專利名稱：基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(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)器人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
葡萄是我國重要的落葉果樹種類之一，其結(jié)果早、適應(yīng)性強(qiáng)、效益高。我國葡萄栽培自20世紀(jì)80年代以來得到了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，葡萄栽培和加工已成為許多地區(qū)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加農(nóng)民收入的主要途徑。30多來葡萄栽培面積和產(chǎn)量一直持續(xù)增長。2010年全國葡萄栽培面積達(dá)到了 828萬畝，產(chǎn)量高達(dá)843萬噸，并且葡萄種植面積年均增加30萬畝。葡萄栽培面積和產(chǎn)量均居世界第5位。按鮮食葡萄產(chǎn)量，我國已連續(xù)多年高居首位。目前，我國葡萄生產(chǎn)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與工業(yè)農(nóng)業(yè)混合型向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期。很多新的生產(chǎn)方式和發(fā)展方式正在快速融入葡萄產(chǎn)業(yè)。從葡萄種植到收割加工的深翻、施肥、噴藥、除草、中耕、澆灌、套袋、采摘、貯藏及加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作強(qiáng)度較大，機(jī)械化程度很低，嚴(yán)重制約著我國的葡萄生產(chǎn)。葡萄套袋后將果實(shí)與外界環(huán)境隔離，使果實(shí)不受到外界環(huán)境的不良損傷。這樣做有利于提高葡萄外觀品質(zhì)，促進(jìn)果實(shí)著色，使葡萄果面細(xì)嫩、光潔、色澤鮮艷；有利于防止葡萄遭受病、蟲、鳥害，以及農(nóng)藥的污染，更好的實(shí)現(xiàn)了綠色食品的生產(chǎn)；有利于提高葡萄的好果率以及果穗重，增加果農(nóng)的直接經(jīng)濟(jì)效益。葡萄套袋時(shí)間是在疏果后，坐果穩(wěn)定期間進(jìn)行的，此時(shí)的葡萄都是綠色的，僅黃豆粒大小。市場上目前應(yīng)用的葡萄果袋種類和顏色比較多，但其基本結(jié)構(gòu)相似。紙袋的袋口上粘貼了一條較軟的金屬絲，正確的套袋方法是用右手撐開袋口，使套袋整個(gè)鼓起來，用左手托住袋的底部，使套袋底部兩側(cè)的通氣排水口張開，袋體膨起，將袋從下向上拉起，果柄放在袋上方的切口處，使果穗位于袋的中央。最后將袋口用鐵絲綁緊，避免雨水流入。目前葡萄套袋作業(yè)主要是由人工操作來完成，工作繁瑣，勞動強(qiáng)度高，且效率低。葡萄套袋工作最好在7至10天左右完成，對于大面積種植葡萄的地區(qū)，需要大量的人力來完成這項(xiàng)工作。因此，對于人力資源比較貧乏的地區(qū)，人工套袋技術(shù)的應(yīng)用常常受到很大的制約。還有可能出現(xiàn)由于人工不足造成套袋不及時(shí)的狀況，給果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入產(chǎn)生嚴(yán)重的損失。面對這種突出的矛盾，果農(nóng)們急需一種葡萄自動套袋的機(jī)器人來完成繁瑣的套袋工作。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有人工葡萄套袋作業(yè)的勞動強(qiáng)度大、工作效率低的不足，本發(fā)明提供一種降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(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)方案是一種基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人智能移動平臺、計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置和機(jī)械臂套袋裝置；所述機(jī)器人智能移動平臺包括履帶車、運(yùn)動控制器、電機(jī)驅(qū)動器、車載計(jì)算機(jī)，云臺攝像機(jī)和二維激光測距儀，所述履帶車內(nèi)安裝車載計(jì)算機(jī)，所述車載計(jì)算機(jī)還包括自動路徑導(dǎo)航模塊，將云臺攝像機(jī)獲取的導(dǎo)航路徑信息進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