CN108142102A - 一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法，是由移动平台、视觉识别系统、万向轮、控制单元、三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂、一号机械臂、末端执行器、果实收集筐、补光灯组成的，所述三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂和一号机械臂安装在移动平台上，成矩形对称分布，所述四只机器臂末端均安装有末端执行器。本发明提出了基于四只机械臂的四区域协同的先中心点及边界线后区域内部逆时针采摘的作业方法，避免了机械臂之间作业干涉碰撞的问题，四只机械臂同时工作提高了采摘效率。

Description

一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法

技术领域

本发明涉及农业采摘机器人技术领域，尤其涉及一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法。

背景技术

中国猕猴桃种植面积广大，居世界第一位，但是中国猕猴桃出口国际竞争力不如外国，主要原因在于中国采摘猕猴桃主要依靠人工作业，费时费力，增加了猕猴桃的生产成本，无法形成产业优势。

中国专利CN 102428802 A公开了一种猕猴桃采摘末端执行器，该末端执行器主要由机械装置和传感系统两部分组成。通过机械装置的夹持组合和靠近组合实现猕猴桃的夹持，然后通过手臂末端旋转组合旋拧果实实现果柄分离的采摘方法，这种采摘方法的缺陷是旋转扭断果柄费力费时间，影响采摘效率。

中国专利CN 103448061 A公开了一种猕猴桃果实采摘末端执行器，包括夹持机构、旋转采摘机构、近接机构、传感系统以及控制系统，通过两个弧形面手指夹持果实，然后旋转采摘机构采用减速步进电机带动夹紧机构旋转实现果柄与果实分离，这种采摘方法提出了让果柄和果实惯性轴成一定夹角的采摘方法，省力，提高了采摘效率，但是该发明并没有提出针对整个猕猴桃果园的采摘方法。

因此需要一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法，而目前这种四臂采摘机器人市场上是没有的，猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同作业方法的研究对于提高猕猴桃的产业链发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了提高猕猴桃采摘效率，解决人工采摘猕猴桃费时费力的问题，而提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法，提出了基于四只机械臂的四区域协同的先中心点及边界线后区域内部逆时针采摘的作业方法，避免了机械臂之间作业干涉碰撞的问题，四只机械臂同时工作大大提高了采摘效率。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种猕猴桃四臂采摘机器人，是由移动平台、视觉识别系统、万向轮、控制单元、三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂、一号机械臂、末端执行器、果实收集筐、补光灯组成的，其特征在于：所述移动平台底部安装有四只万向轮，所述视觉识别系统设置于移动平台中部，其外围环绕四只机械臂，所述控制单元安装在移动平台一侧，所述果实收集筐设置于移动平台前后两端，所述补光灯设置于移动平台边线上，环绕一周分布，所述三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂和一号机械臂安装在移动平台上，成正方形对称分布，所述四只机器臂末端均安装有末端执行器。

优选的，所述移动平台高度为0.75m，长和宽分为1.35m和1.5m。

优选的，所述机械臂和末端执行器的总长度约为1.25m，机械臂距离果实0.8-1.0米分布高度带状分布区域，每只机械臂的工作区域为0.675×0.675m²。

一种猕猴桃四臂采摘机器人的四区域协同逆时针作业方法，包括如下步骤：

1)划分果实分布区域

猕猴桃棚架区按照采摘机器人前进方向分为1，2，3…n个片区，将每一个片区图像位置分区为4个果实群面片区域，四个圆圈位置为果实分区编号，视觉识别系统提取每个猕猴桃果实坐标所对应的位置信息发送至控制单元，根据分区位置给指定机械臂发送任务命令。

2)中心点e采摘任务分配

中心点e的采摘任务主要交给三号机械臂进行，中心点的采摘过程中，划分出一个小的区域，把它设定为中心点的范围(32*32分辨率)，在中心点的采摘过程中，如果其他机械臂经过此区域，则沿中心区域边界主动避让。如果猕猴桃出现在了所划分的中心区域的边界上，这些果实均属于三号机械臂的采摘范围，其余的三个机械臂不会设定进行采摘。

3)边界线采摘任务分配

四个采摘矩形区域存在果实生长在边界线附近的情况，由此规定任务决策算法为：

一号机械臂采摘的边界为1a、ae和d1；

二号机械臂采摘的边界为a2、2b和be；

三号机械臂采摘的边界为b3、3c和ce；

四号机械臂采摘的边界为de、c4和4d；

在以上机械臂边界采摘的规定基础上，若出现同一采摘时间两只机械臂相互干渉的情况，机械臂设定优先避让策略(机械臂序号低的优先级高)，避让或者直接跳过不进行采摘作业。

4)区域内部采摘任务分配

各个区域内的采摘过程中，采用一定的规定顺序，先采摘X轴小的位置，之后在Y轴相同时，沿直线采摘横坐标值逐渐变大，到达边界时，保持X轴，沿Y轴向上采集，到达边界时保持Y轴不变，使X轴逐渐减小，之后再到达边界，保持X轴不变，Y轴减小，以此类推形成整个逆时针的采摘路径。

