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草莓自动装箱系统的研究
摘要：为了减少日本在草莓生产所使用的人工劳动力，我们开发了一种草莓自动包装系统，可以在可回收的托盘或单层托盘中有条不紊地包装水果。该系统包括供应单元和包装单元。每个单元都具有并行操作的机器视觉系统，操纵器和吸力手。供应单元负责在收获容器中随机地检测水果，将其捡起并轻轻地将其放置在输送机上。然后，包装单元将供应的水果的方向和位置定位在输送机上，根据其估计的重量对其进行分级，拾取并将其放入运输托盘中。生产区域的性能测试表明，自动包装系统的任务成功率为97.3％，每个果实的处理时间为7.3秒。然而，人工分级和机器视觉系统的匹配率在59.0%到85.2%之间随分级而变化，而果实重量的估计误差在-1.9g到 2.0g之间。我们还对各个单元进行了性能测试。供应单位水果受损率为4.1％，包装单位为2.7％。对包装后的水果进行了情形分析，结果表明，包装单元的结果与人工操作的结果有显著差异。应进一步研究，尤其是减少水果上的瘀伤和包装水果外表的均匀性。
关键词：草莓，包装，机器视觉，软处理。
采后分拣和包装操作的技术水平直接影响水果和蔬菜等农产品的市场价值。从质量的角度来看，之前的文献报道了各种水果和蔬菜自动化分类操作的广泛研究，包括对苹果的研究，新鲜市场西红柿和茄子。此外，还研究了桃子，梨和苹果等落叶果实的软处理技术，来检查果实的各个部分，以便进行更精确的分级。
2009年，日本草莓批发市场的价值约为19亿美元，与西红柿和黄瓜等主要蔬菜的规模相当。草莓的市场价格约为12美元/公斤，足以实现长期管理。然而，每0.1公顷草莓生产需要2,100工时劳动：是番茄或黄瓜生产所需的两倍，是全机械化水稻生产的60倍。草莓的分类和包装占劳动力成本的26％。除收获外，这也是草莓生产中的所谓“瓶颈”。农民通常在清晨开始采摘作业，然后果皮随着白天的炎热而变软。在对收获的水果进行预冷却后，农民开始分拣和包装任务。小心地手动放置草莓在两层塑料盒中，以保护它们在运输到市场时不受振动，并提供视觉吸引力。这种双层包装是日本最常用的类型。由于分类和包装在高峰收获季节持续到夜晚，因此需要大量的人工。为了保持水果的高品质并避免损害它们，农民和员工必须在寒冷的条件下工作数小时。
多年来一直致力于开展关于自主分选技术的许多研究，目的是为了减少草莓生产中的劳动力。已经提出了基于水果和自动分选系统的投影图像的几何特征的等级分类技术。最近，山田等人开发了一种草莓质量无损分析仪，应用于生产区的大型草莓包装中心。他们的分析仪实现了每秒三个水果的加工性能。他们报告说，包装速度为每小时26.2包，比手动实现的16至19包的传统速度有显著改善。然而，水果仍然必须手动供应到分拣仪器，并且包装仍然必须手工完成。由于即使是自动分拣系统仍然需要大量的手工劳动（每个分拣线20人），因此迫切需要降低劳动力成本。
已经对草莓的软处理技术进行了大量研究以防止瘀伤。例如，已开发出包装系统，其抓住草莓果实的花序梗以防止损坏。然而，日本市场上的大多数草莓都没有花梗，因为花梗可能会损坏运输容器中的其他水果。 日吉等开发了一种用于草莓的柔软处理夹子，它采用了形状记忆合金致动器，以 0.1到0.2N的弱力处理草莓果实。然而，当把水果放在运输托盘中时，如果没有足够的空间，手指可能会损坏其他水果。还研制出一种端部执行器，它在手指上携带一个水果而不握紧它。虽然只对水果施加很小的力，但是估计端部执行器可能无法以正确的方式将水果放置在运输托盘中，因为草莓果实的滚动方向往往是不可预测的。还开发了吸吮装置，它吸吮果实的花萼侧以防止损坏。它们都有一个带波纹管的吸盘，波纹管被推到花萼上进行密封。花萼不会被这个过程损坏，但花萼另一侧的果皮可能会受到推动运动的伤害。简而言之，尚未开发出可靠的处理草莓果实的技术。最近，已经使用抽吸装置为草莓开发了一种温和的处理技术。他们的技术如下：首先，使用机器视觉系统检测果实的方向和位置;接下来，吸盘靠近花萼侧面的目标果实并且在不推动或损坏果实的情况下吸取果实。他们的报告说，没有瘀伤的成功率超过95％。
另一方面，消费者，分销商和草莓加工商现在需要越来越多的运输方式，以求在市场上获得更好的质量和视觉吸引力。采用带有凹陷的软片的单层包装方法越来越受欢迎，因为它们可以减少运输过程中的损坏并保持水果的质量。此外，农民和加工商可以使用可回收的运输托盘来节省资金和保护环境。
