基于機(jī)器視覺(jué)的茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 偉

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473000）

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)日益成熟的今天，在茶葉產(chǎn)品等級(jí)分類檢測(cè)以及包裝檢測(cè)過(guò)程中，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了成熟發(fā)展，其不僅大大提升了茶葉采摘過(guò)程中的品質(zhì)，切實(shí)提升了茶葉生產(chǎn)的效率，有效發(fā)揮了先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)說(shuō)，其中最為突出的特點(diǎn)，就是要通過(guò)發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而切實(shí)提升整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)的靈活性與自動(dòng)化水平。對(duì)于復(fù)雜生產(chǎn)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，可以使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)代替人工視覺(jué)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率與自動(dòng)化水平的全面提升。

1 機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)分析

在當(dāng)前人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了成熟開(kāi)發(fā)。通俗地看，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中，更多是一種使用機(jī)器來(lái)替代人工來(lái)進(jìn)行測(cè)量與評(píng)判的技術(shù)。在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中，通過(guò)使用CMOS和CCD兩種機(jī)器視覺(jué)裝置，進(jìn)而將具體攝取的目標(biāo)內(nèi)容，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像信號(hào)元素。同時(shí)借助該系統(tǒng)化，將其及時(shí)傳輸給專用的圖像處理機(jī)制，進(jìn)而獲取具體的數(shù)據(jù)信息。在使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)時(shí)，可以將具體拍攝目標(biāo)的亮度和顏色等一系列基本信息，轉(zhuǎn)為系統(tǒng)化的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)使用具體的數(shù)據(jù)運(yùn)算，從而獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)目標(biāo)。

結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的具體特點(diǎn)看，作為一項(xiàng)性綜合技術(shù)，其中包含了圖像信息處理和光學(xué)成像，乃至模擬數(shù)字技術(shù)和圖像增強(qiáng)等技術(shù)，從而發(fā)揮該技術(shù)的最佳應(yīng)用效果。客觀地看，良好的計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，包含了圖像捕捉和圖像數(shù)字化處理，以及智能判斷、機(jī)械控制執(zhí)行等各種模塊。就機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，該技術(shù)的成熟應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)，也提高了生產(chǎn)活動(dòng)的自動(dòng)化水平。針對(duì)部分人工視覺(jué)很難有效滿足要求的活動(dòng)，就需要機(jī)器視覺(jué)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工視覺(jué)，或者在大批量化的生產(chǎn)活動(dòng)中，使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠解決人工視覺(jué)檢查活動(dòng)中效率不高且精準(zhǔn)度不夠等一系列問(wèn)題，當(dāng)然，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)說(shuō)，該技術(shù)的應(yīng)用更有利于實(shí)現(xiàn)信息采集，從而滿足當(dāng)前產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)。

以茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)采摘為例，其產(chǎn)品的質(zhì)量需要在采摘源頭上予以保障，在機(jī)器視覺(jué)中，鏡頭采集FOV（Field of Vision）極為重要，通過(guò)合理控制焦距，把控視覺(jué)信息采集的工作距離，從而實(shí)現(xiàn)最佳拍攝效果。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，圖像采集是其中極為重要的環(huán)節(jié)。所以，良好的采集活動(dòng)決定了圖像采集的色彩與模擬效果，乃至數(shù)字信息采集等等。事實(shí)上，在使用機(jī)器視覺(jué)信息進(jìn)行圖像采集時(shí)，其中包含的內(nèi)容，并非單一的圖像信息，整體測(cè)量的信息與數(shù)量乃至顏色并不一致。對(duì)于茶葉產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其采摘過(guò)程中，包含的諸多雜質(zhì)形狀很難予以事先界定。當(dāng)然，在具體的茶葉自動(dòng)采摘時(shí)，很容易因?yàn)榭焖龠\(yùn)動(dòng)而對(duì)茶葉產(chǎn)品的光線形成相應(yīng)反射現(xiàn)象，從而降低相應(yīng)的噪聲，從而滿足信息數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求。

事實(shí)上，受諸多原因影響，在視覺(jué)圖像處理時(shí)，需要注重采集系統(tǒng)化的算法，通過(guò)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的雜質(zhì)特征進(jìn)行提取，結(jié)合具體的模式識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)理想的分析效果。在完成具體的圖像識(shí)別和信息篩選之后，也結(jié)合具體的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息內(nèi)容管理，并且便于茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械實(shí)現(xiàn)最佳效果。

2 茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用背景認(rèn)識(shí)

為了有效解決茶葉采摘與生產(chǎn)過(guò)程中存在的茶葉采摘質(zhì)量不高、品質(zhì)較差等問(wèn)題，提出了以機(jī)器視覺(jué)為基礎(chǔ)的茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)。在該系統(tǒng)之中，通過(guò)使用相機(jī)對(duì)茶樹(shù)進(jìn)行具體的產(chǎn)品圖像信息采集，并且將具體采集的信息內(nèi)容，實(shí)時(shí)傳輸給系統(tǒng)。通過(guò)借助具體的茶葉圖像處理機(jī)制，結(jié)合BLOB（Blob Analysis）分析，并且通過(guò)二值化（Binary Thresholding）進(jìn)行處理，從而獲取的圖像中，可以從blob中具體提取茶葉產(chǎn)品信息，從而對(duì)茶葉采摘的位置信息進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

