CN107309876A - 机械手采摘的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械手采摘的控制方法,包括如下步骤：（1）通过立体视觉、GPS系统测出桑叶桑枝及障碍物位置；（2）在世界坐标下以摄像机为原点计算出桑叶桑枝及障碍物坐标；（3）经特征提取建立虚拟三维模型，应用直线探测法算出机械手最优运动路径；（4）电动机驱动固定机械手按最优路径到指定位置并反馈；（5）固定机械手在力传感器监控下握紧桑枝，采摘机械手按最优路径到指定位置；（6）立体视觉系统得桑叶图像，识别系统监控采摘动作；（7）采摘、固定机械手依次按记忆路径返回；（8）收集桑叶，完成采摘。本发明可使机械手按搜索得到的最优采摘路径进行工作，从而节省时间、提高效率，具有实用性强、操控简单、使用灵活优点。

Description

机械手采摘的控制方法
技术领域
本发明涉及树叶采摘机器领域，具体涉及一种机械手采摘的控制方法。
背景技术
随着东桑西移工程的实施，目前全国的桑蚕养殖处于旺盛阶段，但是我国的采摘桑叶主要通过手工采摘，手工采摘时间长，劳动强度大，还会使农户的手部受伤。国家为保持农民收入持续较快增长需要大力发展农业机械化，农业机械化更是推进现代农业建设的重要物质基础。
近几年来，采桑机械取得了一定的发展，在桑叶采摘方面也产生了许多专利。
专利号为201120287574.3，名称为“桑叶采摘器”的中国实用新型专利公开了一种桑叶采摘器，该采摘器具有速度快，采摘桑叶不伤手，体积小，可单手握在手心操作，左右手均可。重量轻，不到150克，适用各种桑树品种，对于大小不同的桑枝都可快速采摘；
专利号为201220176574.0，名称为“一种新型桑叶采摘机”的中国实用新型专利公开了一种新型桑叶采摘机，该新型桑叶采摘机中间凹的S形的导板设置于储电池驱动器前下部，由带齿钉的传送带，收集风扇，滚轮，连杆，下收集板，轮子，打轮，上收集网，操纵杆，出叶口组成。
这些采桑器的出现虽然可以大大的降低农户的劳动强度，但是这些桑叶采摘器的设计都没有改变桑农的采摘模式，主要还是依靠桑农的人工劳动力，劳动成本高，采摘速度和采摘效率偏低，使用不方便。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的问题是如何改变桑农的采摘模式，提高桑叶采摘速度和采摘效率，并且在采摘过程能降低劳动成本、使用方便。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种机械手采摘的控制方法，包括如下步骤：
(1)通过立体视觉系统及GPS模块检测和识别得出桑叶、桑枝、障碍物位置信息。
(2)以摄像机作为世界坐标的原点，确定桑叶、桑枝、障碍物的世界坐标，计算出桑叶、桑枝、障碍物坐标信息。
(3)对桑叶、桑枝、障碍物进行特征提取，建立虚拟三维模型，应用基于直线探测法进行机械手路径规划计算，得到无碰路径，确定最优运动路径，其具体过程如下：
1)通过定位系统确定桑叶采摘机与目标位置坐标分别为A(Xa,Ya)，B(Xb,Yb)，桑叶采摘机从起点A沿着线性方程向终点B移动；以起点坐标A(Xa,Ya)作为初值，当桑叶机械手向终点B运动时,X、Y坐标值不断变化，当遇到障碍时确定坐标，以障碍点O(XO,YO)为局部坐标中心，分别向上，下，左，右，左上，右上，左下，右下八个方向进行扩展得到八个新的坐标；即：O1(XO,YO-1)，O2(XO,YO+1),O3(XO-1,YO),O4(XO+1,YO),O5(XO-1,YO-1),O6(XO+1,YO-1),O7(XO-1,YO+1)，O8(XO+1,YO+1)，并判断新坐标点是否遇到障碍物，把不再是障碍点的坐标存入一个数组中，选择X、Y中极值坐标，确定障碍物C、D极值坐标，从而建立障碍物的外接矩形，进而确定障碍物与运动物体所能发生碰撞的范围；