在本文中，我们描述了一种基于林等人开发的温和处理技术的草莓自动包装系统，并评估了该系统。农民通常在收获期间将水果放入收获容器中，然后将其转移到预冷室。一旦低温使果皮难以处理，它们就开始分拣和包装任务。根据这些任务的顺序，我们的目标是实现自动化操作，例如从收获容器中取出水果，按尺寸分级，并有条理地包装它们。在我们构建了自动包装系统后，我们在草莓生产区域进行了性能测试。本文的目的是提出草莓自动包装系统，并从工作速度，任务成功率，运输托盘包装水果方式和分级准确性等方面分析自动系统的性能。
材料和方法
系统组件
自动包装系统由包装单元和供应单元组成（图1）。供应单元从收获容器中取出草莓， 然后将水果放在传送带上并运送到包装单元。 包装单元根据机器视觉系统对水果的大小进行分级，并确定每个水果的方向和位置。利用这些几何信息，装置将其拾取并有条不紊地将其放入装运托盘中。虽然这两个单元由一台PC控制，但每个单元独立运行。只有将水果从供应单元输送到包装单元的水果输送机，才会受到两个单元的运动状态的影响：当供应单元将水果放在输送单元上时，或当包装单元拾取输送的水果时，输送机停止。
目标明确的运输托盘
为了简化包装任务的自动化，选择了可回收托盘和单层托盘作为目标托盘。运输托盘的尺寸数据如表1所示。可回收托盘采用带孔的缓冲材料，水果垂直放置在其中。单层托盘也有凹处，其中水果水平放置，与托盘的长边成一定角度。
供应单位
组件
供应单元从收获容器（L 26 cmtimes;W 54 cmtimes;H 8 cm）随机取出水果，然后将其放在水果输送机上。该装置的示意图如图2所示。它包括机器视觉系统，吸气手，具有三个自由度的操纵器（3DOF），以及用于将水果供应到包装单元的水果输送机。光传感器安装在围绕水果放置点的传送带上方15mm的高度处，当光传感器检测到水果时，供应单元停止操作。当供应单元将水果放在输送机上时，光电传感器检测到它，并且机械手减速并停止。无论其大小或形状如何，吸水手始终在与输送机相距不超过10 mm的相同高度处释放水果。如果水果倾斜，光传感器似乎无法检测到水果，因此光电传感器的检测半径增加到40毫米。此外，将5毫米厚的缓冲材料连接到水果输送机的皮带上以保护水果免受损坏。
吸手
供应单元的抽吸手如图3所示。它由喷射器，吸管，光传感器和压力传感器组成。它还有一个输送净化空气的管道，以顺利释放被吸出的水果。吸入管顶部连接有大约10 mm厚的缓冲材料。
蒂利特等，开发了用于包装园艺产品的视觉引导机器人操纵器，据报道，在自动包装操作期间，一些西红柿无法被拾取，因为由于茎周围的压痕，吸盘未能与水果密封。对于草莓来说，由于花萼造成的凹痕，用草莓做密封似乎比用番茄更难。起初我们尝试将一般喷射器应用于吸力手，但是当产生足够的空气时，它产生小于-20kPa的负压并且损坏了果皮。相反，如果供气不足，则无法用水果密封。鼓风机也会产生负压，它需要厚管或大型机械手，这使得它不适合做吸力手。最后，我们决定在制造领域应用一种特殊的喷射器来处理液晶板：旋风垫，这是一种产生相对温和的负压的喷射器，范围从 - 7至-5kPa，具有足够的真空气流以与水果密封，并且允许单元小型化。来自喷射器的排出空气流通过喷射器和吸入框架的框架之间约1mm的间隙排出。该气流吸入吸气管中的空气，然后产生从吸气管顶部到吸气手底部的气流。抽吸手从上方接近收获容器中的水果。但是，如果接近高度不变，机械手可能会将吸力手推到水果表面并损坏水果。为了防止这种类型的损坏，我们允许吸管上下自由移动并安装一个光电传感器，检测管的运动。吸手的运动如下：首先，它接近目标水果，然后吸管的底部接触水果的表面。接下来，吸管升高。当光电传感器检测到吸管的提升运动时，z轴致动器减速并停止。结果，在接近运动期间，施加在果实上的负荷仅是吸管的重量（约30g）。
机器视觉系统
机器视觉系统安装在离收割容器0.6米的高度（图2）。镜头的焦距为2.5毫米，不仅可以获取收获容器中的水果图像，还可以获取传送带上的水果图像。如果机器视觉系统检测到一个水果在传送带上的放置点附近，机器就会停止工作，直到水果从那个位置被运送了大约0.2米，以保持供应的水果之间的距离。对于供应单元，吸入点应该是每个水果的最高部分。基于使用镜面反射的番茄识别技术，我们设计了通过机器视觉检测草莓果实吸力点的算法。如果必须从一次拍摄图像中获得所有水果的每个吸力点，则由马哈克等人进行局部最小值确定，可能是一个强有力的解决方案。然而，搜索局部最小点的计算时间相对较长，如文献中所示。考虑到供应单元在采摘运动中只处理一个水果，并在每次运动前抓取一个图像，因此供应单元应足以从一张图像中提取一些吸力点候选。图4示出了用于提取吸入点的流程图，图5示出了检测到的反射部分的吸力点候选的示例。