得到的路徑導(dǎo)航參數(shù)輸送給運(yùn)動控制器，車輪電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)運(yùn)動控制器輸出的兩輪差速對履帶車進(jìn)行路徑跟蹤；障礙物檢測模塊，利用二維激光測距儀的障礙物檢測傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行180°掃描，獲得障礙物的位置信息；所述計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置包括豎直滑軌和用以采集葡萄圖像的雙目彩色CXD相機(jī)，所述雙目彩色CCD相機(jī)可上下移動地安裝在所述豎直滑軌上，所述履帶車內(nèi)安裝車載計(jì)算機(jī)，所述車載計(jì)算機(jī)還包括用以根據(jù)葡萄圖像確定葡萄重心在圖像中的二維坐標(biāo)，再利用雙目立體定位算法確定深度信息，利用攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到葡萄重心及葡萄中心線在機(jī)器人坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)及形狀參數(shù)的葡萄定位模塊；機(jī)械臂套袋裝置包括機(jī)械臂、末端執(zhí)行器和套袋，所述機(jī)械臂安裝在所述履帶車上，所述機(jī)械臂上安裝末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器上安裝套袋。進(jìn)一步，所述機(jī)械臂包括從下到上依次連接的基座、腰部、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述基座固定安裝在履帶車上，所述基座上可轉(zhuǎn)動地安裝腰部，所述腰部上安裝可俯仰轉(zhuǎn)動的肩關(guān)節(jié)，所述肩關(guān)節(jié)與大臂下端連接，所述大臂上端與可俯仰轉(zhuǎn)動的肘關(guān)節(jié)連接，所述肘關(guān)節(jié)與小臂下端連接，所述小臂上端與可俯仰轉(zhuǎn)動的腕關(guān)節(jié)連接，所述腕關(guān)節(jié)上安裝末端執(zhí)行器。再進(jìn)一步，所述末端執(zhí)行器包括手臂連接架、步進(jìn)電機(jī)、主動齒輪、左齒條、右齒條、左滑塊、右滑塊、滑軌、左手指和右手指，所述步進(jìn)電機(jī)安裝在所述手臂連接架上，所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上安裝所述主動齒輪，所述主動齒輪的上下分別與左齒條、右齒條嚙合，所述左齒條與左滑塊固定連接，所述右齒條與右滑塊固定連接，所述手臂連接架上安裝滑軌，所述左滑塊、右滑塊分別套裝在所述滑軌上，所述左滑塊上安裝左手指，所述右滑塊上安裝右手指。更進(jìn)一步，所述套袋的袋口設(shè)有兩片具有彈性的彈性鋼片。再進(jìn)一步，所述果袋支架包括左固定架、右固定架、滑軌、左支架和右支架，所述左固定架、右固定架分別安裝在履帶車上，所述左固定架、右固定架之間安裝滑軌，所述滑軌上安裝左支架和右支架。所述車載計(jì)算機(jī)還包括葡萄識別定位模塊，用以根據(jù)葡萄重心及葡萄中心線在機(jī)器人坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)及形狀參數(shù)，計(jì)算機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，依照機(jī)械臂軌跡規(guī)劃控制腰部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)動作，使得末端執(zhí)行器到達(dá)葡萄的正下方；自動套袋模塊，用以控制末端執(zhí)行器上升，并將初始狀態(tài)為閉合狀態(tài)的手指張開完成封袋。所述車載計(jì)算機(jī)還包括果袋支架定位模塊，用以根據(jù)果袋支架在機(jī)器人移動平臺上的位置參數(shù)，進(jìn)行機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，依照機(jī)械臂軌跡規(guī)劃控制腰部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)動作，使得末端執(zhí)行器到達(dá)果袋支架位置；自動取袋模塊，用于控制末端執(zhí)行器手指閉合，完成取袋及撐開套袋的操作。所述計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置還包括背景板，所述履帶車上安裝豎向滑軌，所述豎向滑軌上可上下移動地安裝背景板。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率。


