CN108432903B - 炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法和炒茶机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及茶叶加工领域，涉及一种炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，包括：对炒茶过程中圆形炒锅的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像；根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度；根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径；根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。本发明还同时提出一种炒茶机器人。本发明通过炒茶机器人与视觉相结合，即利用实时拍摄炒茶的图像，再藉由茶叶下沉高度和炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径的计算，来控制电机调整末端姿态，从最接近茶叶上表面开始翻炒，避免温度过高而不能及时翻炒茶叶导致茶叶被损坏。

Description

炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法和炒茶机器人

技术领域

本发明涉及茶叶加工领域，特别涉及一种炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法和炒茶机器人。

背景技术

茶叶杀青是通过高温破坏和钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，抑制鲜叶中的茶多酚等的酶促氧化，蒸发鲜叶部分水分，使茶叶变软，便于揉捻成形。

目前的炒茶机器人大多是将茶叶放进翻炒锅后，以某一固定、简单的动作进行翻炒，不会对茶叶量进判断来时刻改变机器人姿态。茶叶在杀青过程中因失去水分等原因，茶叶量会减少使得茶叶上表面在炒锅内会下沉，在温度过高情况下，炒茶机器人没有第一时间翻炒茶叶使得茶叶遭到破坏。

发明内容

本发明的实施方式旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的实施方式需要提供一种炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法和炒茶机器人。

本发明实施方式的炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，其特征在于，包括：

步骤1，对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像；

步骤2，根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度；

步骤3，根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径；

步骤4，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

一种实施方式中，步骤2包括：

根据第一图像和第二图像内的像素个数分别计算获得第一图像的面积和第二图像的面积；

根据第一图像的面积和第二图像的面积计算获得第一图像的半径和第二图像的半径；

根据第一图像的半径和第二图像的半径计算获得茶叶上表面的下沉高度。

一种实施方式中，步骤3包括：根据下沉高度在matlab中使用齐次矩阵变换，计算出炒茶机器人左手爪的笛卡尔路径T₁和右手爪的笛卡尔路径T₂。

一种实施方式中，步骤4包括：确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值时，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

一种实施方式中，该方法还包括步骤：确定炒锅中茶叶上表面的第二图像的面积不再发生变化时，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。

本发明还同时提出一种炒茶机器人，其特征在于，包括：

工业相机，用于对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像；

计算机，用于根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度；所述计算机，还用于根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径；

控制柜，用于根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶；

机械臂，用于接收控制柜的电机控制，机器人末端的左右手爪执行炒茶动作。

一种实施方式中，所述计算机具体用于根据第一图像和第二图像内的像素个数分别计算获得第一图像的面积和第二图像的面积；再根据第一图像的面积和第二图像的面积计算获得第一图像的半径和第二图像的半径；根据第一图像的半径和第二图像的半径计算获得茶叶上表面的下沉高度。

一种实施方式中，所述计算机具体用于根据下沉高度在matlab中使用齐次矩阵变换，计算出炒茶机器人左手爪的笛卡尔路径T₁和右手爪的笛卡尔路径T₂。

一种实施方式中，控制柜具体用于确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值时，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

一种实施方式中，控制柜还具体用于确定炒锅中茶叶上表面的第二图像的面积不再发生变化时，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。

本发明实施方式的炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法和炒茶机器人，通过炒茶机器人与视觉相结合，即利用实时拍摄炒茶的图像，再藉由茶叶下沉高度的计算和炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径的计算，来控制电机调整炒茶机器人的末端姿态，从最接近茶叶上表面开始翻炒，避免温度过高而不能及时翻炒茶叶导致茶叶被损坏。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的实施方式的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法的流程示意图；

图2是本发明实施方式的炒茶机器人的组成示意图；

图3是本发明实施方式的炒茶机器人的操作示意图；

图4是本发明实施方式工业相机拍摄的茶叶上表面的示意图；

图5是本发明实施方式炒茶机器人的末端姿态调整的侧视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅可用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的实施方式的限制。

请参阅图1和图2，图1是本发明实施方式的炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法的流程示意图；图2是本发明实施方式的炒茶机器人的组成示意图。

本发明实施方式的炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，包括：

步骤1，对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像。

步骤2，根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度。

步骤3，根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径。

步骤4，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

本发明实施方式还提出一种炒茶机器人，包括：工业相机、计算机、控制柜和机械臂。其中，各个部分的介绍如下：

工业相机，用于对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像。

计算机，用于根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度。所述计算机，还用于根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径。

