專利名稱：基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)中的自動(dòng)化移栽系統(tǒng)，特別是涉及一種基于機(jī)器視覺 的幼苗移栽系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
設(shè)施農(nóng)業(yè)使得作物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境條件的依賴性大為降低，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)在我 國(guó)的快速發(fā)展，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積不斷擴(kuò)大，種植品種日益增多，因此， 對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)中機(jī)械化、自動(dòng)化的需求，無(wú)論從數(shù)量、質(zhì)量上都有了更新的要求。 由于設(shè)施內(nèi)高溫、高濕的不良勞動(dòng)環(huán)境，加之移栽作業(yè)的高強(qiáng)度和重復(fù)性，所 以開發(fā)自動(dòng)移栽設(shè)備可以大大改善作業(yè)者的勞動(dòng)條件，同時(shí)也可提高作業(yè)效率。
為了實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)的自動(dòng)化，國(guó)外學(xué)者做了相關(guān)的研究
早期研制的移栽機(jī)都是基于工業(yè)機(jī)器人，利用工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體和控 制器，安裝不同的末端執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)。如1987年，Kutz等人研究了基 于Puma 560移栽機(jī)器人的可行性。1992年，K.C.Ting等人基于ADEPT-SCARA 四自由度工業(yè)機(jī)器人研制的移栽機(jī)的問世。1999年，Ryu等人設(shè)計(jì)了一套專用 的機(jī)電設(shè)備，研制了移栽機(jī)器人。
用機(jī)器視覺技術(shù)代替人眼進(jìn)行移栽作業(yè)具有不可言喻的優(yōu)越性。首先它能 排除人的主觀因素的干擾，避免因人而異的判斷結(jié)果；另外能完成較為定量， 客觀的計(jì)算工作，不僅可提高精度，也可將人叢繁重的勞動(dòng)中解放出來。近年 來，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到穴盤種植的移栽作業(yè) 中。國(guó)外雖已有根據(jù)幼苗葉片面積大小進(jìn)行判斷是否為空穴的移栽設(shè)備，但是 判斷的準(zhǔn)確率還有待提高，而且沒有綜合幼苗的葉片數(shù)目，生長(zhǎng)面積、周長(zhǎng)等 綜合因素判斷其是否適合移栽。而且抓取手指是固定的，適用的移栽作物少， 適用的穴盤規(guī)格也是固定的，適用性不高。而在國(guó)內(nèi)，類似的自動(dòng)移栽設(shè)備至 今還是空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于視覺的自動(dòng)移栽系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)穴盤自動(dòng) 傳輸，呈現(xiàn)于機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)，使機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)能準(zhǔn)確有效、 全面的獲取被檢測(cè)對(duì)象的特征信息，同時(shí)完成幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)葉片總面積的檢 測(cè)，分析判斷出適合移栽的幼苗，并記錄幼苗的位置信息，通過計(jì)算機(jī)和PLC
之間的通訊，控制抓取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)幼苗移栽。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，包括幼苗輸送部件、機(jī)器視覺識(shí)別部件、 控制部和移栽部件，其中
1) 幼苗輸送部件包括檢測(cè)輸送裝置、移栽輸送裝置和出苗輸送裝置；檢 測(cè)輸送裝置位于光照箱的正下方，第一個(gè)移栽穴盤位于檢測(cè)輸送裝置的第一平
