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)研究

郭景全

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)方面的技術(shù)研究也正變的日趨成熟化，這使得機(jī)器視覺(jué)技術(shù)得以被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。在茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，機(jī)器視覺(jué)在該產(chǎn)業(yè)中具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，機(jī)器視覺(jué)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品等級(jí)進(jìn)行精準(zhǔn)分類檢測(cè)，此外還能應(yīng)用于茶葉產(chǎn)品的包裝檢測(cè)，更為重要的是，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，還能設(shè)計(jì)出自動(dòng)化采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可大幅提升茶葉的采摘效率，保障其采摘質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品質(zhì)量的源頭化控制，而在此過(guò)程中，必須要確保機(jī)器視覺(jué)這一先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)所具有的最顯著特點(diǎn)便是能夠利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使茶葉產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并確保產(chǎn)品生產(chǎn)靈活性。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，能夠?qū)鹘y(tǒng)的人工視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行有效代替，從而使其能夠從事復(fù)雜的生產(chǎn)活動(dòng)，進(jìn)而使生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展效率及其自動(dòng)化水平得到進(jìn)一步提升。

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

現(xiàn)階段，科技的飛速發(fā)展，使我國(guó)迎來(lái)了人工智能時(shí)代，人工智能技術(shù)也得以被廣泛應(yīng)用于航空航天、智慧城市、交通道路等諸多領(lǐng)域，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為現(xiàn)代化技術(shù)中的一種，隨著該技術(shù)的日趨成熟，其與人工智能技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也變得愈發(fā)深入。通常來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是以機(jī)器為載體來(lái)對(duì)人工進(jìn)行代替，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)量和評(píng)判。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可借助于CCD與CMOS這兩種機(jī)器視覺(jué)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)內(nèi)容的信息采集，以此獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，這些信息會(huì)以信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸，然后系統(tǒng)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換，以使其成為相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像信號(hào)元素，然后在實(shí)時(shí)傳輸至圖像處理機(jī)制，從而使目標(biāo)的具體數(shù)據(jù)信息得以被全面獲取。在對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)的顏色、形狀、尺度、亮度等多種基本信息進(jìn)行信號(hào)采集，使其成為一種數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)運(yùn)算，以此對(duì)目標(biāo)中的這些基本信息進(jìn)行獲取。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)說(shuō)，其屬于一種綜合性的技術(shù)，在該技術(shù)中涉及到了光學(xué)成像技術(shù)、圖像增強(qiáng)技術(shù)、圖像信息處理技術(shù)以及模擬數(shù)字技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)而使機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中取得最佳效果。

以客觀角度來(lái)看，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中。需要應(yīng)用到大量的模塊，這些模塊有著不同的功能，例如有些模塊能夠?qū)D像進(jìn)行捕捉，有些模塊能夠?qū)D像進(jìn)行數(shù)字化處理，還有一些模塊負(fù)責(zé)智能化判斷以及機(jī)械控制執(zhí)行等。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其能夠?qū)崿F(xiàn)柔性化生產(chǎn)，進(jìn)而使生產(chǎn)活動(dòng)具備較高的自動(dòng)化程度。對(duì)于一些生產(chǎn)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，僅僅依靠人工視覺(jué)是無(wú)法滿足其生產(chǎn)要求的，此時(shí)便要通過(guò)機(jī)器視覺(jué)來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的人工視覺(jué)進(jìn)行代替，或是在產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)中，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)的人工視覺(jué)在進(jìn)行檢查時(shí)存在的精準(zhǔn)度不足、效率不高等不足。當(dāng)然，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，能夠有助于對(duì)目標(biāo)信息的采集，進(jìn)而使生產(chǎn)活動(dòng)的產(chǎn)業(yè)要求得到有效滿足。在本文中，對(duì)茶葉產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)采摘時(shí)，需要確保茶葉在采摘過(guò)程中保證茶葉產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，利用機(jī)器視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉的鏡頭采摘FOV（Field ofVision）是非常重要的，在此過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)器視覺(jué)的焦距進(jìn)行合理控制，確保對(duì)視覺(jué)信息采集的工作距離進(jìn)行嚴(yán)格把控，這樣才能使拍攝效果達(dá)到最佳。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)便是圖像采集，因此，確保采集活動(dòng)的可靠性，能夠?qū)D像的模擬效果及其采集色彩、數(shù)字信息采集等產(chǎn)生決定性的影響。在對(duì)茶葉進(jìn)行自動(dòng)化采摘過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)來(lái)對(duì)茶葉產(chǎn)品的圖像進(jìn)行信息采集時(shí)，其采集內(nèi)容并不僅僅包括圖像信息，并且整體測(cè)量、信息顏色以及數(shù)量等都有著不同的差異。因此，對(duì)于茶葉產(chǎn)品而言，在對(duì)茶葉進(jìn)行采摘時(shí)是無(wú)法鑒定其雜質(zhì)形狀的。當(dāng)然，在對(duì)茶葉進(jìn)行自動(dòng)化采集過(guò)程中極易因快速運(yùn)動(dòng)而使得茶葉產(chǎn)品的光線出現(xiàn)反射現(xiàn)象，進(jìn)而使噪聲減小，這樣便可使信息數(shù)據(jù)得以被實(shí)時(shí)采集。實(shí)際上，由于外界環(huán)境諸多因素的影響，在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)圖像的處理必須要重視其采集系統(tǒng)化算法，利用機(jī)器視覺(jué)，來(lái)提取被檢測(cè)對(duì)象所具有的雜志特征，依據(jù)其具體模式來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，進(jìn)而使分析效果達(dá)到最佳。在對(duì)茶葉產(chǎn)品的圖像進(jìn)行識(shí)別過(guò)程中，以及在對(duì)茶葉產(chǎn)品信息進(jìn)行篩選以后，還要根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)有效管理這些信息內(nèi)容，以此確保茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)達(dá)到最為理想的應(yīng)用效果。

