枸杞采摘機器人及其控制方法
【專利說明】枸杞采摘機器人及其控制方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械自動化設計技術領域，特別涉及一種枸杞采摘機器人。 【【背景技術】】
[0002] 枸杞是具有養(yǎng)生和治病功能的藥材，還可以當做具有豐富營養(yǎng)價值的水果來食 用。在我國西北、東北、北方大量的種植。枸杞含水量大果皮相對較薄屬于漿果，摘取時容 易受到損傷。枸杞的采摘工作一直以人力為主，枸杞成熟季節(jié)相對集中，勞動強度較大。而 且枸杞一般在夏季6、7月成熟，該季節(jié)屬于暑期，溫度極度上升。枸杞地中一般有自然肥化 肥等刺鼻氣味。然而現(xiàn)在的枸杞采摘均為人工采摘，并且人力采摘時一般帶口罩作業(yè)加重 炎熱程度。不因采摘效率地下，而且在熱天給工人帶來不適感，嚴重可能導致中暑情況。
[0003] 目前來講，雖然采摘機器人有了較大的發(fā)展和進步，但任然存在以下幾方面的問 題。
[0004] 1、定位和識別工能較差。在采摘過程中環(huán)境相對較復雜，葉子與水果容易重復在 一起，造成識別困難。而且天氣具有不穩(wěn)定性，同時還有噪音等干擾信息，降低了識別和定 位的準確度。對枸杞的識別和定位需要進一步的研究。
[0005] 2、采摘效率不高。各國以研發(fā)的各類采摘機器人的采摘效率，都沒有人工效率高。 例如農(nóng)業(yè)大學張鐵中教授研制的草莓采摘速度為6枚/min ;韓國的蘋果自動采摘機器人， 摘取一枚蘋果平均需要15s ;荷蘭IMG研發(fā)的黃瓜采摘機器人摘一根黃瓜需要45s。因為 需要控制系統(tǒng)還要圖像處理等，效率不高。要使果蔬采摘機器人真正應用于實際生產(chǎn)，就必 須要提高作業(yè)效率以及作業(yè)準確度。
[0006] 3、成本較高。果蔬采摘機器人系統(tǒng)和結(jié)構更加復雜，而且使用周期短，平常基本不 用。維護，使用，制造成本都要高于工業(yè)機器人。
[0007] 4、通用性差。一種采摘機器人只是針對某一特定植物完成單一的任務，各類機器 人之間幾乎沒有通用性。
[0008] 為了突破限制果蔬采摘機器人的發(fā)展因素，就必須解決以上的問題，這樣才能加 速果蔬采摘機器人的發(fā)展，盡快實現(xiàn)商品化。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種枸杞采摘機器人，該機器人能夠結(jié)合枸杞的生長特點 和采摘要求進行采摘，完全替代人力完成采摘工作。
[0010] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：
[0011] 枸杞采摘機器人，包括小車，所述的小車上設置有電源及動力控制設備、路障傳感 器、機械臂、采摘頭和果實收集箱；其中，路障傳感器設置在小車車頭上；所述機械臂上端 和采摘頭連接，采摘頭上設置有樹枝夾子，樹枝夾子上設置有用于判斷枸杞位置的傳感器； 采摘頭底部設有與果實收集箱連通的果實輸送管；所述的小車的電氣控制系統(tǒng)、機械臂的 電氣控制系統(tǒng)、采摘頭的電氣控制系統(tǒng)、路障傳感器、樹枝夾子的電氣控制系統(tǒng)及傳感器均 與電源及動力控制設備連接。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述的機械臂包括依次連接的升降臺、腰部旋轉(zhuǎn)關節(jié)、 大臂、小臂和棱柱關節(jié)，升降臺底部設置在小車上，升降臺上設置有驅(qū)動腰部旋轉(zhuǎn)關節(jié)旋轉(zhuǎn) 的腰部電機和驅(qū)動大臂旋轉(zhuǎn)的大臂電機，大臂的頂部設置有驅(qū)動小臂轉(zhuǎn)動的小臂電機和驅(qū) 動棱柱關節(jié)伸縮的棱柱關節(jié)電機；棱柱關節(jié)上端和采摘頭連接；升降臺的電氣控制系統(tǒng)、 腰部電機、大臂電機、小臂電機和棱柱關節(jié)電機均與電源及動力控制設備連接。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述的升降臺的升降高度為0~0. 8m ;腰部旋轉(zhuǎn)關節(jié) 旋轉(zhuǎn)角度為-160°~160° ;大臂的旋轉(zhuǎn)角度為-80°~80°、小臂的旋轉(zhuǎn)角度為-80°~ 80°和棱柱關節(jié)的伸縮長度為0~0.5m。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述的采摘頭包括由外殼體和上蓋圍成的空間，且頂 部開始采摘入口；采摘頭內(nèi)靠近上蓋一端設置有上座板和下座板，采摘頭內(nèi)的另一端設置 有底座板；直流電機通過電機座設置在上蓋上，直流電機的前端固定在上座板上，且直流電 機的輸出軸上設有中間齒輪；左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn)子體并排設置成組合轉(zhuǎn)子，左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn) 子體的兩端分別設置在下座板和底座板上，左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn)子體靠近下座板的一端上均設 置有轉(zhuǎn)子齒輪，兩個齒輪和中間齒輪相嗤合，左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)動方向相反；米摘頭的 底部設置有采摘出口，采摘出口與果實輸送管連通。
