CN108340374B - 一种采摘机械手的控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采摘机械手的控制系统及控制方法，其特征在于，包括上位机，下位机、指关节电机控制模块和视觉识别系统，所述上位机和下位机之间设置有传输模块；所述下位机分别与指关节电机控制模块和视觉识别系统连接；所述上位机，根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手的各种最佳抓取姿态，并通过所述传输模块传送给所述下位机；所述下位机，接收、存储由所述上位机虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据所述视觉识别系统传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给所述指关节电机控制模块发出指令；所述指关节电机控制模块，接收并执行所述下位机的指令。本发明使用灵活，缩短了调试时间，有效地提高了采摘效率。
Description
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种采摘机械手的控制系统。
背景技术
果蔬采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%~50%，使用人工采摘，效率低、劳动量大。因此，果蔬采摘机器人在农业自动化技术中占有重要地位，随着农业生产的精确化发展，采摘机械手的发展成为热点话题。但是，采摘机器人的采摘质量，严重影响着果蔬的经济价值。而现有的采摘机械手控制系统，难以根据果实的具体大小、形状、种类，难以根据机械手抓取果实的姿态，准确快速的对机械手的抓取动作做出相应调整。传统的离线编程模式，不便于调试机械手的抓取姿态，并且电机启停特性不稳定，脉动大。
发明内容
本发明设计了一种采摘机械手的控制系统及控制方法，能灵活的控制机械手完成相应抓取动作，实用性强，便于推广，解决了现有技术中的采摘机械手控制系统难以根据果实的具体大小、形状、种类，难以根据机械手抓取果实的姿态，准确快速的对机械手的抓取动作做出相应调整的问题。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种采摘机械手的控制系统，包括上位机，下位机、指关节电机控制模块和视觉识别系统，所述上位机和下位机之间设置有传输模块；
所述上位机，根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手的各种最佳抓取姿态，并通过所述传输模块传送给所述下位机；
所述下位机，接收、存储由所述上位机虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据所述视觉识别系统传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给所述指关节电机控制模块发出指令；
所述指关节电机控制模块，接收并执行所述下位机的指令。
进一步，所述机械手的抓取姿态信息包括所述指关节电机控制模块中各个指关节电机的转动方向、角度和速度。
进一步，所述上位机包括显示屏和控制器Ⅰ，所述显示屏的控制端口和数据接口分别与所述控制器Ⅰ的控制端口和数据端口相连。
进一步，所述显示屏采用触摸屏，所述控制器Ⅰ采用嵌入式控制器。
进一步，所述下位机包括控制器Ⅱ，所述控制器Ⅱ分别与所述指关节电机控制模块中的若干电机驱动单元连接；所述控制器Ⅱ每两个输出端口对应一个电机驱动单元，其中一个输出端口输出相对应指关节电机转动的方向信息，另一个输出端口输出相对应指关节电机转动的速度信息。
进一步，所述控制器Ⅱ是嵌入式控制器；所述控制器Ⅱ采用定时器产生若干路PWM波，所述若干路PWM波分别与所述指关节电机控制模块中的若干电机驱动单元的速度信号传输端口相连接。
进一步， 所述指关节电机控制模块包括若干指关节电机和若干电机驱动单元，所述指关节电机和电机驱动单元一一对应。
进一步，所述指关节电机为步进电机；所述步进电机采用S型速度规划，将所述步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块，并储存在所述下位机控制器Ⅱ的存储器中。