2)通过A、B两点坐标建立终点坐标B关于起点坐标A的线性方程；判断运动时的坐标点是否在碰撞范围内，从而确定障碍物与运动物体是否发生碰撞；
3)选择外接矩形的顶点为新的坐标点，新的坐标点作为下一次搜索路径的起点，新坐标点称为中途点；
①如果坐标(X，Y)处没有障碍物，机械手继续前进得到新的坐标点，继续判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物，直到寻找到目标B为止；从而建立起点、终点之间的线性方程，机械手按此路径运动；
②如果坐标(X，Y)处有障碍物，则取Xb-Xa的符号为增量值ΔX的符号，自变量X递增增量值(|ΔX|＝1)，即：Xi+1＝Xi+ΔX，Y值不变，且令X＝Xi+1,判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物：
如果新坐标(X，Y)处依然有障碍物，则继续②；
如果新坐标(X，Y)处不是障碍物，则自变量X不变，取Xb-Xa的符号为增量值ΔY的符号，因变量Y递增增量值(|ΔY|＝1)，即：Yi+1＝Yi+ΔY，且令Y＝Yi+1，从而选择外接矩形顶点成为新的坐标(X，Y)；
③在新的坐标(X，Y)与桑叶机械手A(Xa,Ya)之间建立线性方程，则桑叶机械手沿着两坐标点之间按线性方程运动；
④以桑叶机械手的新坐标即中途点为起点，以坐标B(Xb,Yb)为终点建立线性方程，从而形成新的直线路径，继续向目标B移动；
⑤重复步骤①、②、③、④直至寻找到目标B；
⑥对步骤①、②、③、④、⑤所找到的所有桑叶机械手从起点A到目标B之间的路径，通过用距离公式进行求解，从所有的路径中找出最小的距离做为最优运动路径，通过步骤①、②、③、④、⑤可得中途点为e、f、c、d、g，通过计算路径AefB即为桑叶机械手从起点A向目标B移动的最优运动路径。
(4)固定机械手在电动机的驱动下，按照最优运动路径到达指定位置并根据反馈信息进行下一步动作；
(5)固定机械手根据力传感器显示在不损伤桑枝前提下握紧桑枝，随后采摘机械手按照最优运动路径运动到达指定位置；
(6)采摘机械手通过立体视觉系统获取桑叶图像，通过识别系统监控做往复运动采摘动作，直至采摘结束；
(7)采摘机械手和固定机械手按记忆的路径离开采摘桑枝位置；
(8)将采摘好的桑叶进行收集。
采用本发明的技术方案可使机械手按搜索得到的最优采摘路径进行工作，节省动作时间，提高工作效率，具有实用性强、操控简单、使用灵活优点。
附图说明
图1为采摘机械手的轴测图；
图2为本发明流程图；
图3为最优运动路径选择确定过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种桑叶自动采摘机，主要包括固定机械手6、采摘机械手5、聚拢框3、接叶框1、收集袋2。固定机械手6、采摘机械手5主要由硬件装置和软件控制两部分组成，硬件装置中嵌有软件控制部分，包括视觉系统，工控系统等，可实现固定、采摘、收集顺序动作，在采摘过程中利用视觉，受力等多传感器信息融合，实时感知环境信息及障碍物信息，通过仿照人手型及其采摘动作，由固定机械手固定，采摘机械手往复运动采摘，从而实现固定、采摘、收集一体化采摘作业。
图2示出了本发明流程图，包括如下步骤：
(1)通过立体视觉系统及GPS模块检测和识别得出桑叶、桑枝、障碍物位置信息；