圖I是套袋機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2是套袋機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖。圖3是改進(jìn)后的葡萄套袋。圖4是果袋支架示意圖。圖5是末端執(zhí)行器套袋過程圖，其中，(a)是套袋位于葡萄正下方的狀態(tài)，(b)是末端執(zhí)行器撐開套袋的狀態(tài)；(C)是末端執(zhí)行器向上移動的中間狀態(tài)；(d)是葡萄位于套袋內(nèi)，套袋與末端執(zhí)行器分離的狀態(tài)。圖6是末端執(zhí)行器取套袋過程圖，其中，(a)是套袋位于果袋支架上的狀態(tài)，(b)是末端執(zhí)行器夾緊套袋的狀態(tài)。圖7是套袋機(jī)器人功能框圖。圖8是套袋機(jī)器人功能流程圖。圖9是葡萄水平棚架一字形剪枝示意圖。其中1、帶自動導(dǎo)航功能的履帶車(車內(nèi)有車載計(jì)算機(jī))；2、云臺攝像機(jī)；3、二維激光測距儀；4、果袋支架裝置；5、基座；6、腰部；7、肩關(guān)節(jié)；8、大臂；9、肘關(guān)節(jié)；10 :小臂；
11、腕關(guān)節(jié)；12、末端執(zhí)行器；13、果袋；14、背景板；15、豎直導(dǎo)軌；16、豎向?qū)к墸?7、雙目CCD相機(jī)；18、手臂連接架；19、步進(jìn)電機(jī)；20、右齒條；21、手架；22、右滑塊；23、右手指；24、第一滑軌；25、第二滑軌；26、左手指；27、左滑塊；28、左齒條；29、主動齒輪；30、右支架；31、滑軌；32、右固定支架；33、左支架；34、左固定支架；35、彈簧鋼片；36、果袋。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖I 圖9，一種基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人，該機(jī)器人適用的葡萄的種植模式如下選擇適當(dāng)葡萄的種植模式可以為機(jī)器人更有效的識別目標(biāo)對象。水平棚架栽培的葡萄，果實(shí)下垂分布在于地面平行的平面內(nèi)，周圍的障礙物相對較少。同時(shí)，水平棚架栽培具有較寬的行距，這樣的栽培十分有利于利用機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人進(jìn)行套袋操作。采用水平棚架栽培，這樣做不僅可以提高葡萄園的通風(fēng)透光性能，減少夏季潮濕滋生疾病的發(fā)生，同時(shí)能靈活地進(jìn)行整形修剪。按lmX4.0m株行距定植建園。棚架高度2m，用水泥柱搭建，角柱長、寬、高為3. 2mX0. 14mX0. 14m，邊柱為2. 7mX0. ImXO. lm，頂柱為2. OmX 0. 06mX0. 06m，邊柱間距為4m。為了增加拉力，角柱、邊柱均向外傾斜10° -15。，柱頂端用鐵絲連接地下深埋石頭固定。四周及邊柱拉線用8號鍍鋅鐵絲，邊柱對拉線之間用14號鍍鋅絲編成間距20厘米的加密網(wǎng)格，棚架中間對拉線的每個(gè)交叉點(diǎn)用頂柱垂直支撐。常用的網(wǎng)格為40厘米，加密為20厘米網(wǎng)格，可以有效減少葡萄葉下垂落下作為葡萄的背景，干擾機(jī)器人進(jìn)行葡萄的識別，有利于套袋機(jī)器人更快、更有效的識別出葡萄的位置。利用剪枝整形，構(gòu)造一字形樹形結(jié)構(gòu)。水平棚架一字形樹形的特點(diǎn)從豎立的主干上水平分生兩條長主蔓，呈筆直的“一”字形，在其上面均勻地分布一列短梢的結(jié)果枝組。結(jié)果枝組均勻等距的分布在主蔓的兩側(cè)，這種剪枝方式可使結(jié)果后葡萄位置能在一條近似的直線上，有利于套袋機(jī)器人更快的完成套袋操作。整形要點(diǎn)結(jié)合圖9,具體剪枝方式如下第一年,葡萄苗木栽植后，每株培養(yǎng)一條強(qiáng)健的新梢，冬季將其引縛于棚架上，根據(jù)枝條的充實(shí)程度進(jìn)行短截，副梢疏去，以形成第一主蔓。第二年，于生長期在第一主蔓距棚架30 50厘米處，向相反方向培養(yǎng)I 2條新梢，作為主蔓預(yù)備枝，將其下部的新梢疏去。將第一主蔓上部的新梢分別向兩側(cè)引縛，延長梢留10 15片葉摘心。冬剪時(shí)，對第一主蔓的延長枝進(jìn)行適度短截，將其他新梢留I 2個(gè)芽，使其成為結(jié)果母枝。從第二主蔓預(yù)備枝中選一條位置合適，長勢強(qiáng)健的新梢，作為第二主蔓，進(jìn)行適度的短截，并將另一條疏去。第三年即可基本成形，使所留的兩條主蔓繼續(xù)延長，到達(dá)計(jì)劃長度后不再延長。對所留的結(jié)果母枝，進(jìn)行更新修剪。以后的修剪方法相同，使兩行植株的主蔓之間相距200厘米。 