用Pixy自帶的數(shù)據(jù)線便可連接Pixy到Arduino。Pixy支持多種方式輸出被識(shí)別物體的數(shù)據(jù)，SPI、12C、UART或模擬/數(shù)字I/O口（通過10Pin接口），Pixy還支持USB2.0?？梢酝ㄟ^配套軟件PixyMon的對(duì)話框來配置Pixy使用哪種方式，“Data out port”參數(shù)決定了輸出方式。

本系統(tǒng)通過Pixy標(biāo)記青色和灰褐色這兩種顏色標(biāo)志，編號(hào)為1、2，并使用了SPI的通訊方式，將攝像頭數(shù)據(jù)傳至Arduino。

Pixy傳感器有一個(gè)官方的庫，在軟件設(shè)計(jì)上包含這個(gè)庫文件便能實(shí)現(xiàn)Arduino與Pixy的信息傳送，被標(biāo)記物體有以下元素可被Arduino獲?。?/p>

pixy.blocks[i].signature：被識(shí)別物體的標(biāo)記編號(hào)；

pixy.blocks[i].x：被識(shí)別物體中心位置在x方向的坐標(biāo)；

pixy.blocks[i].y：被識(shí)別物體中心位置在y方向的坐標(biāo)；

pixy.blocks[i].width：被識(shí)別物體的寬度（1～320）；

pixy.blocks[i].height：被識(shí)別物體的高度（1～200）。

4機(jī)械手分揀動(dòng)作過程分析

當(dāng)開始青棗分揀過程之后，青棗開始在流水線上被傳送帶帶動(dòng)，依次移動(dòng)，此時(shí)分揀機(jī)械手位于流水線的末端，且Pixy攝像頭與流水線傳送帶位于同一水平面上。此時(shí)，Pixy攝像頭開始對(duì)位于其正前方的青棗進(jìn)行攝像，接下來將圖像信息傳輸至電子控制系統(tǒng)中，Arduino控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)圖像識(shí)別算法對(duì)傳來的圖像信息做出識(shí)別，判斷青棗的色澤和體積大小，得出優(yōu)劣信息，進(jìn)而發(fā)出下一步的命令給各級(jí)舵機(jī)，使其做出下一步的動(dòng)作。

假如Arduino控制器對(duì)圖像進(jìn)行分析后得出的結(jié)果是青棗等級(jí)為劣質(zhì)，那么Arduino控制系統(tǒng)將會(huì)傳輸信號(hào)給各級(jí)舵機(jī)，一級(jí)機(jī)械臂兩側(cè)舵機(jī)同時(shí)向下轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，控制一級(jí)機(jī)械臂向下擺動(dòng)一段距離；其次，Arduino控制系統(tǒng)會(huì)控制三級(jí)機(jī)械臂舵機(jī)向下轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度，帶動(dòng)三級(jí)右側(cè)機(jī)械臂向下擺動(dòng)指定角度，此時(shí)機(jī)械爪剛好位于流水線上；最后，Arduino控制系統(tǒng)控制機(jī)械爪開合傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)齒輪和機(jī)械爪定位桿共同運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪開合，夾取流水線上的銹病青棗，然后Arduino控制系統(tǒng)通過控制旋轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座旋轉(zhuǎn)一定角度，此時(shí)，機(jī)械爪松開，將夾取的水果放到指定位置，將劣質(zhì)銹病青棗從流水線上分揀出來。從而實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)青棗的分揀任務(wù)。

假如Arduino控制器對(duì)圖像進(jìn)行分析后得出的結(jié)果是青棗等級(jí)為一等，則Arduino控制系統(tǒng)將不會(huì)傳輸任何信號(hào)給各級(jí)舵機(jī)，機(jī)器人將不做任何動(dòng)作。優(yōu)質(zhì)的水果會(huì)繼續(xù)留在流水線上。

5結(jié)束語

目前，基于圖像識(shí)別的流水線銹病青棗分揀機(jī)械手系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)炭疽病青棗分揀領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了逐個(gè)青棗的智能分揀，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)使等級(jí)分辨更加精確，可剃除流水線上長(zhǎng)有灰褐斑的炭疽病青棗，對(duì)于提高海南的青棗產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，對(duì)炭疽病青棗的分揀成功率可達(dá)80%以上，為后續(xù)青棗分揀系統(tǒng)的研究提供了參考。