(2)以摄像机作为世界坐标的原点，确定桑叶、桑枝、障碍物的世界坐标，计算出桑叶、桑枝、障碍物坐标信息；
(3)对桑叶、桑枝、障碍物进行特征提取，建立虚拟三维模型，应用基于直线探测法进行机械手路径规划计算，得到无碰路径，确定最优运动路径；
(4)固定机械手在电动机的驱动下，按照最优运动路径到达指定位置并根据反馈信息进行下一步动作；
(5)固定机械手根据力传感器显示在不损伤桑枝前提下握紧桑枝，随后采摘机械手按照最优运动路径运动到达指定位置；
(6)采摘机械手通过立体视觉系统获取桑叶图像，通过识别系统监控做往复运动采摘动作，直至采摘结束；
(7)采摘机械手和固定机械手按记忆的路径离开采摘桑枝位置；
(8)将采摘好的桑叶进行收集，完成采摘过程。
图3示出了最优运动路径选择确定具体过程：
1)通过定位系统确定桑叶采摘机与目标位置坐标分别为A(Xa,Ya)，B(Xb,Yb)，桑叶采摘机从起点A沿着线性方程向终点B移动；以起点坐标A(Xa,Ya)作为初值，当桑叶机械手向终点B运动时,X、Y坐标值不断变化，当遇到障碍时确定坐标，以障碍点O(XO,YO)为局部坐标中心，分别向上，下，左，右，左上，右上，左下，右下八个方向进行扩展得到八个新的坐标；即：O1(XO,YO-1)，O2(XO,YO+1),O3(XO-1,YO),O4(XO+1,YO),O5(XO-1,YO-1),O6(XO+1,YO-1),O7(XO-1,YO+1)，O8(XO+1,YO+1)，并判断新坐标点是否遇到障碍物，把不再是障碍点的坐标存入一个数组中，选择X、Y中极值坐标，确定障碍物C、D极值坐标，从而建立障碍物的外接矩形，进而确定障碍物与运动物体所能发生碰撞的范围；
2)通过A、B两点坐标建立终点坐标B关于起点坐标A的线性方程；判断运动时的坐标点是否在碰撞范围内，从而确定障碍物与运动物体是否发生碰撞；
3)选择外接矩形的顶点为新的坐标点，新的坐标点作为下一次搜索路径的起点，新坐标点称为中途点；
①如果坐标(X，Y)处没有障碍物，机械手继续前进得到新的坐标点，继续判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物，直到寻找到目标B为止；从而建立起点、终点之间的线性方程，机械手按此路径运动；
②如果坐标(X，Y)处有障碍物，则取Xb-Xa的符号为增量值ΔX的符号，自变量X递增增量值(|ΔX|＝1)，即：Xi+1＝Xi+ΔX，Y值不变，且令X＝Xi+1,判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物：
如果新坐标(X，Y)处依然有障碍物，则继续②；
如果新坐标(X，Y)处不是障碍物，则自变量X不变，取Xb-Xa的符号为增量值ΔY的符号，因变量Y递增增量值(|ΔY|＝1)，即：Yi+1＝Yi+ΔY，且令Y＝Yi+1，从而选择外接矩形顶点成为新的坐标(X，Y)；
③在新的坐标(X，Y)与桑叶机械手A(Xa,Ya)之间建立线性方程，则桑叶机械手沿着两坐标点之间按线性方程运动；
④以桑叶机械手的新坐标即中途点为起点，以坐标B(Xb,Yb)为终点建立线性方程，从而形成新的直线路径，继续向目标B移动；
⑤重复步骤①、②、③、④直至寻找到目标B；
⑥对步骤①、②、③、④、⑤所找到的所有桑叶机械手从起点A到目标B之间的路径，通过用距离公式进行求解，从所有的路径中找出最小的距离做为最优运动路径，通过步骤①、②、③、④、⑤可得中途点为e、f、c、d、g，通过计算路径AefB即为桑叶机械手从起点A向目标B移动的最优运动路径。