機(jī)器人智能移動平臺機(jī)器人智能移動平臺有履帶車I、運(yùn)動控制器(圖中未標(biāo)出，置于履帶車I內(nèi))、電機(jī)驅(qū)動器(圖中未標(biāo)出，置于履帶車I內(nèi))，車載計(jì)算機(jī)(圖中未標(biāo)出，置于履帶車I內(nèi))，云臺攝像機(jī)及二維激光測距儀組成，具有自動導(dǎo)航行走，障礙物檢測功能。機(jī)器人智能移動平臺中的履帶車I采用后輪驅(qū)動方式，云臺攝像機(jī)2實(shí)時(shí)檢測路面導(dǎo)航路徑信息，車載計(jì)算機(jī)將云臺攝像機(jī)獲取的導(dǎo)航路徑信息進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得到的導(dǎo)航路徑偏差輸送給運(yùn)動控制器，車輪電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)運(yùn)動控制器輸出的兩輪差速對履帶車進(jìn)行路徑跟蹤。為了確保機(jī)器人自動導(dǎo)航移動的安全性，在履帶車上安裝了使用二維激光測距儀2的障礙物檢測傳感器。該傳感器可以在一定的半徑范圍內(nèi)進(jìn)行180°的掃描，以極坐標(biāo)的方式獲得存在于這一范圍內(nèi)的物體的距離。不僅可以判斷有無障礙物的存在，對于移動的障礙物，其移動方向、速度甚至于障礙物的大小都可以推斷。盡量獲得障礙物的相關(guān)信息，有利于采取適當(dāng)?shù)幕乇軐Σ?。?jì)算機(jī)視覺識別定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺識別定位系統(tǒng)主要由車載計(jì)算機(jī)，安裝在履帶車I內(nèi)，豎向滑軌15及安裝在上面的背景板14，豎直滑軌16及其上面的雙目彩色CXD相機(jī)17。豎直滑軌16上安裝的雙目彩色C⑶相機(jī)17可以上下移動，從而確定不同高度的葡萄。水平大棚栽培的葡萄果實(shí)一般都在同一高度，但對于不同高度的大棚，葡萄的高度也不同。故需要豎直滑軌來調(diào)節(jié)相機(jī)的高度，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。相機(jī)高度調(diào)整完畢后，相機(jī)將固定不動。彩色C⑶相機(jī)17固定在豎直導(dǎo)軌16上面，用于采集葡萄圖像，用于識別與定位。兩個(gè)彩色相機(jī)分別采集葡萄的圖像，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)確定葡萄重心在圖像中的二維坐標(biāo)。再利用雙目立體定位算法，確定其的深度信息，即葡萄在相機(jī)中的三維坐標(biāo)。利用攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到葡萄重心及葡萄中心線在機(jī)器人坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)及形狀參數(shù)。雖然是在水平大棚下栽培的葡萄，但由于套袋時(shí)期的葡萄是綠色的，與其葉子顏色相似，難以通過顏色特征將其識別出來，再加上葡萄本身形狀復(fù)雜。直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺識別難度較大，且會消耗大量的時(shí)間，降低套袋機(jī)器人的操作速度。故在攝像機(jī)的對面設(shè)置了一塊高度可調(diào)的背景板14。這樣做可以將復(fù)雜背景簡單化，有利于機(jī)器人更準(zhǔn)確，更快的識別出葡萄，提高套袋效率。
0044]機(jī)械臂裝置機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式大致有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。其中，關(guān)節(jié)型機(jī)器臂主體結(jié)構(gòu)有4個(gè)自由度，主要由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，具有與人的肩、肘、腕相對應(yīng)的關(guān)節(jié)，比其他類型的機(jī)械手更接近于人的手臂。此類機(jī)械臂靈活性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊工作范圍大且占用空間小。本專利采用關(guān)節(jié)型機(jī)器手臂，包括基座5，腰部6，肩關(guān)節(jié)7，大臂8，肘關(guān)節(jié)9，小臂10，腕關(guān)節(jié)11，末端執(zhí)行器12，整套裝置固定在履帶車上。