进一步，所述指关节电机控制模块还包括若干角度传感器，所述角度传感器和所述指关节电机一一对应，所述角度传感器和相对应指关节电机同轴安装在机械手的关节处，所述角度传感器的输出端分别与所述下位机的控制器Ⅱ上的A/D转换模块相连接。
进一步，所述角度传感器是电位器。
进一步，所述指关节电机控制模块包括九个指关节电机、九个电机驱动单元和九个角度传感器。
进一步，所述机械手是三指采摘机械手，共九个自由度。
进一步，所述三根手指均布在圆形手掌圆周。
进一步，所述手指上均设置有压力传感器，所述压力传感器和所述下位机的控制器Ⅱ连接。
进一步，所述传输模块包括无线发射模块和无线接收模块，所述无线发射模块与所述上位机的控制器Ⅰ连接，所述无线接收模块与所述下位机的控制器Ⅱ连接。
进一步，所述无线发射模块和无线接收模块的CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ引脚分别与所述上位机控制器Ⅰ和下位机控制器Ⅱ的I/O,I/O/SCN,SCK,MOSI,MISO,I/O引脚相连接；所述控制器Ⅰ通过SPI通信接口将数据发送给所述无线发射模块，所述无线发射模块将SPI接口接收来的数据通过所述无线接收模块发送给所述控制器Ⅱ。
一种采摘机械手的控制方法，包括以下步骤：
首先，在上位机显示屏上虚拟出各个关节电机转动的方向，角度，速度调试按键；上位机根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手的各种最佳抓取姿态，并通过传输模块传送给下位机；
其次，将各个关节电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块存储在所述下位机控制器Ⅱ的存储器中；所述下位机接收、存储由所述上位机虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据视觉识别系统传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给指关节电机控制模块发出指令；
最后，所述指关节电机控制模块接收并执行所述下位机的指令，控制机械手进行采摘。
进一步，虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员根据果蔬的不同品种，大小，形状，调节上位机触摸屏上虚拟出的各关节电机调试按钮，找出不同果实的最佳抓取位姿，即抓取过程中各关节电机的最佳位置和角度，并将调试出的最佳模式，存储于下位机中，以供采摘过程中使用。
进一步，采摘的工作流程为：视觉识别系统将检测到的果蔬特征信息反馈给采下位机的控制器Ⅱ，控制器Ⅱ根据视觉识别系统反馈的信息分辨出采摘作业目标为何种水果，在调试好的抓取姿态中选择合适的抓取姿态；然后，下位机控制器Ⅱ根据机械手的抓取姿态，进行关节轨迹规划，根据轨迹规划结果，调用各个关节电机的启动、加速、停止模块化轨迹曲线程序，与电机匀速运行子程序，驱动各关节电机，进行采摘作业。
该采摘机械手的控制系统具有以下有益效果：
（1）本发明，带有人机交互界面的采摘机械手的控制系统，主要由上位机，下位机和指关节电机控制模块组成，在上位机显示屏上虚拟出各个关节电机转动的方向，角度，速度调试按键，通过无线模块将上位机指令传输给下位机主控模块。在调试过程中，操作人员可根据不同果蔬的形状，大小通过控制界面快速调试机械手的最佳抓取位姿。通过无线传输模块，上位机可将采摘机械手的各个关节电机对不同果蔬的最佳抓取角度存储于下位机控制器中。采摘作业中，机械手可根据视觉识别系统反馈的水果大小，形状信息调用相应调试好的抓取姿态进行抓取。使用灵活，可有效提高采摘质量和效率。
（2）本发明提供了一种多自由度采摘机械手控制系统，能有效缩短采摘机械手调试时间，提高生产效率，并且反应快，容易上手，使用方便灵活，成本低。
（3）本发明，采摘机械手控制系统在上位机虚拟出控制界面，操作人员可通过控制界面，快速调试出机械手对不同果蔬的最佳抓取姿态，并将采摘机械手的各个关节电机的最佳位置和角度存储于下位机中，采摘作业过程中，下位机可根据采摘机器人视觉系统反馈的果蔬形状，大小的信息，按调试的姿态进行采摘作业。控制精度高，运行平稳，大大缩短了机械手的调试时间。
附图说明
图1：本发明一实施方式中采摘机械手控制系统的结构示意图；
图2：本发明一实施方式中采摘机械手控制系统的调试模式操作示意图；
图3：本发明一实施方式中采摘机械手控制系统的采摘模式控制原理图；
图4：本发明一实施方式中采摘机械手的结构示意图。
