CN104584780A

CN104584780A - 一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手

Info

Publication number: CN104584780A
Application number: CN201510035992.6A
Authority: CN
Inventors: 伍锡如; 孙贤刚; 党选举; 吴军; 黄国明; 张向文; 叶松; 彭智勇; 刘金霞
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-05-06

Abstract

本发明公开了一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手，其特征是包括从上至下顺序连接的气动剪刀手机构、旋转机构、光电机构和传动机构，在气动剪刀手机构上设置有图像采集装置，图像采集装置与智能控制系统连接。本发明结构简单、自动化程度高，适用性广、移植性强。本系统能广泛适用于果蔬的采摘和回收，具有广阔的前景。

Description

一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手

技术领域

本发明涉及机械手，特别是一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手。

背景技术

目前，随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已经进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。由于果蔬采摘作业的复杂性,采摘自动化程度仍然很低。国内果蔬采摘作业基本上还是靠手工完成。进入21世纪,世界各国均面临老龄化问题,劳动力不仅成本高,而且还不容易得到。采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售从而最终影响市场价格和经济效益。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统。因此,发展机械化收获技术,研究开发果蔬采摘机器人,具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手。该柔性机械手结构简单，适用性广，能显著的提高生产效率，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手，包括从上至下顺序连接的气动剪刀手机构、旋转机构、光电机构和传动机构，在气动剪刀手机构上设置有图像采集装置，图像采集装置与智能控制系统连接。

所述旋转机构包括能水平、垂直自由旋转的关节转动轴、与关节转动轴连接的关节电机和旋转臂，关节电机与光电机构、关节电气系统连接，剪刀手机构通过连接臂与关节转动轴连接，通过关节转动轴的转动，控制气动剪刀手机构在三维空间中灵活伸缩并采摘果实。

所述关节转动轴从下至上分为第一关节转动轴、第二关节转动轴、第三关节转动轴和第四关节转动轴，其中：

第一关节转动轴平行于水平面做旋转运动，运动角度范围为180°，最大运动速度为60°/s；

第二关节转动轴做垂直于水平面的旋转运动，运动角度范围为120°，最大运动速度为60°/s；

第三关节转动轴做垂直于水平面的旋转运动，运动角度范围为120°，最大运动速度为60°/s；

第四关节转动轴做垂直于水平面的旋转运动，运动角度范围为180°，最大运动速度为60°/s；

第二关节转动轴与第三关节转动轴之间的臂长为380mm，第三关节转动轴至第四关节转动轴之间的臂长为330mm；整个关节转动轴的最大展开半径为850mm；整体直立高度为1050mm。

所述关节电机分别与每个关节转动轴连接，内设置有失电制动器和减速器，由直流伺服电机驱动，分别控制每个关节转动轴运动，其供电电源和功率分别为24v和400w，其中：各关节均由直流伺服电机连接行星减速器或谐波减速器驱动。

所述关节电气系统由直流电机、编码器、制动器和光电开关相连组成。

所述剪刀手机构由气动系统和与气动系统连接的可张开、闭合的剪刀手构成，剪刀手内设有采摘刀片，刀片下设有缓冲垫，利用气动系统带来的压力瞬间剪断果实果柄，并夹住果柄末端，回收到果篮中。

所述图像采集装置为CCD摄像机，利用CCD摄像机获取果实的图像，并传送至智能控制系统，对所获取的果实图像进行图像分析，以识别当前果实是否成熟，如成熟则采摘；同时，CCD摄像机还可以实时反馈采摘工作是否完成，提高了采摘的准确率。

所述智能控制系统和图像采集装置是利用双目视觉系统进行检测，通过视觉处理获取的果实的成熟程度及其三维坐标，同时将得到的目标果实的三维坐标传递到智能控制系统，从而控制气动剪刀手机构执行采摘工作。

