一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動(dòng)檢測(cè)及采摘機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及采摘裝置，特別是一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動(dòng)檢測(cè)及采摘機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)水平的增長(zhǎng)，勞動(dòng)力價(jià)格不斷提高，造成勞動(dòng)密集型企業(yè)的生產(chǎn)成本不斷提高，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如蔬菜以及水果的收割，往往需要耗費(fèi)大量的人力資源。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人發(fā)揮了巨大的作用，如:水稻收割機(jī)器人、防蟲預(yù)警機(jī)器人等。然而，目前國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人市場(chǎng)基本空白。由于蘋果在樹上呈無規(guī)律分布，導(dǎo)致難以識(shí)別果實(shí)的成熟度以及進(jìn)行精確定位，因此，研制一種能夠靈活移動(dòng)于樹枝之間的柔性機(jī)械手一直是難以突破的技術(shù)難題。此外，機(jī)械手采摘果實(shí)的力度不易控制而導(dǎo)致出現(xiàn)采摘失敗或果實(shí)損壞的狀況發(fā)生。目前，國(guó)外研制出了一種果實(shí)收割設(shè)備，它是先通過搖晃蘋果樹使蘋果落地，然后再收集起地上的蘋果，顯然成熟的蘋果摔落易于導(dǎo)致?lián)p壞而造成經(jīng)濟(jì)損失。隨著勞動(dòng)力價(jià)格的上漲，果蔬采摘機(jī)器人的使用將是未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一大趨勢(shì)，研發(fā)果蔬采摘機(jī)器人具有重要的實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動(dòng)檢測(cè)及采摘機(jī)器人。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性廣，能顯著地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動(dòng)檢測(cè)及采摘機(jī)器人，包括移動(dòng)平臺(tái)和與移動(dòng)平臺(tái)連接的雙目視覺系統(tǒng)、柔性機(jī)械手，雙目視覺系統(tǒng)以及柔性機(jī)械手均設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)上。
[0005]所述雙目視覺系統(tǒng)，由兩個(gè)圖像采集裝置組成；圖像采集裝置通過數(shù)據(jù)采集卡與智能控制系統(tǒng)連接，圖像采集裝置設(shè)置在距離地面高度為135cm的架子上；架子固定在移動(dòng)平臺(tái)的左邊，兩個(gè)圖像采集裝置的距離為47cm，并聚焦于柔性機(jī)械手前方60cm處。
[0006]所述柔性機(jī)械手包括從下至上順序連接的第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、剪刀手機(jī)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)均分別與對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、光電機(jī)構(gòu)連接。
[0007]所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括能水平、垂直自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接的關(guān)節(jié)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臂，關(guān)節(jié)電機(jī)與關(guān)節(jié)電氣系統(tǒng)連接。
[0008]所述關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸從下至上分為第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，剪刀手機(jī)構(gòu)與第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，通過所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制剪刀手機(jī)構(gòu)在三維空間中靈活伸縮并采摘果實(shí)，其中:
第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行于水平面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角度范圍為180°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60。 /s ；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角度范圍為120°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60。 /s ； 第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角度范圍為120°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60。 /s ；
第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)角度范圍為180°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60。 /s ；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的臂長(zhǎng)為380mm，第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸至第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的臂長(zhǎng)為330mm ;整個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最大展開半徑為850mm ;整體直立高度為10SOmnin
[0009]所述關(guān)節(jié)電機(jī)分別與每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，內(nèi)部設(shè)置有失電制動(dòng)器和減速器，由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，其供電電源和功率分別為24v和400w，其中:減速器為諧波減速器。