附图标记说明：
1—上位机；11—显示屏；12—控制器Ⅰ；2—传输模块；21—无线发射模块；22—无线接收模块；3—下位机；31—控制器Ⅱ；4—电机控制模块； 41—关节电机；42—电机驱动单元；43—角度传感器；5—视觉识别系统；6—操作人员；7—机械手；81—果实Ⅰ；82—果实Ⅱ；83—果实Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图4示出了本发明采摘机械手控制系统的一种实施方式。图1是本实施方式中采摘机械手控制系统的结构示意图。
如图1所示，本实施方式中的采摘机械手控制系统，包括上位机1，下位机3、指关节电机控制模块4和视觉识别系统5，上位机1和下位机3之间设置有传输模块2；下位机3分别与指关节电机控制模块4和视觉识别系统5连接。
上位机1，根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手7的各种最佳抓取姿态，并通过传输模块2传送给下位机3；
下位机3，接收、存储由上位机1虚拟调试出的机械手7的各种最佳抓取姿态信息，并根据视觉识别系统5传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给指关节电机控制模块4发出指令；机械手7的抓取姿态信息包括指关节电机控制模块4中各个指关节电机41的转动方向、角度和速度；
指关节电机控制模块4，接收并执行下位机3的指令。
具体地，如图1所示，上位机1包括显示屏11和控制器Ⅰ12，显示屏11的控制端口和数据接口分别与控制器Ⅰ12的控制端口和数据端口相连。本实施例中，显示屏11采用触摸屏，控制器Ⅰ12采用嵌入式控制器。
具体地，如图1所示，下位机3包括控制器Ⅱ31。控制器Ⅱ31分别与指关节电机控制模块4中的若干电机驱动单元42连接；控制器Ⅱ31每两个输出端口对应一个电机驱动单元42，其中一个输出端口输出相对应指关节电机41转动的方向信息，另一个输出端口输出相对应指关节电机41转动的速度信息。
本实施例中，控制器Ⅱ31是嵌入式控制器；控制器Ⅱ31采用定时器产生若干路PWM波，若干路PWM波分别与指关节电机控制模块4中的若干电机驱动单元42的速度信号传输端口相连接。
具体地，如图1所示，指关节电机控制模块4包括若干指关节电机41和若干电机驱动单元42，指关节电机41和电机驱动单元42一一对应。本实施例中，指关节电机41为步进电机；步进电机采用S型速度规划，将步进电机41的启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块，并储存在下位机3控制器Ⅱ31的存储器中。
优选地，指关节电机控制模块4还包括若干角度传感器43，角度传感器43和指关节电机一一对应，角度传感器43和相对应指关节电机41同轴安装在机械手7的关节处。若干角度传感器43的输出端分别与下位机3的控制器Ⅱ31上的A/D转换模块相连接。本实施例中，角度传感器43采用了电位器。
本实施例中，机械手7是三指机械手，共九个自由度。指关节电机控制模块4包括九个指关节电机41、九个电机驱动单元42和九个角度传感器43，如图4所示，图4是本实施方式中采摘机械手的结构示意图。所述三根手指均布在圆形手掌圆周。所述手指上均设置有压力传感器，所述压力传感器和下位机3的控制器Ⅱ31连接。压力传感器可有效防止机械手对果蔬的损坏。本实施例中，每个手指的指尖、中指节和基指节上和果蔬接触的部位均设置有压力传感器。
具体地，如图1所示，传输模块2包括无线发射模块21和无线接收模块22，无线发射模块21与上位机1的控制器Ⅰ12连接，无线接收模块22与下位机3的控制器Ⅱ31连接。
本实施例中，无线发射模块21和无线接收模块22的CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ引脚分别与上位机1控制器Ⅰ12和下位机3控制器Ⅱ31的I/O,I/O/SCN,SCK,MOSI,MISO,I/O引脚相连接；控制器Ⅰ12通过SPI通信接口将数据发送给无线发射模块21，无线发射模块21将SPI接口接收来的数据通过无线接收模块22发送给控制器Ⅱ31。
如图2所示，图2是本实施方式中采摘机械手控制系统的调试模式操作示意图，包括操作人员6，上位机1，机械手7，果实Ⅰ81，果实Ⅱ82，果实Ⅲ 83……。首先，在上位机1显示屏11上虚拟出各个关节电机41转动的方向，角度，速度调试按键；上位机1根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手7的各种最佳抓取姿态，并通过传输模块2传送给下位机3。