根據(jù)葡萄的套袋作業(yè)要求，機(jī)械臂選用4自由度設(shè)計(jì)，分別為腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、肩關(guān)節(jié)俯仰，肘關(guān)節(jié)俯仰，腕關(guān)節(jié)俯仰。為盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和體積，降低傳動機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，四個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式基本相同，均采用直流力矩電機(jī)串接諧波減速器的傳動方式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動元件和執(zhí)行部分合二為一的目的。底座及關(guān)節(jié)連桿設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，底座和各關(guān)節(jié)均采用鋁合金材料，而各連桿則選用輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維管?？刂葡到y(tǒng)采用基于CAN總線通信的分布式控制，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)控制器分布在各個(gè)關(guān)節(jié)上，并作為CAN總線上的節(jié)點(diǎn)，與上位機(jī)通信只需四根連線，不僅大大簡化系統(tǒng)布線，而且可方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)擴(kuò)展。本裝置由車載計(jì)算機(jī)中的機(jī)械臂軌跡規(guī)劃和運(yùn)動控制系統(tǒng)控制。當(dāng)計(jì)算機(jī)視覺識別定位系統(tǒng)將識別出的葡萄的空間坐標(biāo)及其他信息傳送到機(jī)械臂軌跡規(guī)劃和運(yùn)動控制系統(tǒng)中后，運(yùn)動控制中心將進(jìn)行軌跡推算各個(gè)關(guān)節(jié)合理的運(yùn)動參數(shù)，并向各個(gè)關(guān)節(jié)傳送運(yùn)動指令，使機(jī)械臂準(zhǔn)確到達(dá)套袋位置，末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)葡萄的套袋操作。末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器12固定在機(jī)械臂末端的，采用的齒輪齒條式開閉機(jī)構(gòu)。主要由電機(jī)，手指，齒輪，齒條，滑塊，滑軌，手架組成。左手指26與左齒條28通過螺釘固定在左滑塊27上，右手指23與右齒條20同樣通過螺釘固定在右滑塊22上?；瑝K分別通過滑軌固定在手架21上，所述滑軌包括并排設(shè)置的第一滑軌24和第二滑軌25，并且可以在滑軌上移動。步進(jìn)電機(jī)19通過螺栓固定在手架21上，電機(jī)軸通過銷釘與齒輪軸固定。通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而控制齒輪的正反轉(zhuǎn)。裝在電機(jī)軸上的主動齒輪29通過左齒條28和右齒條20將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥本€運(yùn)動。齒條的移動帶動了滑塊在滑軌上移動，進(jìn)而帶動了手指的移動。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，手指閉合，可以進(jìn)行撐袋和取袋的操作；反之，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，手指張開，即是封袋操作。手指的張開及閉合速度可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向得到實(shí)現(xiàn)。套袋及套袋方式目前市場上葡萄果袋的種類和顏色比較多，但其基本結(jié)構(gòu)相似。紙袋的袋口上粘貼了一條較軟的金屬絲，將紙袋套入葡萄后，用金屬絲將袋口扎緊，使果袋不致脫落。若機(jī)器人采用人工的方式做這項(xiàng)作業(yè)，將使機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和控制十分復(fù)雜。故通過簡單的修改套袋的結(jié)構(gòu)，從而簡化機(jī)器人的套袋操作。套袋袋口處有兩篇具有彈性的彈簧鋼片，由于傳統(tǒng)的紙袋彈性差，易破損，袋口處采用塑料材質(zhì)，用于包住兩條彈簧鋼片。彈簧鋼片下方是采用傳統(tǒng)的套袋紙。機(jī)器人末端執(zhí)行器手指從兩側(cè)用力一壓，彈簧鋼片受壓后張開，袋口即可張開，機(jī)器人末端執(zhí)行器手指松開袋口就能閉合，完成套袋動作。