采用本发明的技术方案可使机械手按搜索得到的最优采摘路径进行工作，节省动作时间，提高工作效率，具有实用性强、操控简单、使用灵活优点。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种机械手采摘的控制方法,其特征在于：包括如下步骤：
(1)通过立体视觉系统及GPS模块检测和识别得出桑叶、桑枝、障碍物位置信息；
(2)以摄像机作为世界坐标的原点，确定桑叶、桑枝、障碍物的世界坐标，计算出桑叶、桑枝、障碍物坐标信息；
(3)对桑叶、桑枝、障碍物进行特征提取，建立虚拟三维模型，应用基于直线探测法进行机械手路径规划计算，得到无碰路径，确定最优运动路径；
(4)固定机械手在电动机的驱动下，按照最优运动路径到达指定位置并根据反馈信息进行下一步动作；
(5)固定机械手根据力传感器显示在不损伤桑枝前提下握紧桑枝，随后采摘机械手按照最优运动路径运动到达指定位置；
(6)采摘机械手通过立体视觉系统获取桑叶图像，通过识别系统监控做往复运动采摘动作，直至采摘结束；
(7)采摘机械手和固定机械手按记忆的路径离开采摘桑枝位置；
(8)将采摘好的桑叶进行收集，完成采摘过程。
2.根据权利要求1所述的机械手采摘的控制方法,其特征在于：在步骤(3)中，确定最优运动路径具体过程如下：
1)通过定位系统确定桑叶采摘机与目标位置坐标分别为A(Xa,Ya)，B(Xb,Yb)，桑叶采摘机从起点A沿着线性方程向终点B移动；以起点坐标A(Xa,Ya)作为初值，当桑叶机械手向终点B运动时,X、Y坐标值不断变化，当遇到障碍时确定坐标，以障碍点O(XO,YO)为局部坐标中心，分别向上，下，左，右，左上，右上，左下，右下八个方向进行扩展得到八个新的坐标，即：O1(XO,YO-1)，O2(XO,YO+1),O3(XO-1,YO),O4(XO+1,YO),O5(XO-1,YO-1),O6(XO+1,YO-1),O7(XO-1,YO+1)，O8(XO+1,YO+1)，并判断新坐标点是否遇到障碍物，把不再是障碍点的坐标存入一个数组中，选择X、Y中极值坐标，确定障碍物C、D极值坐标，从而建立障碍物的外接矩形，进而确定障碍物与运动物体所能发生碰撞的范围；
2)通过A、B两点坐标建立终点坐标B关于起点坐标A的线性方程；判断运动时的坐标点是否在碰撞范围内，从而确定障碍物与运动物体是否发生碰撞；
3)选择外接矩形的顶点为新的坐标点，新的坐标点作为下一次搜索路径的起点，新坐标点称为中途点；
①如果坐标(X，Y)处没有障碍物，机械手继续前进得到新的坐标点，继续判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物，直到寻找到目标B为止；从而建立起点、终点之间的线性方程，机械手按此路径运动；
②如果坐标(X，Y)处有障碍物，则取Xb-Xa的符号为增量值ΔX的符号，自变量X递增增量值(|ΔX|＝1)，即：Xi+1＝Xi+ΔX，Y值不变，且令X＝Xi+1,判断新的坐标(X，Y)处是否有障碍物：
如果新坐标(X，Y)处依然有障碍物，则继续②；
如果新坐标(X，Y)处不是障碍物，则自变量X不变，取Xb-Xa的符号为增量值ΔY的符号，因变量Y递增增量值(|ΔY|＝1)，即：Yi+1＝Yi+ΔY，且令Y＝Yi+1，从而选择外接矩形顶点成为新的坐标(X，Y)；
③在新的坐标(X，Y)与桑叶机械手A(Xa,Ya)之间建立线性方程，则桑叶机械手沿着两坐标点之间按线性方程运动；
④以桑叶机械手的新坐标即中途点为起点，以坐标B(Xb,Yb)为终点建立线性方程，从而形成新的直线路径，继续向目标B移动；
⑤重复步骤①、②、③、④直至寻找到目标B；
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