皮帶上；移栽輸送裝置的第二個(gè)移栽穴盤位于第二平皮帶上；出苗輸送裝置的 目標(biāo)穴盤位于第三平皮帶上；檢測(cè)輸送裝置和移栽輸送裝置位于同一直線上， 出苗輸送裝置位于移栽輸送裝置的一側(cè)，兩個(gè)位置傳感器分別安裝在檢測(cè)輸送 裝置和移栽輸送裝置上，第一位置傳感器與計(jì)算機(jī)中的圖像采集卡PLC控制器 相連，第二位置傳感器與PLC控制器連接。
2) 機(jī)器視覺識(shí)別部件包括攝像頭、光照箱、計(jì)算機(jī)和位于計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖 像采集卡，攝像頭安裝在光照箱內(nèi)，與計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡相連。
3) 控制部件PLC控制器通過RS-232串行通信口分別與計(jì)算機(jī)，末端執(zhí) 行器的電磁閥和換向閥，三自由度機(jī)械臂的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)連接，PLC控制器還 分別與三個(gè)電機(jī)連接。
4) 移栽部件包括三自由度機(jī)械臂和末端執(zhí)行器；三自由度機(jī)械臂包括橫 向臂、縱向臂和垂直臂，并分別與三個(gè)步進(jìn)電機(jī)連接，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)與PLC控 制器連接，末端執(zhí)行器通過安裝板安裝在三自由度機(jī)械臂的垂直臂上，末端執(zhí) 行器由兩個(gè)鏟式手指、兩個(gè)直線汽缸、調(diào)整支架、電磁閥、換向閥和氣動(dòng)管路 組成，兩個(gè)鏟式手指前端為鏟形，后端通過螺紋與各自直線汽缸固接，調(diào)整支 架與兩個(gè)直線汽缸的缸身連接，并套在安裝板上，兩個(gè)直線汽缸的進(jìn)、出氣口 與氣動(dòng)管路連接，電磁閥和換向閥安裝在氣動(dòng)管路上，并與PLC控制器連接。
所述的檢測(cè)輸送裝置第一個(gè)輸送帶輪與第一電機(jī)連接，第一、二個(gè)輸送 帶輪間用第一條平皮帶連接，第一個(gè)移栽穴盤位于第一平皮帶上。
所述的移栽輸送裝置第三個(gè)輸送帶輪與第二電機(jī)連接，第三、四個(gè)輸送 帶輪間用第二條平皮帶連接，第二個(gè)移栽穴盤位于第二平皮帶上。
所述的出苗輸送裝置第五個(gè)輸送帶輪與第二電機(jī)連接，第五、六個(gè)輸送 帶輪間用第三條平皮帶連接，目標(biāo)穴盤位于第三平皮帶上。
本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明可有效地獲取移栽穴盤幼苗的圖像信息，并經(jīng)過分析處理，快速完成 對(duì)幼苗的葉片面積生長(zhǎng)指標(biāo)的檢測(cè)，通過軟件綜合分析，判斷出適合移栽的幼苗，并做出定位，最后控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)幼苗的自動(dòng)化移栽。應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)后，
可以提高我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中移栽作業(yè)的自動(dòng)化水平。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的幼苗輸送部件的俯視圖。
圖3是圖1的A向示意圖。
圖4是本發(fā)明的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的末端執(zhí)行器鏟式手指的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1、幼苗輸送部件，2、機(jī)器視覺識(shí)別部件，3、控制部件，4、移栽 部件，5、檢測(cè)輸送裝置，6、移栽輸送裝置，7、出苗輸送裝置，8、攝像頭，9、 光照箱，10、位置傳感器，11、位置傳感器，12、計(jì)算機(jī)，13、 PLC控制器， 14、移栽穴盤，15、移栽穴盤，16、目的穴盤，17、末端執(zhí)行器，18、電磁閥， 19、換向閥，20、三自由度機(jī)械臂21、步進(jìn)電機(jī)，22、縱向臂，23、步進(jìn)電機(jī)， 24、橫向臂，25、步進(jìn)電機(jī)，26、垂直臂，27、安裝板，28、鏟式手指，29、 鏟式手指，30、直線汽缸，31、直線汽缸，32、調(diào)整支架，33、氣動(dòng)管路，501、 平皮帶，601、平皮帶，701、平皮帶，502、輸送帶輪，602、輸送帶輪，702、 輸送帶輪，503、電機(jī)，603、電機(jī)，703、電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由幼苗輸送部件l、機(jī)器視覺識(shí)別部件2、控制部件3 和移栽部件4組成。