具体为：一号机械臂的起始点为点1，经过a点、e点、d点，最后回到点1的位置；二号机械臂由点a开始，角2、点b、点e，最后回到点a；机械臂三号由中心点e开始，经过点b、角3、点c，最后回到点e；机械臂四号则由点d开始、经过点e、点c、角4，最后回到点d。在完成这些采摘过程之后，各个机械臂在回到各自的区域内，进行内部猕猴桃的采摘工作。

与现有技术相比，本发明提供了一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法，具备以下有益效果：

1、该猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同作业方法，提出了基于四只机械臂的四区域协同的先中心点及边界线后区域内部逆时针采摘的作业方法，避免了机械臂之间作业干涉碰撞的问题，四只机械臂同时工作大大提高了采摘效率。

2、该猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同作业方法，确定了四个区域均采用逆时针的采摘路径，提高了四只机械臂作业的一致性，能够使四只机械臂完成采摘作业任务时的一致性跟踪。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明结构简单，先中心点及边界线后区域内部逆时针采摘的作业方法给猕猴桃采摘机器人的发展奠定了基础，能够改变传统的单机械臂单果采摘的现状，提高采摘效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人的三维结构示意图；

图2为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人的俯视图；

图3为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法的果实分区示意图；

图4为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法的边界线果实分配示意图；

图5为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法的四只机械臂运动方向示意图；

图6为本发明提出的一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法的系统工作示意图。

图中：1移动平台，2视觉识别系统，3万向轮，4控制单元，5三号机械臂，6二号机械臂，7四号机械臂，8一号机械臂，9末端执行器，10果实收集筐，11补光灯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2所示，一种猕猴桃四臂采摘机器人，是由移动平台1、视觉识别系统2、万向轮3、控制单元4、三号机械臂5、二号机械臂6、四号机械臂7、一号机械臂8、末端执行器9、果实收集筐10、补光灯11组成的，所述移动平台1底部安装有四只万向轮3，所述视觉识别系统2设置于移动平台1中部，其外围环绕四只机械臂，所述控制单元4安装在移动平台1一侧，所述果实收集筐10设置于移动平台1前后两端，所述补光灯11设置于移动平台1边线上，环绕一周分布，所述三号机械臂5、二号机械臂6、四号机械臂7和一号机械臂8安装在移动平台1上，成正方形对称分布，所述四只机器臂末端均安装有末端执行器9。

参照图1和图2所示，优选的，所述移动平台1高度为0.75m，长和宽分为1.35m和1.5m。

参照图1和图2所示，优选的，所述机械臂和末端执行器9的总长度约为1.25m，机械臂距离果实0.8-1.0米分布高度带状分布区域，每只机械臂的工作区域为0.675×0.675m2。

参照图3-5所示，一种猕猴桃四臂采摘机器人的四区域协同逆时针作业方法，包括如下步骤：

1)划分果实分布区域(参照图3所示)

猕猴桃棚架区按照采摘机器人前进方向分为1，2，3…n个片区，将每一个片区图像位置分区为4个果实群面片区域，四个圆圈位置为果实分区编号，视觉识别系统2提取每个猕猴桃果实坐标所对应的位置信息发送至控制单元4，根据分区位置给指定机械臂发送任务命令。

2)中心点e采摘任务分配(参照图4所示)

中心点e的采摘任务主要交给三号机械臂5进行，中心点的采摘过程中，划分出一个小的区域，把它设定为中心点的范围(32*32分辨率)，在中心点的采摘过程中，如果其他机械臂经过此区域，则沿中心区域边界主动避让。如果猕猴桃出现在了所划分的中心区域的边界上，这些果实均属于三号机械臂5的采摘范围，其余的三个机械臂不会设定进行采摘。

3)边界线采摘任务分配(参照图4所示)

四个采摘矩形区域存在果实生长在边界线附近的情况，由此规定任务决策算法为：

一号机械臂采摘8的边界为1a、ae和d1；

二号机械臂采摘6的边界为a2、2b和be；

三号机械臂采摘5的边界为b3、3c和ce；

四号机械臂采摘7的边界为de、c4和4d；

在以上机械臂边界采摘的规定基础上，若出现同一采摘时间两只机械臂相互干渉的情况，机械臂设定优先避让策略(机械臂序号低的优先级高)，避让或者直接跳过不进行采摘作业。

4)区域内部采摘任务分配(参照图5所示)

各个区域内的采摘过程中，采用一定的规定顺序，先采摘X轴小的位置，之后在Y轴相同时，沿直线采摘横坐标值逐渐变大，到达边界时，保持X轴，沿Y轴向上采集，到达边界时保持Y轴不变，使X轴逐渐减小，之后再到达边界，保持X轴不变，Y轴减小，以此类推形成整个逆时针的采摘路径。

