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水果分级系统的自动化摘要：分级机器人系统，是自动检测水果从容器和检验所有方面的开发成果。这个机器人系统由两个水果提供机器人和一个分级机器人组成。两个机器人都有3个自由度直角坐标机械手和12个吸垫作为输送水果的末端效应器。分级机器人有12个彩色电视摄像机和28个照明设备作为机器视觉系统。分级机器人的机械手在线输送被吸住的12个水果的同时获得了所有水果的12个底部图像。在释放水果到容器前，每个水果的4个方向的图像时通过吸垫旋转270°获得的。机械手的行程约1.2米，花了约4.3秒回到初始位置，意味着该机器人可以每分钟分级三次。此种分级机器人有如下作用：（1）劳动替代（2）达到排除人类的主观判断来分级的目的（3）对水果分级数据的累积和追溯以及有利于农业生产指导。关键词：机器视觉水果分级可追溯化信息化背景介绍分级系统已经被引入到了橘子、苹果、桃、梨、番茄、茄子、芦笋、韭菜等其他水果和蔬菜的当地生产区的农业合作化设施。在合作的设施中，进行着水果的接收、预处理、分级、包装、储存和运输业务。近年来，机器人技术和机电一体化技术已被开发，而机器视觉和近红外技术也已创新［1］。目前已经有许多关于分级系统和检测系统［2-5］以及一些其他新技术的报告，并且已有很多技术被引入到了农业合作系统中。用于航运产品的码垛机器人在早期（约10年前）已经使用，利用吸盘采摘水果并将他按顺序放在纸盒里的圆形水果包装机器人也在许多设施中运用过。即使这样，仍然很难检测水果的四周，因为水果的底部被隐藏了。据报道，桔子分选机有6台摄像机用来检测水果的底面和四周，用滚轮销输送机构使桔子翻转［6］。这种机器可以用来处理像桔子水果、猕猴桃、土豆这一类表面较硬的果蔬，而不适合桃子、梨子和苹果。为了检查各方面都很精致的水果，有必要像人力操作那样柔软的采摘水果。在本文中，一个分级机器人系统可用吸垫一次吸12个水果，可以通过12台电视摄像机的描述检查水果的所有面。材料和方法在本文中，圆形的落叶水果，桃子、梨子、苹果都是机器人要分级的物体。他们常常从在日本北部地区Jas的生产者（日本农业公司人员）手中得到。水果的名称是桃、梨、苹果。这些水果有不同的颜色、纹理、形状，如图1。在JA,—天收到水果最大量为100t,如果假设一个果重350g，分级系统一天工作8小时，意味着每小时要处理35714个果实。通常水果一天要分为几个等级。装置和方法分级系统的概述

在JA,—个机器人系统的操作流程工作如下：在一楼接收产品后，四块的容器（每块10容器）放在一个托盘上。一块容器提升到二楼，一块容器分离器用输送机逐一传送到条形码阅读器。从生产商通过条形码连接到一个容器中获取信息，容器被送到水果提供机器人。水果提供机器人用吸盘从两个容器中吸10到12个水果并将它们传送到一个中间阶段。吸入水果的数量取决于果实的大小和水果提供机器人调整的水果之间的间隙。分级机器人挑选水果的中间阶段，底部和侧面的水果图像是由电视摄像机在转移载体输送线中采集（VGA，随机触发），而果实顶部图像是在输送线后获得。外观检查后，还有内部条件和糖含量需要由近红外（NIR）测量传感器（三井矿业冶炼公司）检测。根据检查的结果，果实被排成很多排，然后由包装机器人装到瓦楞纸板箱。用喷墨打印机将水果的等级、尺寸和品种名称印在密封的盒子上面。最后，箱子被转移到一个调色板并上市出售。由〕〔叮t11由〕〔叮t11Fwi臥亦「niKH;■"■Akalsukrb <■凡闯谅“F曲kctTi j"YutrtuiFujrk飞unFqi厂由況用址律u汙e^NijLUnSL-ilkr'rull-*ch^u-TMJg：iru，nguSti£i-TsLJEaru水果提供和分级机器人水果提供机器人和分级机器人在一起工作。图2显示了水果提供机器人（Si精工有限公司制造）将水果填充容器。水果提供机器人由两套3自由度直角坐标机械手（X,Y，和Z轴）和6个吸垫连接到每个机械手末端，一个机械手有6臂长。虽然分级机器人也是3自由度直角坐标机械手（Si精工有限公司制造的），它有12个手臂长，但没有Y轴X轴和Z轴旋转关节和腕。一个容器可以通过更换海绵的孔的尺寸和数量的不同保持695,694或593个水果。Fig.2FruitprovidingrobotGradingrobotPusherContainerJi,, .,y 11 TV*cameti.PusherCamerFruitproddingnoboi图3显示了两个机器人共同工作。装满水果的容器由水果提供机器人通过推手推到工作区。水果提供机器人吸住6个果实并将它们转移到中间阶段。两个水果提