如圖2所示，幼苗輸送部件1:包括檢測(cè)輸送裝置5、移栽輸送裝置6和出 苗輸送裝置7;檢測(cè)輸送裝置5位于光照箱9的正下方，第一個(gè)移栽穴盤14位 于檢測(cè)輸送裝置5的第一平皮帶501上；移栽輸送裝置6的第二個(gè)移栽穴盤15 位于第二平皮帶601上；出苗輸送裝置7的目標(biāo)穴盤14位于第三平皮帶701上； 檢測(cè)輸送裝置5和移栽輸送裝置6位于同一直線上，出苗輸送裝置7位于移栽 輸送裝置6的一側(cè)，兩個(gè)位置傳感器IO、 11分別安裝在檢測(cè)輸送裝置5和移栽 輸送裝置6上，第一位置傳感器10與計(jì)算機(jī)12中的圖像采集卡PLC控制器13 相連，第二位置傳感器11與PLC控制器13連接。
如圖1所示，機(jī)器視覺識(shí)別部件2包括攝像頭8、光照箱9、計(jì)算機(jī)12和 位于計(jì)算機(jī)12內(nèi)的圖像采集卡，攝像頭8安裝在光照箱9內(nèi)，與計(jì)算機(jī)12內(nèi) 的圖像采集卡相連。
如圖1、圖2所示，控制部件3: PLC控制器13通過RS-232串行通信口 分別與計(jì)算機(jī)12，末端執(zhí)行器17的電磁閥18和換向閥19，三自由度機(jī)械臂20 的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 23、 25連接，PLC控制器13還分別與三個(gè)電機(jī)503、 603、 703連接。
如圖l、圖4、圖5所示，移栽部件4:包括三自由度機(jī)械臂20和末端執(zhí)行 器17;三自由度機(jī)械臂20包括橫向臂24、縱向臂22和垂直臂26，并分別與三 個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 23、 25連接，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 23、 25與PLC控制器13連接， 末端執(zhí)行器17通過安裝板27安裝在三自由度機(jī)械臂20的垂直臂26上，末端 執(zhí)行器17由兩個(gè)鏟式手指28、 29、兩個(gè)直線汽缸30、 31、調(diào)整支架32、電磁 閥18、換向閥19和氣動(dòng)管路33組成，兩個(gè)鏟式手指28、 29前端為鏟形，后端 通過螺紋與各自直線汽缸30、 31固接，調(diào)整支架32與兩個(gè)直線汽缸30、 31的 缸身連接，并套在安裝板27上，兩個(gè)直線汽缸30、 31的進(jìn)、出氣口與氣動(dòng)管 路33連接，電磁閥18和換向閥19安裝在氣動(dòng)管路33上，并與PLC控制器13 連接。
如圖2所示，所述的檢測(cè)輸送裝置5:第一個(gè)輸送帶輪502與第一電機(jī)503 連接，第一、二個(gè)輸送帶輪502間用第一條平皮帶501連接，第一個(gè)移栽穴盤 14位于第一平皮帶501上。
如圖2所示，所述的移栽輸送裝置6:第三個(gè)輸送帶輪602與第二電機(jī)603 連接，第三、四個(gè)輸送帶輪602間用第二條平皮帶601連接，第二個(gè)移栽穴盤 15位于第二平皮帶601上。
如圖2所示，所述的出苗輸送裝置7:第五個(gè)輸送帶輪702與第二電機(jī)503
連接，第五、六個(gè)輸送帶輪702間用第三條平皮帶701連接，目標(biāo)穴盤14位于
第三平皮帶701上。
其具體工作過程如下
移栽穴盤14在檢測(cè)輸送裝置5上輸送時(shí)，當(dāng)位置傳感器10檢測(cè)到移栽穴 盤14輸送到檢測(cè)位置，由位置傳感器10發(fā)出信號(hào)給PLC控制器11，并由PLC 控制器11控制電機(jī)503停止，同時(shí)觸發(fā)位于計(jì)算機(jī)12內(nèi)的圖像采集卡，由光 照箱9提供合適的光照條件，通過攝像頭8采集移栽穴盤14的圖像信息，通過 計(jì)算機(jī)12內(nèi)的圖象處理軟件進(jìn)行圖象處理，獲取移栽穴盤14上幼苗的生長(zhǎng)狀 況信息和健康苗的位置信息，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)將移栽穴盤14的健康苗的位置信 息傳遞給PLC控制器ll。
位于移栽輸送裝置6上的移栽穴盤15已經(jīng)經(jīng)過機(jī)器視覺識(shí)別部件2進(jìn)行圖
像采集和處理并帶有健康苗的位置信息，當(dāng)移栽穴盤15到達(dá)移栽位置時(shí)，由位