所述光电机构分别与每个关节转动轴连接，机械手运动过程中光电开关指示灯会实时的出现灯亮和熄灭的过程，此过程是防止各个关节偏出旋转角度，导致损坏关节。

所述传动机构采用同步齿形带传动，带的厚度小，单位长度的质量小，节省了空间，且允许的线速度较高。

本发明柔性机械手可整体安装在移动平台上，以满足机械手在较为崎岖的果园里灵活移动。

本发明的优点是：

1、结构简单、自动化程度高，适用性广、移动性强。本系统能广泛适用于果蔬的采摘和回收，具有广阔的前景。

2、本发明通过与智能控制系统连接，在移动平台上加装一个图像采集装置和一个剪刀手机构，能够自动检测果实的颜色、大小、形状，然后对获取的图像进行自动处理、检测和识别，以便提高系统的运行效率，将改变目前采摘果蔬环节全部依靠人工的现状，大大提高其生产的自动化水平。

3、在机械手上面加装一个摄像头，实时反馈采摘情况，提高了采摘的准确率。

附图说明

图1为本发明柔性机械手的结构示意图；

图2为机械手每个关节运动规划的程序流程图；

图3为机械手的关节结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行阐述，但不是对本发明内容的限定。

实施例：

参照图1，一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手，由设置在底座16上、从下至上顺序串联的传动机构、光电机构、旋转机构、气动剪刀手2和CCD摄像机29组成，底座16通过螺栓与移动平台连接。

旋转机构由能水平、垂直四维度自由旋转的关节转动轴、与关节转动轴连接的关节电机、光电机构和旋转臂组成，关节转动轴从下至上分为第一关节转动轴17、第二关节转动轴9、第三关节转动轴22和第四关节转动轴27，各关节转动轴顺序串联，由全直流伺服电机驱动。其中：

第一关节转动轴17做平行于水平面做旋转运动，其运动角度范围为180°，最大运动速度为60°/s；第一关节转动轴17与第一关节电机相连，在该转动轴17右侧设有用于控制旋转关节复位的第一关节复位光电开关13和与该开关13连接的第一关节光电开关挡片14，当该关节转动时，挡片14将光线挡住,关节会一直转动,直至挡片14没有把光挡住为止；转动轴17左侧设有第一关节机械挡块18，防止机械手转动过多的角度，第一关节转动轴17下端通过第一连接臂15与底座16连接，上端与第二关节转动轴9扣接；

第二关节转动轴9做垂直于水平面的旋转运动，其运动角度范围为120°，最大运动速度为60°/s；第二关节转动轴9通过第二关节动力传送带19与第二关节电机7连接，其一侧设有用于控制旋转关节复位的第二关节复位光电开关10和与该开关10连接的第二关节机械挡片11，转动轴9上设有第二关节机械挡块11，机械挡块11用以防止转动轴超过转动范围，从而损坏机械手，当该关节转动时，如果光电开关10上的挡片将光线挡住,关节会一直转动,直至挡片没有把光挡住为止，在第二关节转动轴9下方还设有辅助机械挡块；保护谐波减速器,避免第二关节机械挡块11与辅助机械挡块相互碰撞，如果碰撞了就说明转动角度过大；

第三关节转动轴22做垂直于水平面的旋转运动，其运动角度范围为120°，最大运动速度为60°/s；第三关节转动轴22通过第三关节动力传送带6与第三关节电机20连接，其一端设有用于控制旋转关节复位的第三关节复位光电开关23和与该开关23连接的第三关节光电开关挡片21，当该关节转动时，挡片21将光线挡住,关节会一直转动,直至挡片21没有把光挡住为止；第三关节转动轴22通过第二连接臂24与第四关节转动轴27连接；在第三关节电机20内设有第三关节谐波减速器；