控制柜，用于根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

机械臂，用于接收控制柜的电机控制，机器人末端的左右手爪执行炒茶动作。

在该实施方式中，炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法以炒茶机器人作为步骤的执行对象，也可以系统的各个组成作为步骤的执行对象。具体地，步骤1以工业相机作为步骤的执行对象；步骤2和步骤3以计算机作为步骤的执行对象；步骤4以控制柜作为步骤的执行对象。

如图3至图5所示，在步骤1中，工业相机对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像。图3中①表示计算机，②表示控制柜，图3中部从上到下依次为工业相机、机械臂、左手爪、右手爪和炒茶用的圆形炒锅。炒茶过程中，工业相机实时拍摄炒锅中茶叶变化情况。茶叶得到上表面的图像，当刚开始进行翻炒时得到图4的左图，即工业相机拍摄的第一图像，翻炒一段时间后得到图4的右图，即工业相机拍摄的第二图像。此处工业相机拍摄的间隔可以预先设定一个时间作为预设时间。图4中两个图都是圆形，但因为翻炒过程中茶叶会失水而变少，所以图4的左图会大于右图的面积。

在步骤2中，计算机根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度。

具体地，步骤2包括：

根据第一图像和第二图像内的像素个数分别计算获得第一图像的面积和第二图像的面积；根据第一图像的面积和第二图像的面积计算获得第一图像的半径和第二图像的半径；根据第一图像的半径和第二图像的半径计算获得茶叶上表面的下沉高度。

计算机通过计算第一图像和第二图像内像素个数来分别得到两者的面积。图4的左图，即第一图像的面积为S₁＝N₁θ；图4的右图，即第二图像的面积为S₂＝N₂θ。N₁,N₂分别为图4的左图、图4的右图中圆形图像的像素个数，θ为预先设定的比例因子。

再由公式R₁＝(S₁/pi)^1/2和R₂＝(S₂/pi)^1/2分别得出图4的左图、图4的右图中圆形图像的半径。R₁和R₂分别表示图4的左图、图4的右图中圆形图像的半径，pi代表圆周率。因为炒茶用的炒锅是半椭球型，炒锅的侧视图是一个椭圆形，如图5，根据R₁和R₂得出在侧视图上的位置分别为AB和CD。

假设炒茶机器人的手爪在起始时是在AB点(左手爪起始在A点，右手爪起始在B点)，一段时间后AB点下沉到CD点，此时要计算出O到CD的距离H。因为锅侧面为椭圆所以曲线方程为

前面得到R₂的值即为D点在XZ平面的X坐标，-R₂为C点的X坐标。则C、D点的Z坐标为-H。将R₂和-H带入椭圆方程的

计算得到H的值。其中，a和b分别是椭圆的半长轴长和半短轴长，因为炒锅的侧面是半椭圆形，其曲线方程是椭圆方程，不同的锅对应着不同的a、b值。例如，炒锅对应的a和b分别为45cm和60cm，当使用的炒锅确定后，a、b值则相应确定。

同理可以求出O点到AB之间的距离H₁。

在步骤3中，计算机根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径。假设手爪起始状态在XZ平面内即得出Y＝0，最后得到A、B在XYZ平面的坐标分别为A(-R₁,0，-H₁)，B(R₁,0,-H₁)，C、D点坐标分别为C(-R₂，0，-H)，D(R₂，0,-H)。则炒茶机器人末端手爪要从点A(-R₁，0，-H₁)，B(R₁,0,-H₁)移动到点C(-R₂，0，-H)，D(R₂，0,-H)。变化后炒茶机器人末端位置为T_C＝(-R₂，0，-H)，T_D＝(R₂，0,-H)，由此可计算出机器人左右手爪笛卡儿路径T₁和T₂。

具体地，步骤3包括：计算机根据下沉高度在matlab中使用齐次矩阵变换，计算出炒茶机器人左手爪的笛卡尔路径T₁和右手爪的笛卡尔路径T₂。对应的计算过程如下：

T₁和T₂分别表示左手爪和右手爪的笛卡儿路径，前面求得在XYZ平面上的起始坐标分别为A(-R₁,0，-H₁),B(R₁,0,-H₁)末端位置坐标求得分别为C(-R₂，0，-H)，D(R₂，0,-H)，然后在matlab中transl指令可以实现齐次矩阵的变换。

笛卡儿坐标A、B、C、D点变为齐次矩阵为T_A＝transl(-R₁,0，-H₁),T_B＝(R₁,0,-H₁),T_C＝(-R₂，0，-H),T_D＝(R₂，0,-H),则左手爪从A点移动到B点的笛卡儿路径是T₁＝ctraj(T_A，T_C)；右手爪从B点移动到D点的笛卡儿路径为T₂＝ctraj(T_B，T_D)，实现两点之间的笛卡儿路径规划。