果袋支架果袋支架4主要作用是支撐果袋和放置果袋。果袋支架主要有左支架33，右支架30，滑軌31及左固定架34，右固定架32組成。左支架33與右支架30之間的距離可以調(diào)整。支架底部可用螺栓頂住滑軌31，從而得到固定。整個(gè)支架通過螺栓固定在履帶車上。由于不同的葡萄采用的套袋大小不同，果袋支架之間的距離可調(diào)，從而滿足不同種類的葡萄套袋需要。未裝上果袋時(shí)，使支架之間的距離小于果袋的直徑，果袋裝入后彈簧鋼片處于小幅度的張開狀態(tài)，這樣不僅可以利用彈簧鋼片的張力將果袋固定在支架上，還有利于末端執(zhí)行器更加可靠、穩(wěn)定的取果袋。果袋上的彈簧鋼片寬度為20mm，為了防止果袋滑出支架，支架的做成了 V形槽，并每隔20mm留出一段IOmm的間隔，這樣可以更加方便的安裝多個(gè)果袋。
套袋機(jī)器人取袋及套袋過程從圖6可知，果袋在果架上的初始狀態(tài)是微張開的狀態(tài)，如(a)所示，這樣做不僅可以使果袋固定在果架上，而且有利于機(jī)器手指取果袋。機(jī)器人手指凹槽可以通過果袋架直接夾緊果袋上的彈簧鋼片，使果袋撐開自然脫離支架，如(b)所示，從而進(jìn)行下一步的套袋操作。機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)得到葡萄的形狀參數(shù)及空間位置參數(shù)后，將參數(shù)傳遞給機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與運(yùn)動控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)得到識別葡萄的信號后開始控制機(jī)械臂到達(dá)果袋支架位置，末端執(zhí)行器上的電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動帶動齒條相向運(yùn)動，手指加緊果袋上的彈簧鋼片使果袋脫離支架，同時(shí)也完成了將果袋撐開的操作。此時(shí)，機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與運(yùn)動控制系統(tǒng)通過得到的葡萄的形狀參數(shù)及空間位置參數(shù)計(jì)算出合理的運(yùn)動軌跡，并向各個(gè)關(guān)節(jié)傳送運(yùn)動指令，使機(jī)械臂準(zhǔn)確到達(dá)葡萄的正下方，控制隨后末端執(zhí)行器豎直上升，逐漸套至葡萄的穗柄處，此時(shí)，末端執(zhí)行器上的電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動齒條向兩側(cè)運(yùn)動，從而松開了彈簧鋼片，即可封袋。套袋完成后機(jī)器臂回零位，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。本實(shí)施例的套袋機(jī)器人基本工作過程(I)套袋機(jī)器人沿著導(dǎo)航路徑移動，雙目視覺識別定位系統(tǒng)中的攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集外界圖像。(2)雙目視覺識別定位系統(tǒng)不斷將采集到的圖像進(jìn)行葡萄識別處理，判斷采集到的圖像中是否存在葡萄及是否存在完整的葡萄。套袋時(shí)期的葡萄形狀雖各異，但其面積大小相差不大。故規(guī)定一個(gè)面積區(qū)間，葡萄圖像的面積位于這個(gè)區(qū)間內(nèi)且保持一段時(shí)間不變化，則認(rèn)為采集到了完整葡萄圖像。(3)當(dāng)攝像機(jī)采集到完整葡萄圖像，則機(jī)器人停止移動。(4)兩相機(jī)分別采集葡萄圖像，并計(jì)算其重心。利用雙目視覺立體定位，得到其深度信息，從而確定其在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。同時(shí)計(jì)算出葡萄在豎直方向上的長度及寬度等參數(shù)信息，確定其中心線所在位置。(5)利用攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，把葡萄重心，中心線及果穗長度等在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的信息轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系下的對應(yīng)參數(shù)信息。(6)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的葡萄空間坐標(biāo)信息及葡萄的長度，寬度參數(shù)輸入到機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及運(yùn)動控制系統(tǒng)中，同時(shí)向機(jī)械臂控制系統(tǒng)發(fā)出啟動命令。