具体为：一号机械臂8的起始点为点1，经过a点、e点、d点，最后回到点1的位置；二号机械臂6由点a开始，角2、点b、点e，最后回到点a；三号机械臂5由中心点e开始，经过点b、角3、点c，最后回到点e；四号机械臂7则由点d开始、经过点e、点c、角4，最后回到点d。在完成这些采摘过程之后，各个机械臂在回到各自的区域内，进行内部猕猴桃的采摘工作。

参照图1-6所示，为了便于理解本发明工作原理和工作过程，进行具体实施例说明，进行采摘作业时，首先，视觉识别系统2获取猕猴桃果实分布图像，划分划分果实分布区域，确定猕猴桃果萼空间坐标；其次，控制单元4将中心点e、边界线和区域内部采摘任务，分配给相应的机械臂；最后，ROS机械人操作系统通过运动路径规划，位姿分析，确定四只机械臂的最优路径，四只机械臂按照协同作业方法进行各分区逆时针采摘作业，采摘完当前区域的猕猴桃果实后，移动平台1前进，进行下一采摘区域的采摘作业。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种猕猴桃四臂采摘机器人，其特征在于：是由移动平台、视觉识别系统、万向轮、控制单元、三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂、一号机械臂、末端执行器、果实收集筐、补光灯组成的，所述移动平台底部安装有四只万向轮，所述视觉识别系统设置于移动平台中部，其外围环绕四只机械臂，所述控制单元安装在移动平台一侧，所述果实收集筐设置于移动平台前后两端，所述补光灯设置于移动平台边线上，环绕一周分布，所述三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂和一号机械臂安装在移动平台上，成正方形对称分布，所述四只机器臂末端均安装有末端执行器。

2.根据权利要求1所述的一种猕猴桃四臂采摘机器人，其特征在于：所述移动平台高度为0.75m，长和宽分为1.35m和1.5m。

3.根据权利要求1所述的一种猕猴桃四臂采摘机器人，其特征在于：所述机械臂和末端执行器的总长度约为1.25m，机械臂距离果实0.8-1.0米分布高度带状分布区域，每只机械臂的工作区域为0.675×0.675m2。

4.一种猕猴桃四臂采摘机器人的四区域协同逆时针作业方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)划分果实分布区域

猕猴桃棚架区按照采摘机器人前进方向分为1，2，3…n个片区，将每一个片区图像位置分区为4个果实群面片区域，四个圆圈位置为果实分区编号，视觉识别系统提取每个猕猴桃果实坐标所对应的位置信息发送至控制单元，根据分区位置给指定机械臂发送任务命令。

2)中心点e采摘任务分配

中心点e的采摘任务主要交给三号机械臂进行，中心点的采摘过程中，划分出一个小的区域，把它设定为中心点的范围(32*32分辨率)，在中心点的采摘过程中，如果其他机械臂经过此区域，则沿中心区域边界主动避让。如果猕猴桃出现在了所划分的中心区域的边界上，这些果实均属于三号机械臂的采摘范围，其余的三个机械臂不会设定进行采摘。

3)边界线采摘任务分配

四个采摘矩形区域存在果实生长在边界线附近的情况，由此规定任务决策算法为：

一号机械臂采摘的边界为1a、ae和d1；

二号机械臂采摘的边界为a2、2b和be；

三号机械臂采摘的边界为b3、3c和ce；

四号机械臂采摘的边界为de、c4和4d；

在以上机械臂边界采摘的规定基础上，若出现同一采摘时间两只机械臂相互干渉的情况，机械臂设定优先避让策略(机械臂序号低的优先级高)，避让或者直接跳过不进行采摘作业。

4)区域内部采摘任务分配

各个区域内的采摘过程中，采用一定的规定顺序，先采摘X轴小的位置，之后在Y轴相同时，沿直线采摘横坐标值逐渐变大，到达边界时，保持X轴，沿Y轴向上采集，到达边界时保持Y轴不变，使X轴逐渐减小，之后再到达边界，保持X轴不变，Y轴减小，以此类推形成整个逆时针的采摘路径。

5.根据权利要求4所述的一种猕猴桃四臂采摘机器人的四区域协同逆时针作业方法，其特征在于，所述步骤具体为：一号机械臂的起始点为点1，经过a点、e点、d点，最后回到点1的位置；二号机械臂由点a开始，角2、点b、点e，最后回到点a；机械臂三号由中心点e开始，经过点b、角3、点c，最后回到点e；机械臂四号则由点d开始、经过点e、点c、角4，最后回到点d。在完成这些采摘过程之后，各个机械臂在回到各自的区域内，进行各分区内部猕猴桃的采摘工作。