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)

一直以來(lái)，在通過(guò)傳統(tǒng)人工視覺(jué)對(duì)茶葉進(jìn)行采摘與生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)常存在茶葉采摘質(zhì)量較差、采摘效率不高等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化采集，提高茶葉采摘質(zhì)量及效率，就有必要將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于其中，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)化采摘。為此，需要以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為核心來(lái)對(duì)茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在基于機(jī)器視覺(jué)的茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)中，需要應(yīng)用相機(jī)來(lái)對(duì)茶葉產(chǎn)品的圖像進(jìn)行采集，然后將這些采集的茶葉產(chǎn)品圖像信息實(shí)時(shí)發(fā)送至自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)的中央處理單元之中，由系統(tǒng)中央處理單元根據(jù)其預(yù)先設(shè)定的茶葉圖像處理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)信息處理。在此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合BLB（Blob Analysis）進(jìn)行分析，然后實(shí)施二值化（Binary Thresholding）處理，這樣在獲取的圖像中，便可將茶葉的產(chǎn)品信息從BLB中提取出來(lái)，進(jìn)而使茶葉的采摘位置信息得以被系統(tǒng)進(jìn)行精確的定位，然后系統(tǒng)會(huì)下達(dá)控制命令來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化茶葉采摘機(jī)械手進(jìn)行工作，使機(jī)械手能夠進(jìn)行一系列的角度旋轉(zhuǎn)，從而確保機(jī)械手能夠伸向指定的裝配位置，這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)化采集。

依據(jù)茶葉產(chǎn)品自動(dòng)化采摘實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，對(duì)于茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)而言，其具有極高的茶葉產(chǎn)品采摘精準(zhǔn)度，這使其能夠取得非常理想的茶葉采摘效果，進(jìn)而滿足我國(guó)茶葉產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)要求。茶葉作為人們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常飲用的一種產(chǎn)品，其自身具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)階段，隨著茶葉產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。人們也愈發(fā)重視對(duì)產(chǎn)業(yè)中的不同茶葉產(chǎn)品實(shí)施精準(zhǔn)分類，通過(guò)一系列的深加工，以使機(jī)器視覺(jué)技術(shù)充分發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而使茶葉產(chǎn)品形成完善、健全的等級(jí)分級(jí)和識(shí)別機(jī)制。在現(xiàn)代化社會(huì)中，我國(guó)需要大力應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)，這將進(jìn)一步加快我國(guó)茶葉產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，因此，對(duì)茶葉產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)分類，實(shí)現(xiàn)茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)檢測(cè)，是非常重要的。在對(duì)茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行分級(jí)過(guò)程中，視覺(jué)便成為實(shí)現(xiàn)其品質(zhì)分級(jí)的重要依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，而制定一個(gè)完善的顏色辨別機(jī)制，是確保茶葉產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分級(jí)的核心所在。現(xiàn)階段，人們已經(jīng)普遍采用his顏色系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在自然狀態(tài)下有效分析與檢測(cè)茶葉色澤，進(jìn)而使茶葉實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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)

