專利名稱：葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是ー種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
葡萄樹的修剪可以調(diào)節(jié)生長(zhǎng)和結(jié)果的關(guān)系，以增加葡萄產(chǎn)量。毎年葡萄種植需要進(jìn)行冬剪、更新修剪、夏剪等多次剪枝整枝。在葡萄樹種植過程中，剪枝環(huán)節(jié)工作量大，任務(wù)繁重。目前，剪枝環(huán)節(jié)仍然以人工作業(yè)為主，機(jī)械化水平很低，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，需要更加高效省力的設(shè)備，將果農(nóng)從繁重的手工勞動(dòng)中解救出來。
計(jì)算機(jī)視覺是研究計(jì)算機(jī)模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)，是涉及人エ智能、神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理以及模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是20世紀(jì)70年代初期在遙感圖片和生物醫(yī)學(xué)圖片分析兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)取得卓有成效后開始興起的，其理論基礎(chǔ)是70年代中后期逐漸形成的Marr視覺計(jì)算理論。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與人類視覺相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，使得計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的研究與應(yīng)用，始于20世紀(jì)70年代末期，主要研究集中與農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)械中利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品(如蘋果、桃、香蕉、西紅柿、黃瓜等)進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)和分級(jí)等，有些已取得了實(shí)用性成果。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有人工葡萄剪枝作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低的不足，本發(fā)明提供一種降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，所述葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)包括自動(dòng)導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動(dòng)導(dǎo)航模塊包括履帶車、云臺(tái)攝像機(jī)、左右輪驅(qū)動(dòng)器和エ控機(jī)；所述云臺(tái)攝像機(jī)安裝在履帶車上，所述云臺(tái)攝像機(jī)用于獲取葡萄園路況圖像信息；エ控機(jī)用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動(dòng)器；所述左右輪驅(qū)動(dòng)器根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)來驅(qū)動(dòng)履帶車的行走機(jī)構(gòu)；所述的剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機(jī)械臂、末端修枝剪、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和エ控機(jī)。農(nóng)業(yè)機(jī)械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；末端修枝剪，用于實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；エ控機(jī)用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點(diǎn)坐標(biāo)信息，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂軌跡，井下發(fā)運(yùn)動(dòng)指令至各關(guān)節(jié)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪完成剪枝動(dòng)作；所述的雙目立體視覺模塊包括兩個(gè)エ業(yè)攝像機(jī)、圖像采集卡和エ控機(jī)，兩個(gè)エ業(yè)攝像機(jī)采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至エ控機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別和處理。進(jìn)ー步，所述的農(nóng)業(yè)機(jī)械臂采用5自由度設(shè)計(jì)，包括自下而上依次連接的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與所述末端修枝剪連接。再進(jìn)ー步，所述的末端修枝剪采用ニ桿三副的平面機(jī)構(gòu)，所述ニ桿三副的平面機(jī)構(gòu)的連桿與上刀片聯(lián)動(dòng)。更進(jìn)一歩，所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括照明裝置，用于提供剪枝作業(yè)的光照環(huán)境；所述的照明裝置采用四只高頻熒光燈以及直流電源模塊組成。所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個(gè)エ業(yè)攝像機(jī)和四只高頻熒光燈安裝在支架上，所述的支架采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可伸縮調(diào)節(jié)支架高度。所述的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)控制方案采用上下位機(jī)的分布式控制方式。上位機(jī)采用エ控機(jī)作為主控制器，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理以及圖像處理、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)采用多驅(qū)動(dòng)器，主要負(fù)責(zé)各關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)、末端修枝剪的修剪、左右驅(qū)動(dòng)輪的行走。上位機(jī)通過CAN總線與下位機(jī)相互通訊。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù) 可以提高生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理的自動(dòng)化和智能化。本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來識(shí)別葡萄樹枝干，通過圖像處理來提取枝干和芽的特征信息，以此來確定剪枝點(diǎn)，為進(jìn)一歩實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)剪枝作業(yè)奠定基礎(chǔ)。