(7)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及運(yùn)動控制系統(tǒng)收到啟動命令后，通過軌跡規(guī)劃使機(jī)械臂準(zhǔn)確到達(dá)果袋支架位置，末端執(zhí)行器手指閉合完成取袋及撐開套袋的操作。(8)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及運(yùn)動控制系統(tǒng)利用葡萄空間坐標(biāo)信息及葡萄的長度，寬度參數(shù)進(jìn)行軌跡推算各個(gè)關(guān)節(jié)合理的運(yùn)動參數(shù)，并向各個(gè)關(guān)節(jié)傳送運(yùn)動指令。通過機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃，使套袋機(jī)器人的末端執(zhí)行器位于果穗的正下方，使果袋的中心線與葡萄果穗的中心線在同一直線上，隨后果袋豎直向上逐漸套至葡萄的穗柄處后封袋。首先將套袋末端執(zhí)行器運(yùn)動至葡萄果穗正下方50mm處，套袋末端執(zhí)行器手指的中心線與雙目視覺系統(tǒng)得到的葡萄的中心線位置保持在同一直線上。隨后套袋末端執(zhí)行器豎直上升，上升停止高度為葡萄高度的上方15_處，末端執(zhí)行器手指張開即可封袋。(9)控制系統(tǒng)通過分析套袋后的圖像，分析是否套袋完成，若未完成，則繼續(xù)重復(fù)步驟⑷。
(10)套袋完成后機(jī)器臂回零位，機(jī)器人機(jī)器前進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人智能移動平臺、計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置和機(jī)械臂套袋裝置； 所述機(jī)器人智能移動平臺包括履帶車、運(yùn)動控制器、電機(jī)驅(qū)動器、車載計(jì)算機(jī)，云臺攝像機(jī)和二維激光測距儀，所述履帶車內(nèi)安裝車載計(jì)算機(jī)，所述車載計(jì)算機(jī)還包括自動路徑導(dǎo)航模塊，將云臺攝像機(jī)獲取的導(dǎo)航路徑信息進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得到的路徑導(dǎo)航參數(shù)輸送給運(yùn)動控制器，車輪電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)運(yùn)動控制器輸出的兩輪差速對履帶車進(jìn)行路徑跟蹤；障礙物檢測模塊，利用二維激光測距儀的障礙物檢測傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行180°掃描，獲得障礙物的位置信息； 所述計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置包括豎直滑軌和用以采集葡萄圖像的雙目彩色CCD相機(jī)，所述履帶車上安裝豎直滑軌，所述雙目彩色CCD相機(jī)可上下移動地安裝在所述豎直滑軌上，所述車載計(jì)算機(jī)還包括用以根據(jù)葡 萄圖像確定葡萄重心在圖像中的二維坐標(biāo)，再利用雙目立體定位算法確定深度信息，利用攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到葡萄重心及葡萄中心線在機(jī)器人坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)及形狀參數(shù)的葡萄定位模塊； 機(jī)械臂套袋裝置包括機(jī)械臂、末端執(zhí)行器和套袋，所述機(jī)械臂安裝在所述履帶車上，所述機(jī)械臂上安裝末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器上安裝套袋。
2.如權(quán)利要求I所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)械臂包括從下到上依次連接的基座、腰部、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述基座固定安裝在履帶車上，所述基座上可轉(zhuǎn)動地安裝腰部，所述腰部上安裝可俯仰轉(zhuǎn)動的肩關(guān)節(jié)，所述肩關(guān)節(jié)與大臂下端連接，所述大臂上端與可俯仰轉(zhuǎn)動的肘關(guān)節(jié)連接，所述肘關(guān)節(jié)與小臂下端連接，所述小臂上端與可俯仰轉(zhuǎn)動的腕關(guān)節(jié)連接，所述腕關(guān)節(jié)上安裝末端執(zhí)行器。