在步骤4中，控制柜根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。炒茶机器人的末端姿态即机械臂连接的左手爪和右手爪的姿态。

将炒茶机器人左右手爪的笛卡儿路径传入控制柜，控制柜里的控制器通过控制电机来使炒茶机器人末端，即左手爪和右手爪，移动到C、D两点，开始来翻炒锅内茶叶。

在翻炒的过程中，通过工业相机实时观察来不断重复以上步骤。

因为茶叶在翻炒过程中茶叶下沉，如果炒茶机器人要是一直以同一个起点翻炒茶叶，那么炒茶机器人末端在从起点到下沉后茶叶起点的过程中，由于温度过高而不能及时翻炒茶叶导致茶叶被损坏。本发明通过炒茶机器人与视觉相结合实时观察茶叶变化来控制炒茶机器人从最接近茶叶上表面开始翻炒，有效的避免了茶叶被损坏。

进一步地，步骤4包括：控制柜确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值时，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。例如，预先将下沉阈值设为2cm：即翻炒工业相机拍摄的第二图像的半径R₂+2<＝R₁，R₁表示翻炒初始茶叶上表面工业相机拍摄的第一图像的半径，这时为判断手爪下沉的标准，即确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值2cm时，控制柜开始调整末端姿态，即通过手爪的下沉来翻炒茶叶。

进一步地，该方法还包括步骤：控制柜确定炒锅中茶叶上表面的第二图像的面积不再发生变化时，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。一开始茶叶在锅内形状是圆形，到开始翻炒时茶叶形状是不断变化的(最终状态会呈现数字8的形状)。锅内茶叶形状渐变过程(根据前面处理可得图形中两点的最远距离为C点和D点之间的距离)，当最远距离逼近某一值(即CD两点之间距离不再产生变化时)，即判断锅内茶叶形状基本不变呈现为数字8形状，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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的实施方式和简化描述，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实施方式的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的实施方式中的具体含义。

在本发明的实施方式中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，其特征在于，包括：

步骤1，对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像；

步骤2，根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度；

步骤3，根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径；

步骤4，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶；

步骤2包括：

根据第一图像和第二图像内的像素个数分别计算获得第一图像的面积第二图像的面积；

根据第一图像的面积和第二图像的面积计算获得第一图像的半径和第二图像的半径；

根据第一图像的半径和第二图像的半径计算获得茶叶上表面的下沉高度。

2.如权利要求1所述炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，其特征在于，步骤3包括：根据下沉高度在matlab中使用齐次矩阵变换，计算出炒茶机器人左手爪的笛卡尔路径T1和右手爪的笛卡尔路径T2。

3.如权利要求1所述炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，其特征在于，步骤4包括：确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值时，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

4.如权利要求1所述炒茶机器人翻炒茶叶的末端姿态调整方法，其特征在于，该方法还包括步骤：确定炒锅中茶叶上表面的第二图像的面积不再发生变化时，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。

5.一种炒茶机器人，其特征在于，包括：

工业相机，用于对炒茶过程中圆形炒锅中的茶叶进行实时拍摄，获得翻炒初始茶叶上表面的第一图像和经过预设时间翻炒后茶叶上表面的第二图像；

计算机，用于根据第一图像和第二图像，计算获得茶叶上表面的下沉高度；

所述计算机，还用于根据下沉高度计算出炒茶机器人左右手爪的笛卡尔路径；

控制柜，用于根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶；

机械臂，用于接收控制柜的电机控制，机器人末端的左右手爪执行炒茶动作；

所述计算机具体用于根据第一图像和第二图像内的像素个数分别计算获得第一图像的面积和第二图像的面积；再根据第一图像的面积和第二图像的面积计算获得第一图像的半径和第二图像的半径；根据第一图像的半径和第二图像的半径计算获得茶叶上表面的下沉高度。

6.如权利要求5所述炒茶机器人，其特征在于，所述计算机具体用于根据下沉高度在matlab中使用齐次矩阵变换，计算出炒茶机器人左手爪的笛卡尔路径T1和右手爪的笛卡尔路径T2。

7.如权利要求5所述炒茶机器人，其特征在于，控制柜具体用于确定茶叶上表面的下沉高度达到预设下沉阈值时，根据笛卡尔路径控制电机调整炒茶机器人的末端姿态来翻炒茶叶。

8.如权利要求5所述炒茶机器人，其特征在于，控制柜还具体用于确定炒锅中茶叶上表面的第二图像的面积不再发生变化时，对炒茶机器人左右手爪进行翻转。

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