之后，再通過(guò)操縱自動(dòng)采摘機(jī)械手，將其引動(dòng)至合理的裝配位置之中，通過(guò)相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)、及時(shí)采集。根據(jù)相關(guān)采摘實(shí)驗(yàn)看，茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著良好的采摘精準(zhǔn)度，同時(shí)其采摘的效果比較理想，有效滿足當(dāng)前茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展訴求。

茶葉作為一種經(jīng)濟(jì)效益極高的產(chǎn)品，在當(dāng)前茶葉產(chǎn)業(yè)全面優(yōu)化與本質(zhì)升級(jí)時(shí)，需要注重對(duì)茶葉產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)分類，并且在深加工之后，發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而構(gòu)建茶葉產(chǎn)品的有效識(shí)別與等級(jí)分級(jí)機(jī)制。當(dāng)然，在茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中，做好茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)檢測(cè)與分類工作就至關(guān)重要。就茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)分級(jí)本身來(lái)說(shuō)，視覺(jué)是其中重要的依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)，所有客觀、科學(xué)的顏色辨別機(jī)制，正是茶葉產(chǎn)品精準(zhǔn)分級(jí)的關(guān)鍵。根據(jù)目前已經(jīng)使用的HIS顏色系統(tǒng)看，其能夠在自然狀態(tài)下，對(duì)茶葉的色澤進(jìn)行有效分析和檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)最佳分類。

3 基于機(jī)器視覺(jué)的茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)看，提升茶葉產(chǎn)品的具體品質(zhì)，并且以質(zhì)量和口感，乃至具體的色澤作為茶葉產(chǎn)品的重要指標(biāo)，對(duì)我們探究該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)制都有著重要影響。因此，充分發(fā)揮科技力量和優(yōu)勢(shì)，提高采摘過(guò)程中的規(guī)模與速度，乃至具體的效率極為必要。在茶葉采摘過(guò)程中，如何避免盲目采摘，或者無(wú)篩選的采摘活動(dòng)極為重要，尤其是在茶園自身的規(guī)模較大、采摘的任務(wù)較重之時(shí)。所以，只有合理發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建正確的采摘系統(tǒng)極為必要。自動(dòng)化與智能化是茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，更是提升該產(chǎn)業(yè)成熟度的核心訴求。結(jié)合實(shí)際看，茶葉產(chǎn)業(yè)可以借鑒棉花、蘋果等相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)采集經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于茶葉產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)采摘是力度大、耗時(shí)高的重要環(huán)節(jié)，如果茶葉產(chǎn)業(yè)想要提升茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)，并且實(shí)現(xiàn)自身科學(xué)發(fā)展與轉(zhuǎn)型，就必須注重發(fā)揮自動(dòng)技術(shù)的智慧和優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)當(dāng)前茶葉產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代轉(zhuǎn)型。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)勢(shì)，為茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手尋找到自動(dòng)采摘和檢測(cè)茶葉的具體位置，從而發(fā)揮機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)茶葉自動(dòng)采摘的理想任務(wù)。

對(duì)于茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手來(lái)說(shuō)，其控制系統(tǒng)是以visual studio軟件為基礎(chǔ)，使用C++語(yǔ)言來(lái)編寫相關(guān)程序，在這一平臺(tái)中，使用立體視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)茶葉采摘活動(dòng)進(jìn)行具體的定位，尤其是通過(guò)將相關(guān)茶葉信息，實(shí)時(shí)傳遞給控制系統(tǒng)，使其達(dá)到指定位置，進(jìn)而滿足茶葉采摘訴求。通過(guò)使用形心匹配方法，從而有效變革和調(diào)整茶葉信息采集的距離，在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)的前提下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。對(duì)于茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手來(lái)說(shuō)，定位圖像處理算法和立體視覺(jué)系統(tǒng)是決定其能否精準(zhǔn)快速識(shí)別所需要采集茶葉的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)使用canny邊緣檢測(cè)法對(duì)茶葉產(chǎn)業(yè)的圖像進(jìn)行有效處理，進(jìn)而獲取茶葉的邊界圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于茶葉企業(yè)來(lái)說(shuō)，其在參與具體的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)中，正在面臨一系列復(fù)雜挑戰(zhàn)。除了茶葉產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的復(fù)雜多樣化挑戰(zhàn)外，茶葉產(chǎn)品也需要站在時(shí)代訴求和大眾訴求下，強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)的引導(dǎo)力和支撐力，通過(guò)發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而真正意義上推進(jìn)茶葉產(chǎn)品的智能識(shí)別分級(jí)。茶葉原材料采集的狀況直接關(guān)系到茶葉產(chǎn)品的最終品質(zhì)與結(jié)果，尤其是對(duì)于當(dāng)前該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向與訴求來(lái)說(shuō)，本身就需要我們不斷提高技術(shù)含量，發(fā)揮科技優(yōu)勢(shì)。