第四关节转动轴27做垂直于水平面的旋转运动，其运动角度范围为180°，最大运动速度为60°/s；第四关节转动轴27通过第四关节动力传送带4与第四关节电机25连接，其一端设有用于控制旋转关节的转动角度和时间的第四关节复位光电开关28和与该开关28连接的第四关节光电开关挡片26，当该关节转动时，挡片26将光线挡住,关节会一直转动,直至挡片26没有把光挡住为止；转动轴27左侧设有第四关节机械挡块5，防止机械手转动过多的角度，第四关节转动轴27通过第三连接臂3与气动剪刀手2连接；通过第四关节转动轴27的转动，控制气动剪刀手2在三维空间中灵活伸缩并采摘果实。

第二关节转动轴9与第三关节转动轴22之间连接臂的长为380mm，第三关节转动轴22至第四关节转动轴27之间的连接臂长为330mm；整个关节转动轴的最大展开半径为850mm；整体直立高度为1050mm。

第一关节电机、第二关节电机7、第三关节电机20和第四关节电机25分别与关节电气系统连接，其内部设置有失电制动器和谐波减速器，由直流伺服电机驱动，分别控制每个关节转动轴运动，其供电电源和功率分别为24v和400w，其中：各关节均由直流伺服电机连接行星减速器或谐波减速器驱动。所述关节电气系统由直流电机、编码器、制动器和光电开关相连组成。

所述气动剪刀手2由气泵和与气泵连接的可张开、闭合的剪刀手构成，剪刀手内设有采摘刀片1，刀片1下设有缓冲垫，气动剪刀手通过气泵进气管口与气动系统连接，利用气动系统带来的压力瞬间剪断果实果柄，并夹住果柄末端，回收到果篮中。

所述图像采集装置为CCD摄像机29，利用CCD摄像机29获取果实的图像，并传送至智能控制系统，对所获取的果实图像进行图像分析，以识别当前果实是否成熟，如成熟则采摘；同时，CCD摄像机29还可以实时反馈采摘工作是否完成，提高了采摘的准确率。

所述智能控制系统和图像采集装置是利用双目视觉系统进行检测，通过视觉处理获取的果实的成熟程度及其三维坐标，同时将得到的目标果实的三维坐标传递到智能控制系统并控制剪刀手机构执行采摘工作。

所述传动机构采用同步齿形带传动，带的厚度小，单位长度的质量小，节省了空间且允许的线速度较高。

参照图2，本发明柔性机械手每个关节运动规划的程序流程是：

步骤201：初始化机械臂及PC端；

步骤202：判断CAN总线接收中断标志是否为1，不是则等待；

步骤202：若CAN总线接收中断标志为1，则判断关节角度是否接收完，若不是，返回202步；

步骤203：若关节的角度接收完，则规划从非工作状态初始位姿到工作状态初始位姿的轨迹；

步骤204：通过CAN总线发送上一步所规划的运动参数，机械臂进行复位运动；

步骤205：获取目标点坐标；

步骤206：规划工作状态初始位姿到目标点的轨迹；

步骤207：通过CAN总线发送上一步所规划的运动参数，机械臂执行指令，运动至目标点；

步骤208：控制手抓抓取目标点的果实；

步骤209：规划目标点到放置点的运动轨迹；

步骤210：通过CAN总线发送上一步所规划的运动参数，机械臂执行指令，运动至放置点；

步骤211：规划放置点到工作状态初始位姿的轨迹；

步骤212：通过CAN纵向发送上一步所规划的运动参数，机械臂执行指令，恢复到初始位姿。

由图3可知轻型臂逆运动学计算方法，肩部2关节、肘部1关节、腕部2关节，各连杆姿态之间关系为R₅＝R₀R_z(q₁)R_y(q₂)R_y(q₃)R_y(q₄)R_z(q₅)，式中R₅轻型臂末端的姿态(即抓取工具夹的姿态)，R₀为基座姿态；