调试模式的具体工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员根据果实Ⅰ81，果实Ⅱ82，果实Ⅲ 83……的不同品种，大小，形状，调节上位机1触摸屏11上虚拟出的各关节电机调试按钮，找出不同果实的最佳抓取位姿，即抓取过程中各关节电机41的最佳位置和角度。并将调试出的最佳模式，存储于下位机3中，以供采摘过程中使用。
如图3所示，图3是本实施方式中采摘机械手控制系统的采摘模式控制原理图，先将各个关节电机41启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块存储在下位机3控制器Ⅱ31的存储器中；下位机3接收、存储由上位机1虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据视觉识别系统5传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给指关节电机控制模块4发出指令；最后，指关节电机控制模块4接收并执行下位机3的指令，控制机械手7进行采摘。
采摘模式的工作流程为：视觉识别系统5将检测到的果蔬特征信息反馈给下位机3的控制器Ⅱ31，控制器Ⅱ31根据视觉识别系统5反馈的信息分辨出采摘作业目标为何种果蔬，在调试好的抓取姿态中，选择合适的抓取姿态，然后下位机3的控制器Ⅱ31根据机械手的抓取姿态，进行关节轨迹规划，然后根据轨迹规划结果，调用各个关节电机41的启动、加速、停止模块化轨迹曲线程序，与电机匀速运行子程序，驱动关节电机41，进行采摘作业。
本发明，带有人机交互界面的采摘机械手的控制系统。主要由上位机，下位机和指关节电机控制模块组成，在上位机显示屏上虚拟出各个关节电机转动的方向，角度，速度调试按键，通过无线模块将上位机指令传输给下位机主控模块。在调试过程中，操作人员可根据不同果蔬的形状，大小通过控制界面快速调试机械手的最佳抓取位姿。通过无线传输模块，上位机可将采摘机械手的各个关节电机对不同果蔬的最佳抓取角度存储于下位机控制器中。采摘作业中，机械手可根据视觉识别系统反馈的水果大小，形状信息调用相应调试好的抓取姿态进行抓取。使用灵活，可有效提高采摘质量和效率。
本发明提供了一种多自由度采摘机械手控制系统，能有效缩短采摘机械手调试时间，提高生产效率，并且反应快，容易上手，使用方便灵活，成本低。
本发明，采摘机械手控制系统在上位机虚拟出控制界面，操作人员可通过控制界面，快速调试出机械手对不同果蔬的最佳抓取姿态，并将采摘机械手的各个关节电机的最佳位置和角度存储于下位机中，采摘作业过程中，下位机可根据采摘机器人视觉系统反馈的果蔬形状，大小的信息，按调试的姿态进行采摘作业。控制精度高，运行平稳，大大缩短了机械手的调试时间。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种采摘机械手的控制系统，其特征在于，包括上位机、下位机、指关节电机控制模块和视觉识别系统，所述上位机和下位机之间设置有传输模块；
所述上位机，根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手的各种最佳抓取姿态，并通过所述传输模块传送给所述下位机；
虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；在所述上位机的显示屏上虚拟出所述指关节电机控制模块中各个关节电机转动的方向，角度，速度调试按键；操作人员根据果蔬的不同品种，大小，形状，调节上位机触摸屏上虚拟出的各关节电机的调试按钮，找出不同果实的最佳抓取位姿，即抓取过程中各关节电机的最佳位置和角度，并将调试出的最佳模式，存储于所述下位机中，以供采摘过程中使用；
所述下位机，接收、存储由所述上位机虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据所述视觉识别系统传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给所述指关节电机控制模块发出指令；
所述指关节电机控制模块，接收并执行所述下位机的指令。