通过彩色CMOS相机获取具有VGA分辨率的图像。收割容器的区域被裁剪。然后将缩小的图像分解成RGB灰度图像并转换成HSV坐标。使用鉴别方法将V坐标二值化以获得果实区域。尽管马哈克等人的双重Otsu方法可以确定两个阈值：一个是水果区域，另一个是明亮区域，但估计使用所有明亮区域的共同阈值，相对较暗水果区域的明亮区域将丢失，吸力点的候选数量将减少。因此，在每个提取的果实区域中，使用百分位数方法对10％的亮区域进行分割。我们假设明亮区域是反射部分，即果实的最高部分。在标记和形态学处理以消除噪声之后，计算反射部分的重力点。图5a中收获容器的左内侧壁的最近水果优先被拾取。供应单元重复该任务，直到收获容器为空。但是，为了防止对可能损坏它的同一个失败的水果进行多次尝试，该装置记录吸入点并且如果果实在记录点的10mm半径范围内的圆圈中，则尝试仅拾取果实两次。图像处理所需的计算时间小于0.3秒。
包装单元
林等人开发了草莓拾取设备，利用机器视觉系统检测水果的位置和方向，并用抽吸装置从花萼侧拾取水果。我们为设备增加了新功能，例如自动包装系统的包装单元（图6）。
放置动作
包装单元的抽吸装置配有步进电机，可将吸管在-90°和 90°之间倾斜。当抽吸装置拾取水果时，它将抽吸管从水平方向倾斜10°。根据林等人的报道，当包装单元运输水果时，吸管的倾斜角度变为垂直，以优化运输的稳定性。如图7a所示，水果直接装入可回收的托盘中。同时，当水果被包装在单层托盘中时，吸管的倾斜角度再次设定为10°（图7b）。
观察到花萼倾向于粘附在吸管的缓冲材料上，并且在将果实放置在单层托盘上之后，通过吸管的上升运动使果实摇动。然后，我们在放置运动后从单层托盘的空腔沿纵向添加了30mm的抽吸装置的拉动，并确认果实被平稳地释放。
利用机器视觉进行碰撞识别
如林等人所述，拾取设备设计用于手动供应的水果。然而，在这里描述的系统中，水果由供应单元自动供应。因此，尽管供应装置已配置为保持上述供应距离，但有些水果之间的距离太近，无法在抽吸装置和另一个水果之间发生碰撞的情况下采摘。为了防止这种性质的碰撞，摄像机的焦距从12毫米变为6毫米，以扩大视野范围，包括目标水果周围的任何水果。当获取的图像中的所有果实的取向和位置被定位时，基于图8中所示的几何信息在果实区域上绘制等腰梯形。如果梯形与其他水果区域重叠，那么如果该单元要将其拾起，则判断该水果存在碰撞风险。因此，包装单元在其周围的情况发生变化之前不会接近水果。
性能测试
自动包装系统安装在日本主要草莓产区之一佐贺县大型草莓分拣和包装中心附近的仓库内。性能测试于2010年12月至2011年2月进行。由农民分类为三个等级（小，中，大）的栽培品种“佐贺清香”的果实按等级分别进行测试（表2）。
供应单元的表现
将果实在收获容器中以无重叠的随机方向手工分配。在每次测试中，将三种大小的水果组放置在每个收获容器的一组中。在测试过程中，水果输送机一直在移动，只有在供水装置上放水果时才停止。为了评估供应单元的性能，计算每个水果的处理时间，并且通过计算从收获容器中拾取并成功地放在输送机上的水果的数量来得出任务成功率。还记录了该单元的尝试次数以计算抽吸成功率。为了评估测试水果的瘀伤，该装置通过性能测试处理了30个小型，24个中型和20个大型水果，并于2011年2月底在4°C至21°C的常温下储存。在试验后两天用肉眼观察果实。
包装单元的表现
将水果以0.2米的间隔手动供应到输送机并以随机方向供应。计算每个果实的处理时间，并通过计算拾取，运输并成功放置在运输托盘中所需位置的果实数量来得出任务成功率。并对包装好的水果的形状进行评价。对于可回收的托盘，如果水果的顶部不在孔中，则水果的形状被归类为失败。对于单层托盘，我们拍摄了包装水果的图片，并将其与农民包装的水果进行了比较，特别是方向和水果区域中心与空心之间的距离。从数码照片中手动提取每个包装水果的果实区域和花萼区域，并计算这些几何特征。还通过计算花萼区域与果实区域的比率来评估花萼的可见度。在性能测试期间，由于包装单元的分级功能已经停用，根据农民的分级结果将水果包装在预设的运输托盘中。瘀伤的测量以与供应单元相同的方式进行。
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