[0015] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述的左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn)子體均包括轉(zhuǎn)子體，所述的轉(zhuǎn) 子體包括柱體，柱體上有三條沿螺旋線均勻設置的軟管；其中柱體是由具有機械強度的柔 性硅膠管制成，在硅膠管的三個螺旋方向上按照每隔15mm的距離鉆設孔陣列，將空心軟管 和硅膠管沿孔陣列用尼龍線穿接固定，相鄰孔之間的空心軟管形成弧形結(jié)構的突起；左轉(zhuǎn) 子體和右轉(zhuǎn)子體上的空心軟管的螺旋方向相反。
[0016] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述的樹枝夾子上設置有碰撞傳感器、位置傳感器、壓 力傳感器和視覺傳感器；碰撞傳感器設置在樹枝夾子的頂端，位置傳感器和壓力傳感器分 別設置在樹枝夾子的兩個夾片上，視覺傳感器設置在樹枝夾子的兩個夾片底部，碰撞傳感 器、位置傳感器、壓力傳感器和視覺傳感器均與電源及動力控制設備通訊。
[0017] 枸杞采摘機器人的控制方法，包括以下步驟：
[0018] 1)啟動，枸杞采摘機器人啟動，小車從收集地行走到枸杞樹下；
[0019] 2)識別，視覺傳感器上的攝像機采用針孔成像技術進行圖像采集，反饋給電源及 動力控制設備；
[0020] 3)定位，電源及動力控制設備內(nèi)的工控機將采集的圖像進行處理，進行圖像識別 處理，識別所在區(qū)域與枸杞顏色匹配的圖像進行位置識別固定；
[0021] 4)采摘，工控機采用模糊PID自適應控制，驅(qū)動機械臂的電機進行位置調(diào)整，位置 傳感器上的信號被有枸杞的樹枝遮擋時，啟動采摘頭的直流電機，枸杞進入采摘頭頂部的 采摘入口進行采摘工序，左轉(zhuǎn)子體和右轉(zhuǎn)子體的相對轉(zhuǎn)動，枸杞完成采摘，采摘好的枸杞通 過果實輸送管進入果實收集箱；樹枝架子上位置傳感器信號恢復后，采摘頭停止工作，完成 單個樹枝的采摘；返回步驟，繼續(xù)采摘枸杞；
[0022] 5)收集，當枸杞采摘機器人上的果實收集箱的重量超過預設值時，枸杞采摘機器 人返回收集地，完成枸杞收集過程。
[0023] 進一步，機械臂的位置調(diào)整的具體幾何關系為：攝像機坐標系（X。，y。，z。）與機器 人基座坐標系（Χ(]，％，Ζ。）的各坐標軸相互平行；目標果實在基坐標系內(nèi)的坐標為（Xn^Y rt, Zm。)，其在攝像機坐標系內(nèi)的坐標為（Xn，Yn，Zn)，在米摘時當棱柱關節(jié)是收縮在小臂內(nèi)時，將 采摘機器人看做是只有三個關節(jié)機器人處理，攝像機坐標和機器人坐標之間的變換關系式 為：
[0025] Y = XXctgei
[0026] Z = L^L2 XsinB 2+L3 X sin ( θ 2+ θ 3) (1)
[0027] 式中L1表示腰部長度、L 2表示大臂長度、L 3表示小臂的長度；Θ i、Θ 2、Θ 3分別為 機械臂的中間三個旋轉(zhuǎn)自由度的關節(jié)角度；
[0028] 由⑴式可以得到目標果實在基坐標系的坐標（X"。，Y"。，Z"。）與成熟枸杞在攝像機 坐標系的坐標（X〇，Y〇，Z。）關系：
[0029] Xn= X n〇-X, Yn= Y n〇-Y, Zn= Z η〇-Ζ (2)。
[0030] 進一步，定位過程中，攝像機坐標與位置坐標的關系具體建立方法為，建立坐標系 u，V，每個像素都可以用其所對應的坐標（u，V)來表示其行數(shù)和列數(shù)，，再建立圖像坐標系 (X，Υ)，其具有物理單位（_)，OidX軸平行于u軸，OJ軸平行于V軸，取光軸于圖像的交點〇。 為原點；取0。在U，V坐標系中的坐標為（u。，V。)，dx，dy為該像素點在兩軸上的距離，則圖 像中的所有像素點都有如下的坐標關系：
[0033] 兩點重合時，則有
[0034] 進一步，圖像識別處理的具體步驟為：
[0035] 工控機將采集的圖像中的枸杞顏色與預設的圖像中的枸杞顏色進行比對，滿足則 進行進行位置識別固定；
[0036] 果實收集箱的重量預設值為30Kg~32Kg ;
[0037] 還包括路障控制步驟和防碰撞控制步驟，所述的路障控制步驟為：枸杞采摘機器 人