置傳感器11發(fā)出信號(hào)給PLC控制器11，并由PLC控制器11控制電機(jī)603停止， 同時(shí)PLC控制器11根據(jù)移栽穴盤15的健康苗的位置信息，控制三自由度機(jī)械 臂20上的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 22、 23分別帶動(dòng)橫向臂24、縱向臂25和垂直臂 26運(yùn)動(dòng)，使安裝在垂直臂26上的末端執(zhí)行器17移動(dòng)到要移栽的移栽穴盤15上 的健康苗上方，PLC控制器11控制電磁閥18和換向閥19的工作狀態(tài)，接通氣 動(dòng)管路33的氣源，使兩個(gè)直線汽缸30、 31帶動(dòng)兩個(gè)鏟式手指28、 29向斜下方 運(yùn)動(dòng)并插入移栽穴盤15的幼苗缽體中，利用前斷是鏟形的兩個(gè)鏟式手指28、 29 夾持住要移栽的健康幼苗。
位于出苗輸送裝置7上的目的穴盤16放置在出苗輸送裝置7的固定位置上， 根據(jù)目的穴盤16的結(jié)構(gòu)形式，其空穴位置已經(jīng)在工作前輸入計(jì)算機(jī)12中，如 果目的穴盤16的結(jié)構(gòu)形式改變，也可將其空穴位置重新輸入計(jì)算機(jī)12中。計(jì) 算機(jī)根據(jù)移栽工作情況自動(dòng)記錄目的穴盤16中還未填充的空穴位置信息，因此 計(jì)算機(jī)12和PLC控制器11在移栽時(shí)已經(jīng)規(guī)劃好移栽穴盤15的健康幼苗缽體移 栽到目的穴盤16中的空穴位置。
當(dāng)兩個(gè)鏟式手指28、 29夾持住要移栽的健康幼苗后，PLC控制器11控制 三自由度機(jī)械臂20上的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 22、 23分別帶動(dòng)橫向臂24、縱向臂 25和垂直臂26運(yùn)動(dòng)，使安裝在垂直臂26上的末端執(zhí)行器17移動(dòng)到要移栽的目 的穴盤16的空穴中，PLC控制器11控制換向閥19換向，改變兩個(gè)直線汽缸30、 31中壓縮空氣的方向，使兩個(gè)鏟式手指28、 29迅速的脫離夾持住要健康幼苗缽 體，使健康幼苗缽體留在目的穴盤16的孔穴中，完成一次幼苗的移栽作業(yè)。同 時(shí)PLC控制器11控制三自由度機(jī)械臂20上的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)21、 22、 23分別帶 動(dòng)橫向臂24、縱向臂25和垂直臂26運(yùn)動(dòng)，使安裝在垂直臂26上的末端執(zhí)行器 n移動(dòng)到下一個(gè)要移栽的移栽穴盤15上的健康苗上方，繼續(xù)作業(yè)，直至移栽穴 盤15上的健康苗全部移栽完成。當(dāng)移栽完成后，PLC控制器11控制電機(jī)603 啟動(dòng)，將移栽完成的移栽穴盤15輸出，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)503，將新的移栽穴盤14 輸送到移栽輸送裝置6的移栽位置。
當(dāng)目的穴盤16的孔穴填滿后，PLC控制器11控制電機(jī)703啟動(dòng)，將移栽 完成的目的穴盤16輸出，并提示放置新的目的穴盤16到出苗輸送裝置7上。
末端執(zhí)行器17上的調(diào)整支架32可調(diào)整兩個(gè)直線汽缸30、 31的位置關(guān)系， 從而調(diào)整兩個(gè)鏟式手指28、 29間的角度，適應(yīng)對(duì)不同種類和大小的健康幼苗的 移栽作業(yè)。
圖5是本發(fā)明的末端執(zhí)行器鏟式手指28、 29的結(jié)構(gòu)示意圖，其形狀可以是 鏟形或針形，用于夾持健康苗，確保移栽作業(yè)巡禮完成。
圖6是本發(fā)明的控制模塊結(jié)構(gòu)框圖，描述了整個(gè)系統(tǒng)工作過程的控制過程。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，其特征在于包括幼苗輸送部件(1)、機(jī)器視覺識(shí)別部件(2)、控制部件(3)和移栽部件(4)，其中1)幼苗輸送部件(1)包括檢測(cè)輸送裝置(5)、移栽輸送裝置(6)和出苗輸送裝置(7)；檢測(cè)輸送裝置(5)位于光照箱(9)的正下方，第一個(gè)移栽穴盤(14)位于檢測(cè)輸送裝置(5)的第一平皮帶(501)上；移栽輸送裝置(6)的第二個(gè)移栽穴盤(15)位于第二平皮帶(601)上；出苗輸送裝置(7)的目標(biāo)穴盤(14)位于第三平皮帶(701)上；檢測(cè)輸送裝置(5)和移栽輸送裝置(6)位于同一直線上，出苗輸送裝置(7)位于移栽輸送裝置(6)的一側(cè)，兩個(gè)位置傳感器(10、11)分別安裝在檢測(cè)輸送裝置(5)和移栽輸送裝置(6)上，第一位置傳感器(10)與計(jì)算機(jī)(12)中的圖像采集卡PLC控制器(13)相連，第二位置傳感器(11)與PLC控制器(13)連接；2)機(jī)器視覺識(shí)別部件(2)包括攝像頭(8)、光照箱(9)、計(jì)算機