通過(guò)對(duì)我國(guó)在茶葉產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行結(jié)合分析，可以了解到茶葉產(chǎn)品的色澤、口感及質(zhì)量是評(píng)價(jià)其產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)，只有側(cè)重于這些指標(biāo)的評(píng)價(jià)，才能使茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)得以不斷提升，這對(duì)于促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要影響。所以茶葉企業(yè)需要確保能夠?qū)ΜF(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行充分運(yùn)用，使現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，以此在確保茶葉產(chǎn)品采摘效率不斷提升的同時(shí)，使茶葉產(chǎn)品能夠形成規(guī)模化采摘。在對(duì)茶葉進(jìn)行采摘時(shí)，還需要防止可能出現(xiàn)的盲目性，并且還要盡可能的避免出現(xiàn)無(wú)篩選的采摘活動(dòng)，特別是對(duì)許多規(guī)模較大的茶葉產(chǎn)業(yè)園來(lái)說(shuō)，其茶葉采摘工作量是非常大的，如果茶葉采摘過(guò)于盲目或不經(jīng)篩選，勢(shì)必會(huì)對(duì)茶葉的采摘質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。所以，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在茶葉自動(dòng)化采摘中需要發(fā)揮其應(yīng)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以便于科學(xué)設(shè)計(jì)茶葉自動(dòng)化采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)茶葉產(chǎn)業(yè)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。對(duì)于茶葉產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，其在科學(xué)技術(shù)的帶動(dòng)下，其產(chǎn)業(yè)成熟度必將不斷提升，而這也將成為該產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展中必然提出的重要核心訴求。在對(duì)茶葉進(jìn)行實(shí)際采摘過(guò)程中，茶葉產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘，還可以對(duì)蘋(píng)果，棉花等其他農(nóng)產(chǎn)品在自動(dòng)采集中所積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行直接借鑒。在茶葉產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)化采摘往往需要消耗大量的時(shí)間，要想使茶葉產(chǎn)業(yè)的茶品品產(chǎn)品品質(zhì)得到全面提升，使其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得以快速升級(jí)轉(zhuǎn)型，就必須要對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分發(fā)揮，使自動(dòng)化技術(shù)能夠被有效應(yīng)用于茶葉產(chǎn)業(yè)中。在對(duì)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)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)勢(shì)得到全面發(fā)揮，使茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手能夠?qū)Σ枞~的所在位置進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)與尋找，進(jìn)而確保機(jī)械手在系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)茶葉所在位置，并利用機(jī)械手來(lái)進(jìn)行采摘，從而使茶葉產(chǎn)品真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘。

在基于機(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)中，需要應(yīng)用到visulstudio軟件，該軟件是實(shí)現(xiàn)茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手自動(dòng)化控制功能的重要基礎(chǔ)性軟件。在通過(guò)visulstudio軟件來(lái)控制茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化采摘時(shí)，需要對(duì)該軟件的控制程序進(jìn)行合理的編寫(xiě)，在此過(guò)程中，就需要采用c加加語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)程序編寫(xiě)。在基于機(jī)器視覺(jué)的茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)中，通過(guò)控制系統(tǒng)與立體視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉所在位置的準(zhǔn)確定位，特別是系統(tǒng)還能將茶葉相關(guān)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至中央處理部分，以確保中央處理部分能夠下達(dá)控制指令，以此驅(qū)動(dòng)機(jī)械手到達(dá)指定位置，進(jìn)而滿足茶葉的自動(dòng)化采摘要求。在此過(guò)程中，茶葉自動(dòng)采摘機(jī)械手還要應(yīng)用行星匹配方法，該方法能夠?qū)Σ枞~信息的采集距離進(jìn)行合理調(diào)整，進(jìn)而在確保技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的精確定位。在基于機(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)中，其能否對(duì)茶葉進(jìn)行采集，關(guān)鍵取決于立體視覺(jué)系統(tǒng)以及定位圖像處理算法。在應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)，茶葉產(chǎn)業(yè)圖像在處理過(guò)程中，還需要應(yīng)用cany邊緣檢測(cè)算法，該算法能夠?qū)Σ枞~的邊界圖像進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，從而確保機(jī)械手在自動(dòng)采摘過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)偏差，這樣也能有效保障茶葉的采摘質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境日益激烈化的背景下，茶葉企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中，仍舊有許多挑戰(zhàn)需要面對(duì)。而這就需要茶葉企業(yè)能夠以大眾訴求和時(shí)代訴求為發(fā)展指導(dǎo)，充分運(yùn)用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，并將科學(xué)技術(shù)作為茶葉企業(yè)得以不斷發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力量，從而確保機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)茶葉自動(dòng)化采摘方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的智能化識(shí)別，并以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為核心通過(guò)茶葉自動(dòng)化采摘機(jī)械手裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品的自動(dòng)化采摘，在提高茶葉采摘效率及品質(zhì)的同時(shí)，從源頭上保障茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)，進(jìn)而全面推動(dòng)我國(guó)茶葉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使茶葉產(chǎn)業(yè)能夠在高新技術(shù)的有力支持下實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。