通過計(jì)算機(jī)視覺方法進(jìn)行剪枝作業(yè)，具有效率高、作業(yè)柔性、成本節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)葡萄剪枝產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、智能化的有效方法。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在能夠替代現(xiàn)有的人工、半人工剪枝作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化葡萄樹剪枝作業(yè)，大大提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)カ成本。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的ー種葡萄樹剪枝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的ー種葡萄樹剪枝機(jī)器人末端修枝剪結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的一種基于機(jī)器視覺的現(xiàn)場(chǎng)剪枝作業(yè)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的ー種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)總體控制圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的ー種葡萄樹剪枝作業(yè)工作流程圖。其中，I、自動(dòng)導(dǎo)航模塊；2、剪枝模塊；3、雙目立體視覺系統(tǒng)；4、履帶車；5、云臺(tái)攝像機(jī)；6、エ控機(jī)；7、前大輪；8、腰關(guān)節(jié)；9、肩關(guān)節(jié)；10、大臂；11、肘關(guān)節(jié)；12、小臂；13、腕關(guān)節(jié)；14末端修枝剪；15、CXDエ業(yè)攝像機(jī)；16、高頻熒光燈；17、支架；18、連桿；19、上刀片；20、下刀片。
具體實(shí)施例方式下面具體結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述。參照?qǐng)D1，ー種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，包括自動(dòng)導(dǎo)航模塊I、剪枝模塊2、雙目立體視覺系統(tǒng)3。自動(dòng)導(dǎo)航模塊I以履帶車4為基礎(chǔ)，包括云臺(tái)攝像機(jī)5、左右輪驅(qū)動(dòng)器(圖中未示，位于履帶車4車體內(nèi))、エ控機(jī)6。自動(dòng)導(dǎo)航模塊I采用前大輪7電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余輪隨動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。安裝在履帶車4正前方的云臺(tái)攝像機(jī)5實(shí)時(shí)獲得路況圖像信息；エ控機(jī)6用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動(dòng)器；左右驅(qū)動(dòng)器控制左右驅(qū)動(dòng)輪的速度來實(shí)現(xiàn)履帶車行進(jìn)，控制左右驅(qū)動(dòng)輪的速度差來實(shí)現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)向。
剪枝模塊2包括腰關(guān)節(jié)8、肩關(guān)節(jié)9、大臂10、肘關(guān)節(jié)11、小臂12、腕關(guān)節(jié)13、末端修枝剪14、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器(圖中未示，位于各關(guān)節(jié)內(nèi))、エ控機(jī)6。根據(jù)剪枝作業(yè)要求，農(nóng)業(yè)機(jī)械臂選用5自由度設(shè)計(jì)，即腰關(guān)節(jié)8旋轉(zhuǎn)、肩關(guān)節(jié)9俯仰、肘關(guān)節(jié)11俯仰、腕關(guān)節(jié)13俯仰、腕關(guān)節(jié)13旋轉(zhuǎn)。當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂接收到剪枝點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，エ控機(jī)進(jìn)行軌跡規(guī)劃并計(jì)算各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，向各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，由關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂及末端修枝剪14實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)。末端修枝剪14采用ニ桿三副的平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。エ控機(jī)6發(fā)送剪枝信號(hào)至修枝剪驅(qū)動(dòng)器(圖中未示出，位于末端修枝剪上)，通過固態(tài)繼電器控制電磁閥。電磁閥控制連桿移動(dòng)，連桿推動(dòng)上刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，使上下刀刃開合，從而實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作。雙目立體視覺系統(tǒng)3包括兩只CXDエ業(yè)攝像機(jī)15、雙通道的圖像采集卡(圖中未示，エ控機(jī)6內(nèi))、四只高頻熒光燈16及エ控機(jī)6。雙通道圖像采集卡插入到エ控機(jī)的PCI槽內(nèi)，兩只CXDエ業(yè)攝像機(jī)15跟圖像采集卡相連接。兩只CXD エ業(yè)攝像機(jī)15及四只高頻熒光燈16安裝在支架17上，支架17采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要完成支架17升降，最大升降距離達(dá)500mm。支架固定在履帶車中部。上述雙目立體視覺系統(tǒng)的圖像采集方法如下為了保證采集環(huán)境光照均勻，將四只高頻熒光燈等距離陣列分布在CXDエ業(yè)攝像機(jī)周邊。雙目CXDエ業(yè)攝像機(jī)以支架為中心對(duì)稱安裝，形成立體視覺。雙目立體視覺系統(tǒng)首先以不同的角度，進(jìn)行兩路圖像采集。然后，采集到的圖像經(jīng)過圖像采集卡傳送到エ控機(jī)，エ控機(jī)按照形態(tài)學(xué)算法進(jìn)行圖像的分析和處理，提取剪枝點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。然后，エ控機(jī)根據(jù)監(jiān)制三維坐標(biāo)信息規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂軌跡，井下發(fā)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令。最后，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪完成剪枝作業(yè)。