供机器人可以独立工作，提供12或10个水果到中间阶段。分级机器人用吸垫将他们吸起来，然后移送到输送线的载体。底部的水果图像在分级机器人移动经过12台彩色电视摄像机获得，而水果4面的图像通过旋转水果270°获得。摄像机在分级机器人运动（5）获得副图像后可以拒绝Fig.2FruitprovidingrobotGradingrobotPusherContainerJi,, .,y 11 TV*cameti.PusherCamerFruitproddingnoboi这种分级机器人的最大速度是1米/秒，行程约1.2米。用6吸垫的水果机器人它需要2.7秒转移12个果实的载体，0.4秒从初始位置向下移动，1秒返回释放水果，0.15秒的等待，来回移动行程的总时间为4.25s。假设695和694的水果容器占80%， 593水果容器占20%，后续计算如下：12个/4.25秒*3600秒*0.8=8131个/小时10个/4.25秒*3600秒*0.2=1694个/小时因为总的9825个水果是可以由机器人处理，4台机器人设备一天可以处理超过100T（35714水果/小时）。在这个系统中，4台1.4千瓦，3400转，3800mmaq真空压力机器，有1.3立方米/分钟的位移是用于两个提供机器人和分级机器人，30kPa真空力是适用于抽吸桃果实的，而45kPa是梨和6吸垫使用苹果机。即使经过吸三次桃果实后仍然没有观察到在分级包装时有损坏。图4显示了一个吸盘和载波输送线。载体含有RFID（256字节ee-prom），每个水果、如颜色、形状、尺寸和缺陷分级信息，编写图像处理后通过天线。输送线以30米/分的速度移载体［7］。机器视觉系统使用具有659（H）*9494（V）像素、50*46。视觉角度、可变快门速度和随机触发模式十二逐行VGA型彩色电视摄像机作为分级机器人的机器视觉系统（图4）。将三台相机连接到PC,由于每个生产线需要12台相机，每一个机器使用4台电脑，如图5所示。水果底部和侧面图像由PC-A到PC-D获得，而顶部的图像是由PC-E获得。图像处理结果发送到PC-J用来对水果分级进行判断。图像采集卡转换成RGB模拟信号，数字信号传输图像数据存储器的PC通过PCI总线是用于每个摄像机。图6显示了一个为机器视觉系统服务的由Si精工有限公司制造的照明装置。它由一个偏振滤光器(PL滤波器)，两个吸热器，卤素灯，和风扇组成。与具有反射壁的圆顶系统相比，图像在这种无光晕和无反射照明装置环境下更好，因为PL滤波器代替了扩压器和反射器。该照明装置发展的关键技术是发光器保护。在60摄氏度时PL过滤器开始融化，用两个热吸收过滤器在卤素灯及压缩机冷空气出口处保护PL过滤热。一个38。辐射角，3200K色温，12V，50W的卤素灯，4000小时的生活就是建立在该装置上，水果被4个照明装置均匀辐射［8］。机器视觉系统软件用HSI转换方法把每个像素的红、绿、蓝三个灰色等级转换为彩色，这样人们会更容易看懂。此处，H、S、I分别代表了色度、色饱和度和亮度，H、S和I最初有256个等级，但之后又变成了25个等级和16种水果颜色，而六种瘀伤颜色和两种背景颜色(白色和黑色)被分配给了每套HSI。该颜色转换适用于所有图像。除了那些颜色特征，下表面的红色区域也要进行测量，因为被太阳晒伤的水果等级会低一点。尺寸的测量方法虽然有很多，但在本系统中，方程(1)中的海伍德直径、最大长度、宽度和费雷特直径会被用来测量水果的大小。TOC\o"1-5"\h\zH=2(S/n” (1)其中S表示图片上水果的面积。为了评定出水果的形状，圆度R、复杂性C、变形度D的计算如方程(2)到(4)所示。R=2(S/n)%/P (2)C=P2/(4nS) (3)D=Z(Pi-m)2/nS (4)p其中P、Pi、mp和n分别表示水果的周长、重心到边界的距离、Pi的平均值和边界像素的数量。瘀伤、病毒和昆虫伤害的种类有很多种。即使是同一种病毒，它们有时也不一样。

在这个系统中，水果按照其表面瘀伤的颜色被分为三类：严重损伤、中度损伤和轻微受损。C-olorLIL2L3L4LS135-175>1751301600-160>=I90Hut(To0)<135<135<13Qany<175<175<l£0<140>=190Reddr&hartaCBottom；<58l<63<eaj<80>-B0SalunlwxiCWhule)<268<270<272<2805=280LIL2lSLALSRoundhcgStTop&Bat)<110<H5<E20>-12QX120CompilexrhvTap&Ent；<I201<lao<[57157 157DefarmaUvitvtSide)BrLiiE?.