[0010]所述關(guān)節(jié)電氣系統(tǒng)由直流電機(jī)、編碼器、制動(dòng)器和光電開關(guān)相連組成。
[0011]所述剪刀手機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)系統(tǒng)和與氣動(dòng)系統(tǒng)連接的可張開、閉合的剪刀手構(gòu)成，剪刀手內(nèi)設(shè)有采摘刀片，刀片下設(shè)有緩沖墊，利用氣動(dòng)系統(tǒng)帶來的壓力剪斷果實(shí)果柄，并夾住果柄末端，將所摘蘋果回收至果籃中。
[0012]所述的移動(dòng)平臺(tái)為一四輪驅(qū)動(dòng)平臺(tái)；其四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定工作電壓為48V，功率為100W，并帶有線數(shù)為2000的編碼器，減速比為35，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為20 r/s。每個(gè)輪子的直徑為34.5cm，并配有橡膠胎，抓地性能良好，使移動(dòng)平臺(tái)具有很好的越野性能，能夠滿足機(jī)器人在較為崎嶇的果園里靈活移動(dòng)。
[0013]本發(fā)明的工作過程如下:
當(dāng)整個(gè)裝置初始化完成后，視覺系統(tǒng)首先采集圖像，對(duì)所述的圖像進(jìn)行分析，檢索出機(jī)械手前方存在的可采摘的蘋果，如果沒有可采摘的蘋果，移動(dòng)平臺(tái)通過差速逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)60°，視覺系統(tǒng)再次采集圖像并分析，如果仍沒有，移動(dòng)平臺(tái)重復(fù)上一步指令，如果移動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周后，視覺系統(tǒng)仍沒發(fā)現(xiàn)可采摘的蘋果，則裝置進(jìn)入休眠模式；如果所述的視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可采摘的蘋果，則將求解出蘋果所處的空間位置，并將得到的目標(biāo)蘋果的三維坐標(biāo)傳遞到機(jī)械手控制端，接著執(zhí)行采摘工作；如果機(jī)械手無法到達(dá)所述的三維坐標(biāo)的位置，那么移動(dòng)平臺(tái)將根據(jù)目標(biāo)蘋果的位置做適當(dāng)調(diào)整，直到機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)采摘，所述的調(diào)整，是一個(gè)閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，所述的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是通過不斷的視覺判斷，和移動(dòng)平臺(tái)的調(diào)整，直到使得目標(biāo)蘋果相對(duì)于機(jī)械手的坐標(biāo)滿足采摘條件；如果所述的雙目視覺系統(tǒng)檢測(cè)到有多個(gè)蘋果滿足采摘條件，則距離裝置最近的蘋果將優(yōu)先被采摘，然后再次采摘剩下中的距離最近的蘋果，采摘到的蘋果放置于移動(dòng)平臺(tái)前端的籃子里。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明利用雙目視覺系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，通過在移動(dòng)平臺(tái)上加裝一套圖像采集裝置和一個(gè)配有剪刀手的四維度柔性機(jī)械手，能夠自動(dòng)檢測(cè)蘋果的顏色、大小、形狀，然后對(duì)獲取的圖像進(jìn)行自動(dòng)處理、檢測(cè)與識(shí)別，以便提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且可實(shí)時(shí)反饋采摘情況，提高了采摘的準(zhǔn)確率，將改變目前采摘果蔬環(huán)節(jié)全部依靠人工的現(xiàn)狀，大大提高其生產(chǎn)自動(dòng)化水平，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，適用性廣、移植性強(qiáng)，能廣泛適用于果蔬的采摘和回收，具有廣闊的前景。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明整體系統(tǒng)圖； 圖2為本發(fā)明機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明雙目視覺識(shí)別蘋果的程序流程圖；
圖4是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述，但不是對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
的限定。
[0017]實(shí)施例:
如圖1所示，一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動(dòng)檢測(cè)及采摘機(jī)器人，由移動(dòng)平臺(tái)和與移動(dòng)平臺(tái)連接的雙目視覺系統(tǒng)、柔性機(jī)械手構(gòu)成，雙目視覺系統(tǒng)設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)上。移動(dòng)平臺(tái)為四輪驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，其主要目的是調(diào)整系統(tǒng)相對(duì)地面的位置；由于果園通常不是平地，機(jī)器設(shè)備需有較好的運(yùn)動(dòng)性能方能靈活移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)每一個(gè)輪子均配有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)控制器接到運(yùn)動(dòng)指令是時(shí)，每個(gè)電機(jī)自主根據(jù)CAN總線協(xié)議的指令調(diào)整其轉(zhuǎn)速及其加速度及工作時(shí)間；所述的移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制和履帶式機(jī)械類似，如所述移動(dòng)平臺(tái)要左轉(zhuǎn)時(shí)，則右邊兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)速度大于左邊兩個(gè)輪子，實(shí)現(xiàn)差速左轉(zhuǎn)；如需右轉(zhuǎn)，則左邊兩個(gè)輪子速度大于右邊兩個(gè)輪子。