2.根据权利要求1所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于，所述上位机包括显示屏和控制器Ⅰ，所述显示屏的控制端口和数据接口分别与所述控制器Ⅰ的控制端口和数据端口相连。
3.根据权利要求1或2所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于，所述下位机包括控制器Ⅱ，所述控制器Ⅱ分别与所述指关节电机控制模块中的若干电机驱动单元连接；所述控制器Ⅱ每两个输出端口对应一个电机驱动单元，其中一个输出端口输出相对应指关节电机转动的方向信息，另一个输出端口输出相对应指关节电机转动的速度信息。
4.根据权利要求3所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于，所述控制器Ⅱ是嵌入式控制器；所述控制器Ⅱ采用定时器产生若干路PWM波，所述若干路PWM波分别与所述指关节电机控制模块中的若干电机驱动单元的速度信号传输端口相连接。
5.根据权利要求1、2或4所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于， 所述指关节电机控制模块包括若干指关节电机和若干电机驱动单元，所述指关节电机和电机驱动单元一一对应；所述指关节电机为步进电机；所述步进电机采用S型速度规划，所述步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块，并储存在所述下位机控制器Ⅱ的存储器中。
6.根据权利要求5所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于，所述指关节电机控制模块还包括若干角度传感器，所述角度传感器和所述指关节电机一一对应，所述角度传感器和相对应指关节电机同轴安装在机械手的关节处，所述角度传感器的输出端分别与所述下位机的控制器Ⅱ上的A/D转换模块相连接。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的采摘机械手的控制系统，其特征在于，所述传输模块包括无线发射模块和无线接收模块，所述无线发射模块与所述上位机的控制器Ⅰ连接，所述无线接收模块与所述下位机的控制器Ⅱ连接；
所述无线发射模块和无线接收模块的CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ引脚分别与所述上位机控制器Ⅰ和下位机控制器Ⅱ的I/O,I/O/SCN,SCK,MOSI,MISO,I/O引脚相连接；所述控制器Ⅰ通过SPI通信接口将数据发送给所述无线发射模块，所述无线发射模块将SPI接口接收来的数据通过所述无线接收模块发送给所述控制器Ⅱ。
8.一种采摘机械手的控制方法，其特征在于，
首先，在上位机显示屏上虚拟出各个关节电机转动的方向，角度，速度调试按键；上位机根据不同种类果蔬的形状、大小虚拟调试出机械手的各种最佳抓取姿态，并通过传输模块传送给下位机；
虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员根据果蔬的不同品种，大小，形状，调节上位机触摸屏上虚拟出的各关节电机调试按钮，找出不同果实的最佳抓取位姿，即抓取过程中各关节电机的最佳位置和角度，并将调试出的最佳模式，存储于下位机中，以供采摘过程中使用；
其次，将各个关节电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块存储在所述下位机控制器Ⅱ的存储器中；所述下位机接收、存储由所述上位机虚拟调试出的机械手的各种最佳抓取姿态信息，并根据视觉识别系统传送的信息调用相应调试好的抓取姿态信息给指关节电机控制模块发出指令；
最后，所述指关节电机控制模块接收并执行所述下位机的指令，控制机械手进行采摘。
9.根据权利要求8所述的采摘机械手的控制方法，其特征在于，采摘的工作流程为：视觉识别系统将检测到的果蔬特征信息反馈给下位机的控制器Ⅱ，控制器Ⅱ根据视觉识别系统反馈的信息分辨出采摘作业目标为何种水果，在调试好的抓取姿态中选择合适的抓取姿态；然后，下位机控制器Ⅱ根据机械手的抓取姿态，进行关节轨迹规划，根据轨迹规划结果，调用各个关节电机的启动、加速、停止模块化轨迹曲线程序，与电机匀速运行子程序，驱动各关节电机，进行采摘作业。
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