本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案還提供ー種溫室環(huán)境下的剪枝方法，所述方法包括以下步驟 I、啟動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航模塊，履帶車沿導(dǎo)航線運(yùn)動(dòng)。2、開啟雙目攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集圖像。捜索到葡萄樹后，履帶車停止運(yùn)動(dòng)。3、エ控機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析處理。對(duì)圖像依次進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像識(shí)別等處理步驟。根據(jù)葡萄樹枝干和主干在形態(tài)上的差異來識(shí)別目標(biāo)，分析并確定剪枝點(diǎn)。4、エ控機(jī)計(jì)算出剪枝點(diǎn)在世界坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)信息。根據(jù)剪枝點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，エ控機(jī)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，計(jì)算出各關(guān)節(jié)最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)。5、エ控機(jī)發(fā)送控制指令到各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪的控制，完成剪枝作業(yè)。6、重復(fù)步驟3 5，該雙目立體視覺系統(tǒng)視場(chǎng)中的所有剪枝點(diǎn)完成剪枝后，重復(fù)步驟I。本發(fā)明涉及的ー種溫室環(huán)境下葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)及剪枝方法，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)剪枝，具有效率高、作業(yè)柔性、成本節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)葡萄樹剪枝作業(yè)自動(dòng)化、智能化的有效方法。
權(quán)利要求
1.一種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)包括自動(dòng)導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊； 所述的自動(dòng)導(dǎo)航模塊包括履帶車、云臺(tái)攝像機(jī)、左右輪驅(qū)動(dòng)器和工控機(jī)；所述云臺(tái)攝像機(jī)安裝在履帶車上，所述云臺(tái)攝像機(jī)用于獲取葡萄園路況圖像信息；工控機(jī)用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動(dòng)器；所述左右輪驅(qū)動(dòng)器根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)來驅(qū)動(dòng)履帶車的行走機(jī)構(gòu)； 所述的剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪，農(nóng)業(yè)機(jī)械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；末端修枝剪，用于實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；工控機(jī)用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點(diǎn)坐標(biāo)信息，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂軌跡，并下發(fā)運(yùn)動(dòng)指令至各關(guān)節(jié)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪完成剪枝動(dòng)作。所述的雙目立體視覺模塊包括兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)、圖像采集卡和工控機(jī)，兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別和處理。
2.如權(quán)利要求I所述的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述的農(nóng)業(yè)機(jī)械臂采用5自由度設(shè)計(jì)，包括自下而上依次連接的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與所述末端修枝剪連接。
3.如權(quán)利要求I或2所述的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述的末端修枝剪采用二桿三副的平面機(jī)構(gòu)，所述二桿三副的平面機(jī)構(gòu)的連桿與上刀片聯(lián)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括照明裝置，用于提供剪枝作業(yè)的光照環(huán)境；所述的照明裝置采用四只高頻熒光燈以及直流電源模塊組成。
5.如權(quán)利要求I或2所述的葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)和四只高頻熒光燈安裝在支架上，采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可伸縮調(diào)節(jié)支架高度。
全文摘要
一種葡萄樹剪枝機(jī)器人系統(tǒng)，包括自動(dòng)導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動(dòng)導(dǎo)航模塊包括履帶車、云臺(tái)攝像機(jī)、左右輪驅(qū)動(dòng)器和工控機(jī)；剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機(jī)械臂和末端修枝剪，農(nóng)業(yè)機(jī)械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；末端修枝剪，用于實(shí)現(xiàn)剪枝動(dòng)作；工控機(jī)包括用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點(diǎn)坐標(biāo)信息，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂軌跡，并下發(fā)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令；雙目立體視覺模塊包括兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)、圖像采集卡和工控機(jī)，兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別和處理。本發(fā)明能降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。
文檔編號(hào)A01G3/08GK102657037SQ201210110230
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者楊慶華, 荀一, 賈挺猛, 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)