(jī)(12)和位于計(jì)算機(jī)(12)內(nèi)的圖像采集卡，攝像頭(8)安裝在光照箱(9)內(nèi)，與計(jì)算機(jī)(12)內(nèi)的圖像采集卡相連；3)控制部件(3)PLC控制器(13)通過RS-232串行通信口分別與計(jì)算機(jī)(12)，末端執(zhí)行器(17)的電磁閥(18)和換向閥(19)，三自由度機(jī)械臂(20)的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)(21、23、25)連接，PLC控制器(13)還分別與三個(gè)電機(jī)(503、603、703)連接；4)移栽部件(4)包括三自由度機(jī)械臂(20)和末端執(zhí)行器(17)；三自由度機(jī)械臂(20)包括橫向臂(24)、縱向臂(22)和垂直臂(26)，并分別與三個(gè)步進(jìn)電機(jī)(21、23、25)連接，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)(21、23、25)與PLC控制器(13)連接，末端執(zhí)行器(17)通過安裝板(27)安裝在三自由度機(jī)械臂(20)的垂直臂(26)上，末端執(zhí)行器(17)由兩個(gè)鏟式手指(28、29)、兩個(gè)直線汽缸(30、31)、調(diào)整支架(32)、電磁閥(18)、換向閥(19)和氣動(dòng)管路(33)組成，兩個(gè)鏟式手指(28、29)前端為鏟形，后端通過螺紋與各自直線汽缸(30、31)固接，調(diào)整支架(32)與兩個(gè)直線汽缸(30、31)的缸身連接，并套在安裝板(27)上，兩個(gè)直線汽缸(30、31)的進(jìn)、出氣口與氣動(dòng)管路(33)連接，電磁閥(18)和換向閥(19)安裝在氣動(dòng)管路(33)上，并與PLC控制器(13)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，其特征在于所述的檢測(cè)輸送裝置(5):第一個(gè)輸送帶輪(502)與第一電機(jī)(503)連接， 第一、二個(gè)輸送帶輪(502)間用第一條平皮帶(501)連接，第一個(gè)移栽穴盤(14) 位于第一平皮帶(501)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，其特征在于-所述的移栽輸送裝置(6):第三個(gè)輸送帶輪(602)與第二電機(jī)(603)連接， 第三、四個(gè)輸送帶輪(602)間用第二條平皮帶(601)連接，第二個(gè)移栽穴盤(15) 位于第二平皮帶(601)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，其特征在于 所述的出苗輸送裝置(7):第五個(gè)輸送帶輪(702)與第二電機(jī)(503)連接， 第五、六個(gè)輸送帶輪(702)間用第三條平皮帶(701)連接，目標(biāo)穴盤(14) 位于第三平皮帶(701)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器視覺的幼苗移栽系統(tǒng)，由幼苗輸送、機(jī)器視覺識(shí)別、控制和移栽部件組成。幼苗輸送部件的傳輸帶可將苗盤傳送至移栽位置，并在完成移栽后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳送。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取彩色圖像，用于幼苗的大小，葉片數(shù)目等多項(xiàng)外觀生長(zhǎng)指標(biāo)的檢測(cè)，綜合判斷幼苗是否適合移栽，同時(shí)確定幼苗的位置信息，由計(jì)算機(jī)通過RS-232串行通信口將相關(guān)信息傳送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)的PLC將指令傳送給末端執(zhí)行器，通過控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幼苗的自動(dòng)移栽。末端執(zhí)行器采用直線氣缸驅(qū)動(dòng)的鏟式手指，通過調(diào)節(jié)手指的角度滿足不同大小穴盤幼苗的移栽需要。本發(fā)明采用視覺系統(tǒng)獲取幼苗的生長(zhǎng)及位置信息，并利用計(jì)算機(jī)及PLC的控制實(shí)現(xiàn)移栽。
文檔編號(hào)A01C11/02GK101180928SQ20071016039
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者燁 任, 應(yīng)義斌, 蔣煥煜 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)