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述末端執(zhí)行器包括手臂連接架、步進(jìn)電機(jī)、主動齒輪、左齒條、右齒條、左滑塊、右滑塊、滑軌、左手指和右手指，所述步進(jìn)電機(jī)安裝在所述手臂連接架上，所述步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上安裝所述主動齒輪，所述主動齒輪的上下分別與左齒條、右齒條嚙合，所述左齒條與左滑塊固定連接，所述右齒條與右滑塊固定連接，所述手臂連接架上安裝滑軌，所述左滑塊、右滑塊分別套裝在所述滑軌上，所述左滑塊上安裝左手指，所述右滑塊上安裝右手指。
4.如權(quán)利要求I或2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述套袋的袋口設(shè)有兩片具有彈性的彈性鋼片。
5.如權(quán)利要求I或2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述果袋支架包括左固定架、右固定架、滑軌、左支架和右支架，所述左固定架、右固定架分別安裝在履帶車上，所述左固定架、右固定架之間安裝滑軌，所述滑軌上安裝左支架和右支架。
6.如權(quán)利要求I或2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述車載計(jì)算機(jī)還包括葡萄識別及定位模塊，用以根據(jù)葡萄重心及葡萄中心線在機(jī)器人坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)及形狀參數(shù)，計(jì)算機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，依照機(jī)械臂軌跡規(guī)劃控制腰部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)動作，使得末端執(zhí)行器運(yùn)動至葡萄的正下方；自動套袋模塊，用以控制末端執(zhí)行器上升，并將初始狀態(tài)為閉合狀態(tài)的手指張開完成封袋。
7.如權(quán)利要求5所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述車載計(jì)算機(jī)還包括果袋支架定位模塊，根據(jù)果袋支架在履帶車上的位置參數(shù)，進(jìn)行機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，依照機(jī)械臂軌跡規(guī)劃控制腰部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)動作，使得末端執(zhí)行器到達(dá)果袋支架位置；自動取袋模塊，用于控制末端執(zhí)行器手指閉合，完成取袋及撐開套袋的操作。
8.如權(quán)利要求I或2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置還包括背景板，所述履帶車上安裝豎向滑軌，所述豎向滑軌上可上下移動地安裝背景板。
全文摘要
一種基于機(jī)器視覺的葡萄套袋機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人智能移動平臺、計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置和機(jī)械臂套袋裝置；機(jī)器人智能移動平臺包括履帶車、運(yùn)動控制器、電機(jī)驅(qū)動器、車載計(jì)算機(jī)、云臺攝像機(jī)及二維激光測距儀，履帶車內(nèi)安裝車載計(jì)算機(jī)，車載計(jì)算機(jī)還包括自動路徑導(dǎo)航模塊和障礙物檢測模塊；計(jì)算機(jī)視覺識別定位裝置包括履帶車、豎直滑軌和用以采集葡萄圖像的雙目彩色CCD相機(jī)，履帶車上安裝豎直滑軌，雙目彩色CCD相機(jī)可上下移動地安裝在豎直滑軌上，履帶車內(nèi)安裝車載計(jì)算機(jī)，機(jī)械臂套袋裝置包括機(jī)械臂、末端執(zhí)行器和套袋，機(jī)械臂安裝在履帶車上，機(jī)械臂上安裝末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器上安裝套袋。本發(fā)明能降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率。
文檔編號B25J5/00GK102613041SQ20121011024
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者劉燦, 楊慶華, 荀一, 賈挺猛 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)