一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動檢測及采摘機器人的制作方法
【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檢測及采摘機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國，隨著經(jīng)濟水平的增長，勞動力價格不斷提高，造成勞動密集型企業(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，往往需要耗費大量的人力資源。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人發(fā)揮了巨大的作用，如:水稻收割機器人、防蟲預(yù)警機器人等。然而，目前國內(nèi)外果蔬采摘機器人市場基本空白。由于蘋果在樹上呈無規(guī)律分布，導(dǎo)致難以識別果實的成熟度以及進行精確定位，因此，研制一種能夠靈活移動于樹枝之間的柔性機械手一直是難以突破的技術(shù)難題。此外，機械手采摘果實的力度不易控制而導(dǎo)致出現(xiàn)采摘失敗或果實損壞的狀況發(fā)生。目前，國外研制出了一種果實收割設(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)濟損失。隨著勞動力價格的上漲，果蔬采摘機器人的使用將是未來農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的一大趨勢，研發(fā)果蔬采摘機器人具有重要的實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是針對現(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檢測及采摘機器人。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，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檢測及采摘機器人，包括移動平臺和與移動平臺連接的雙目視覺系統(tǒng)、柔性機械手，雙目視覺系統(tǒng)以及柔性機械手均設(shè)置在移動平臺上。
[0005]所述雙目視覺系統(tǒng)，由兩個圖像采集裝置組成；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；架子固定在移動平臺的左邊，兩個圖像采集裝置的距離為47cm，并聚焦于柔性機械手前方60cm處。
[0006]所述柔性機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)、剪刀手機構(gòu)，每個關(guān)節(jié)均分別與對應(yīng)的傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、光電機構(gòu)連接。
[0007]所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括能水平、垂直自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸、與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸連接的關(guān)節(jié)電機和旋轉(zhuǎn)臂，關(guān)節(jié)電機與關(guān)節(jié)電氣系統(tǒng)連接。
[0008]所述關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸從下至上分為第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸、第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸、第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸和第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸，剪刀手機構(gòu)與第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸連接，通過所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，控制剪刀手機構(gòu)在三維空間中靈活伸縮并采摘果實，其中:
第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸平行于水平面做旋轉(zhuǎn)運動，運動角度范圍為180°，最大運動速度為60。 /s ；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運動，運動角度范圍為120°，最大運動速度為60。 /s ； 第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運動，運動角度范圍為120°，最大運動速度為60。 /s ；
第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運動，運動角度范圍為180°，最大運動速度為60。 /s ；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸與第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸之間的臂長為380mm，第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸至第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸之間的臂長為330mm ;整個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動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)電機分別與每個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸連接，內(nèi)部設(shè)置有失電制動器和減速器，由直流伺服電機驅(qū)動，分別控制每個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸運動，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、編碼器、制動器和光電開關(guān)相連組成。
[0011]所述剪刀手機構(gòu)由氣動系統(tǒng)和與氣動系統(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，利用氣動系統(tǒng)帶來的壓力剪斷果實果柄，并夾住果柄末端，將所摘蘋果回收至果籃中。
[0012]所述的移動平臺為一四輪驅(qū)動平臺；其四輪驅(qū)動電機的額定工作電壓為48V，功率為100W，并帶有線數(shù)為2000的編碼器，減速比為35，電機額定轉(zhuǎn)速為20 r/s。每個輪子的直徑為34.5cm，并配有橡膠胎，抓地性能良好，使移動平臺具有很好的越野性能，能夠滿足機器人在較為崎嶇的果園里靈活移動。
[0013]本發(fā)明的工作過程如下:
當(dāng)整個裝置初始化完成后，視覺系統(tǒng)首先采集圖像，對所述的圖像進行分析，檢索出機械手前方存在的可采摘的蘋果，如果沒有可采摘的蘋果，移動平臺通過差速逆時針方向旋轉(zhuǎn)60°，視覺系統(tǒng)再次采集圖像并分析，如果仍沒有，移動平臺重復(fù)上一步指令，如果移動平臺旋轉(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，并將得到的目標蘋果的三維坐標傳遞到機械手控制端，接著執(zhí)行采摘工作；如果機械手無法到達所述的三維坐標的位置，那么移動平臺將根據(jù)目標蘋果的位置做適當(dāng)調(diào)整，直到機械手可以實現(xiàn)采摘，所述的調(diào)整，是一個閉環(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，和移動平臺的調(diào)整，直到使得目標蘋果相對于機械手的坐標滿足采摘條件；如果所述的雙目視覺系統(tǒng)檢測到有多個蘋果滿足采摘條件，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平臺前端的籃子里。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明利用雙目視覺系統(tǒng)進行檢測，通過在移動平臺上加裝一套圖像采集裝置和一個配有剪刀手的四維度柔性機械手，能夠自動檢測蘋果的顏色、大小、形狀，然后對獲取的圖像進行自動處理、檢測與識別，以便提高系統(tǒng)的運行效率，且可實時反饋采摘情況，提高了采摘的準確率，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)自動化水平，結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高，適用性廣、移植性強，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)明機械手的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明雙目視覺識別蘋果的程序流程圖；
圖4是機械手運動規(guī)劃程序流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行闡述，但不是對本
【發(fā)明內(nèi)容】
的限定。
[0017]實施例:
如圖1所示，一種基于雙目視覺的蘋果成熟度自動檢測及采摘機器人，由移動平臺和與移動平臺連接的雙目視覺系統(tǒng)、柔性機械手構(gòu)成，雙目視覺系統(tǒng)設(shè)置移動平臺上。移動平臺為四輪驅(qū)動平臺，其主要目的是調(diào)整系統(tǒng)相對地面的位置；由于果園通常不是平地，機器設(shè)備需有較好的運動性能方能靈活移動，移動平臺每一個輪子均配有單獨的驅(qū)動電機；當(dāng)控制器接到運動指令是時，每個電機自主根據(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間；所述的移動平臺運動控制和履帶式機械類似，如所述移動平臺要左轉(zhuǎn)時，則右邊兩個輪子的運動速度大于左邊兩個輪子，實現(xiàn)差速左轉(zhuǎn)；如需右轉(zhuǎn)，則左邊兩個輪子速度大于右邊兩個輪子。
[0018]整體參考坐標系為右手系，移動平臺的正方向為X軸正方向，雙目視覺的攝像機聚焦于Y軸的負方向，即移動平臺的右側(cè)方向，所述攝像機安裝于移動平臺左側(cè)，而機械手平行于Z軸，安裝于移動平臺的右側(cè)，其復(fù)位狀態(tài)為豎直狀態(tài)；每個關(guān)節(jié)的運動正方向為圖中對應(yīng)的曲線的方向，如11表示面向X軸負方向，四關(guān)節(jié)的運動正方向為平行于ZOY平面做逆時鐘方向；12表示三關(guān)節(jié)的運動正方向，其方向和11方向一樣；13表示二關(guān)節(jié)的運動正方向，與11相反；14表示面向Z軸負方向，一關(guān)節(jié)的運動正方向為平行于XOY平面的逆時鐘方向。
[0019]如圖2所示，該部分為整體系統(tǒng)的柔性機械手部分，從下至上由機械手底座、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，其中所述的每一個關(guān)節(jié)都對應(yīng)著相應(yīng)的傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、光電機構(gòu)，底座16通過螺栓與移動平臺連接。
[0020]旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由能水平、垂直四維度自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸、與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸連接的關(guān)節(jié)電機、光電機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)臂組成，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸從下至上分為第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸15、第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸22、第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸10和第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸4，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸順序串聯(lián)，由全直流伺服電機驅(qū)動。其中:
第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸15做平行于水平面做旋轉(zhuǎn)運動，其運動角度范圍為180°，最大運動速度為60° /s ;第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸15與第一關(guān)節(jié)電機相連，在該轉(zhuǎn)動軸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)動時，擋片14將光線擋住，關(guān)節(jié)會一直轉(zhuǎn)動，直至擋片14沒有把光擋住為止；轉(zhuǎn)動軸15左側(cè)設(shè)有第一關(guān)節(jié)機械擋塊18，防止機械手轉(zhuǎn)動過多的角度，第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸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)動軸22扣接；
第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸22做垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)運動，其運動角度范圍為120°，最大運動速度為60° /s ;第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸22通過第二關(guān)節(jié)動力傳送帶13與第二關(guān)節(jié)電機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)動時，擋片23將光線擋住，關(guān)節(jié)會一直轉(zhuǎn)動，直至擋片23沒有把光擋住為止；轉(zhuǎn)動軸22上設(shè)有第二關(guān)節(jié)機械擋塊和第三采摘手導(dǎo)氣管固定座25，防止機械手轉(zhuǎn)動過多的角度，在第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸22上設(shè)有機械擋塊21，以及在轉(zhuǎn)動軸22下方設(shè)有機械輔助擋塊20 ；
第三關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