[0018]整體參考坐標(biāo)系為右手系，移動(dòng)平臺(tái)的正方向?yàn)閄軸正方向，雙目視覺的攝像機(jī)聚焦于Y軸的負(fù)方向，即移動(dòng)平臺(tái)的右側(cè)方向，所述攝像機(jī)安裝于移動(dòng)平臺(tái)左側(cè)，而機(jī)械手平行于Z軸，安裝于移動(dòng)平臺(tái)的右側(cè)，其復(fù)位狀態(tài)為豎直狀態(tài)；每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)正方向?yàn)閳D中對(duì)應(yīng)的曲線的方向，如11表示面向X軸負(fù)方向，四關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)正方向?yàn)槠叫杏赯OY平面做逆時(shí)鐘方向；12表示三關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)正方向，其方向和11方向一樣；13表示二關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)正方向，與11相反；14表示面向Z軸負(fù)方向，一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)正方向?yàn)槠叫杏赬OY平面的逆時(shí)鐘方向。
[0019]如圖2所示，該部分為整體系統(tǒng)的柔性機(jī)械手部分，從下至上由機(jī)械手底座、第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、剪刀手依次連接，其中所述的每一個(gè)關(guān)節(jié)都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、光電機(jī)構(gòu)，底座16通過螺栓與移動(dòng)平臺(tái)連接。
[0020]旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由能水平、垂直四維度自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接的關(guān)節(jié)電機(jī)、光電機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)臂組成，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸從下至上分為第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸15、第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸22、第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸10和第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸4，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸順序串聯(lián)，由全直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中:
第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸15做平行于水平面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍為180°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60° /s ;第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸15與第一關(guān)節(jié)電機(jī)相連，在該轉(zhuǎn)動(dòng)軸15右側(cè)設(shè)有用于控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的復(fù)位的第一關(guān)節(jié)復(fù)位光電開關(guān)24和與該開關(guān)24連接的第一關(guān)節(jié)光電開關(guān)擋片14，當(dāng)該關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋片14將光線擋住，關(guān)節(jié)會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)，直至擋片14沒有把光擋住為止；轉(zhuǎn)動(dòng)軸15左側(cè)設(shè)有第一關(guān)節(jié)機(jī)械擋塊18，防止機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)過多的角度，第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸15下端通過第一連接臂17與底座16連接，上端與第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸22扣接；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸22做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍為120°，最大運(yùn)動(dòng)速度為60° /s ;第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸22通過第二關(guān)節(jié)動(dòng)力傳送帶13與第二關(guān)節(jié)電機(jī)26連接，其一側(cè)設(shè)有用于第二關(guān)節(jié)復(fù)位光電開關(guān)24和與該開關(guān)24連接的第二關(guān)節(jié)光電開關(guān)擋片23，當(dāng)該關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋片23將光線擋住，關(guān)節(jié)會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)，直至擋片23沒有把光擋住為止；轉(zhuǎn)動(dòng)軸22上設(shè)有第二關(guān)節(jié)機(jī)械擋塊和第三采摘手導(dǎo)氣管固定座25，防止機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)過多的角度，在第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸22上設(shè)有機(jī)械擋塊21，以及在轉(zhuǎn)動(dòng)軸22下方設(shè)有機(jī)械輔助擋塊20 ；
第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