<130<180<320>=320>=320L1：L2LSLaL5Seriousirribry；TopS<20<50>=50250ScrioLisirwr/'Bottam'<6<30<70>=70>-70Medu?nrruury(Top)＜苗<100>=100、二IOTMt;Jutrtcrijury1Sctturri<15<no>=130>-130SlightinjuryT加,<15<40<110xno片110Sil丽IifljuryOoltorn<30|<leo>=160>=180Inlik1CriteriafiwIruituppciiranccgrade判断方法Inlik1CriteriafiwIruituppciiranccgrade表1作为一个样本显示了2002年9月24日Nansui水果外观档次的标准。一等到五等所表示的等级一等是最高等级而五等是最低的等级（第五等级的水果不能作为产品被运送出去）。至于颜色，整个水果的色调介于135到175之间、上半部分的色调高于135而下半部分低于175、略红区域低于58的，且其色饱和度低于268的水果被单独分类出来作为一等品。此外，一等水果也符合下列要求：圆度、复杂性和变形度分别低于110、120和130。再者，水果上半部分和下半部分的严重损伤、中度损伤和轻微受损面积分别要低于4mm2、6mm2、12mm2、15mm2和15mm2。就算是其中的一个特征不满足这些个标准，水果的等级也会降低。同理，从图片上提取出来的水果特征若不符合一等水果的要求，那这些水果就会被分为其它等级。用户使用在颜色、色调、饱和度值和红色的区域作为标准，因为SI比RGB更容易理解，而且这种梨在颜色和形状上有着特殊性。在这种机器人被引进之前，人们给水果分等级不仅仅是根据它上半部分、下半部分或者整个水果的颜色，还根据水果下半部分的红色区域。用户根据表1决定判断项目，以便于分级机器人可以像人类那样工作。这些标准值的设定随着季节和品种的不同而改变。比如说，桃子只需要红色区域和色调（整个水果），梨子需要表一中的三个颜色项，而圣富士苹果需要添加绿色区域这一标准。结果分级机器人的性能2002年11月，这个机器系统加工富士苹果时，在一个小时内加工了&500个水果。这些数字意味着85%的完整规范的分级机器人了。而为什么加工数量达不到完整规范呢？那是因为机器需要一直等，直到同一等级和大小的水果过多并超出一个特定的行容量，而且那些只有短期经验的操作员会让机器停下来因为这是他们工作的第一年。如

果生产线的分配是基于生产量、每个果实大小考虑，那么问题可以被解决，他们可以充分利用计算机系统。吸垫在任何季节都可以把水果吸起来，其成功率有99.8%到99.9%。失败案例通常发生在处理果柄过长（长于15mm）或极斜形水果（多于15°）的时候（图7）。机器视觉图图8展示了已获得的图像、颜色转换图像和一个加工过的梨果实的图像。从这些图片中可以看出，不同角度的图像都可以正确获取，并且黄色和蓝色分别代表了健康的表皮和黑色的斑点。根据颜色转换图像，水果的缺陷部分就可以在处理过的图像中被提取出来了。水果形状特征的计算采用式2到4。图像顶部和底部荡漾的边界线进行检测，测量结果如下：最大、最小和平均直径分别是84.6mm、81.5mm和83.4mm。其顶部、底部、侧顶部和侧底部的色调分别是150、158、155和156。下半部分的红色区域是25%，色饱和度是209，顶部和底部的圆度以及复杂性分别是104、116和105、112。变形侧（1），（2），（3），和（4）分别为28，22，26，和43。町JF'iu..K iiarv^l町JF'iu..K iiarv^liuikj甘uhr笛口inLai|iro..Jind ini2f(KiOL5OO2f(KiOL5OOLDOO500PrndncerNn1ig.9Gradingresultsol'NansuipearonScplt：mber2屯2(M)2黑斑被归类为中度受伤，同样的，果柄部分也表示为中度受伤和轻微受损颜色。但是根据水果大小和产地的不同，果柄部分与擦伤和病毒又是不一样的。由过滤步骤检测水果瘀伤的结果被加入到了HSI颜色转换的结果之中，从这6张处理过的图片中可以看到，中度受伤和轻微受损的总面积分别为57mm2（上半部分26mm2,下半部分31mm2）和107mm2（上半部分50mm2,下半部分mm2）。根据表一的标准，尽管水果表面的颜色检测结果达到了一等品的要求，其圆度却指向了三等品，正如我们可以观察到的那样：水果边界是呈波动状的。而其上、下顶部中度受伤和上顶部轻微受损的面积指向三等品，那么，这个水果的等级最终被归为三等品。因为在分级结果中取用的是所有项目中最低的等级。图