R_{x} (q_{i}) = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos (q_{i}) & - \sin (q_{i}) \\ 0 & \sin (q_{i}) & \cos (q_{i}) \end{matrix}], R_{y} (q_{i}) = [\begin{matrix} \cos (q_{i}) & 0 & \sin (q_{i}) \\ 0 & 1 & 0 \\ - \sin (q_{i}) & 0 & \cos (q_{i}) \end{matrix}],

R_{z} (q_{i}) = [\begin{matrix} \cos (q_{i}) & - \sin (q_{i}) & 0 \\ \sin (q_{i}) & \cos (q_{i}) & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}],;

q₁＝-a tan 2(-r_y,r_x)；

q_{2} = \arcsin ((\frac{r_{x}}{c 1}) / \sqrt{U^{2} + W^{2}}) - γ^{2},

q_{3} = π - \arccos (\frac{{L_{2}}^{2} + {L_{3}}^{2} - C^{2}}{2 L_{2} L_{3}}),

q₄＝(π/2)-q₂-q₃，q₅＝0

其中：

p_j----在世界坐标系中的位置；R_j----在世界坐标系中的姿态；a_j----关节轴矢量q_j----关节角。

本机械手用于采摘苹果时，将本机械手通过螺栓固定在移动平台上，CCD摄像机采集图像，对所述的图像进行分析处理，检索出机械手前方是否存在的可采摘的苹果，如果没有可采摘的苹果，移动平台通过差速运动旋转60°，视觉系统再次采集图像并分析，如果仍没有，移动平台重复上一步指令，如果移动平台旋转一周后，视觉系统仍没发现可采摘的苹果，那么装置进入休眠模式；如果所述的视觉系统发现可采摘的苹果，那么将求解出苹果所处的空间位置，同时将得到的目标苹果的三维坐标传递到智能控制端并控制机械手，接着执行采摘工作；如果机械手无法到达所所述的三维坐标的位置，通过不断地反馈并移动平台将根据目标苹果的位置坐适当调整，直到机械手可以实现采摘，如果所述的双目视觉系统检测到有多个苹果满足采摘条件，则距离装置最近的苹果将优先被采摘，然后再次采摘剩下中的距离最近的苹果，采摘时优先识别颜色比较红的，对绿色苹果则不识别；最终采摘到的苹果放置于小车前端的篮子里，这样一次苹果的采摘过程就结束了，整个过程实现了完全的智能化。

Claims

1.一种用于检测果实成熟度及采摘的柔性机械手，其特征是：包括从上至下顺序连接的气动剪刀手机构、旋转机构、光电机构和传动机构，在气动剪刀手机构上设置有图像采集装置，图像采集装置与智能控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述旋转机构包括能水平、垂直自由旋转的关节转动轴、与关节转动轴连接的关节电机和旋转臂，关节电机与光电机构、关节电气系统连接，剪刀手机构与关节转动轴连接。

3.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述关节转动轴从下至上分为第一关节转动轴、第二关节转动轴、第三关节转动轴和第四关节转动轴，其中：

第二关节转动轴与第三关节转动轴之间的连接臂长为380mm，第三关节转动轴至第四关节转动轴之间的臂长为330mm；整个关节转动轴的最大展开半径为850mm；整体直立高度为1050mm。

4.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述关节电机分别与每个关节转动轴连接，其内部设置有失电制动器和减速器，由直流伺服电机驱动，分别控制每个关节转动轴运动，其供电电源和功率分别为24v和400w，其中：各关节均由直流伺服电机连接行星减速器或谐波减速器驱动。

5.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述关节电气系统由直流电机、编码器、制动器和光电开关相连组成。

6.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述剪刀手机构由气动系统和与气动系统连接的可张开、闭合的剪刀手构成，剪刀手内设有采摘刀片，刀片下设有缓冲垫。

7.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述图像采集装置为CCD摄像机。

8.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述光电机构分别安装在每个关节的转动轴上。

9.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征是：所述传动机构采用同步齿形带传动。