CN109479520A - 一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，包括由单个操作员、单个手控器、监控中心、通讯环节以及多个果蔬采摘机器人、摄像头和果园环境组成的双边遥操作系统；果蔬采摘机器人主要由移动平台、机械臂、末端执行器和控制箱等组成；果蔬采摘机器人具有部分智能，将由多果蔬采摘机器人组成的系统分为多移动平台系统、多机械臂系统以及多末端执行器系统，使操作员能通过单个手控器分别控制多移动平台系统及多机械臂系统，实现对多个果蔬采摘机器人的控制。本发明能通过单个手控器完成对多个具有部分智能的果蔬采摘机器人的控制，能借助手控器的反馈力感知果蔬采摘机器人的作业状态，操作方便，控制简单、能有效地节约机器人的使用成本。

Description

一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法

技术领域

本发明属于农业机器人的控制技术领域，特别是涉及多个果蔬采摘机器人的双边遥操作控制技术，具体地说是一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法。

背景技术

市场上果蔬采摘机器人的出现，大大地减轻了农民的工作量，提高了果蔬采摘的工作效率。但是，现有技术中，由于果蔬采摘机器人的作业环境相对比较复杂，因此目前的果蔬采摘机器人还很难做到完全智能化，在这种情况下，操作员的介入十分必要。对此类机器人采取半自主的控制方式是行之有效的方式。然而，对于智能化程度相对较高的果蔬采摘机器人，如果对每个机器人都配一个操作员以及一个手控器，将极大增加使用成本。在此背景下，就需要有一种全新的技术控制方法，来针对多个共同作业的果蔬采摘机器人进行控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供原理先进、操作简单，能由操作员一人通过手控器来控制多个果蔬采摘机器人，并能通过手控器来感知果蔬采摘机器人的作业状态的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，包括由单个操作员、单个手控器、监控中心、通讯环节以及多个结构相同的果蔬采摘机器人、摄像头和果园环境组成的双边遥操作系统；每一果蔬采摘机器人均由履带式的移动平台、机械臂、末端执行器、升降台、控制箱和果蔬收集筐组装构成；果蔬采摘机器人具有部分智能，也可将由多果蔬采摘机器人组成的系统分为多移动平台系统、多机械臂系统以及多末端执行器系统，使操作员通过单个手控器分别控制多移动平台系统及多机械臂系统，实现对多个果蔬采摘机器人的控制。

为优化上述技术方案，采取的技术措施还包括：

上述的手控器与果蔬采摘机器人的机械臂的结构相同，手控器具有六自由度的位置感知能力和三自由度的力反馈能力，手控器上安装有两个用来定义手控器工作状态的按钮；操作员通过手控器的反馈力感知移动平台、机械臂以及末端执行器的作业状态。

将手控器的工作空间视为球形，并将球形工作空间按半径划分为三个使得手控器能控制多个果蔬采摘机器人的工作区；三个工作区依次包括机械臂控制区、过渡区和移动平台导航区。

上述的机械臂控制区为以Rm为半径的球形范围内的区域，过渡区为半径Rm以外至半径Rt以内的区域，移动平台导航区为以半径Rt以外至半径Rp以内的区域。

两个按钮包括第一按钮和第二按钮；定义两个按钮的功能为：当按钮按下零数次或偶数次时记为0，当按钮按下奇数次时记为1；第一按钮和第二按钮能表示四种状态：00，01，10和11，分别对应A，B，C和D四种状态。

当手控器处于A状态时，多个果蔬采摘机器人处于自主运动状态，手控器的位置变化不影响果蔬采摘机器人，此时手控器的反馈力为零；

当手控器处于B状态且手控器人机交互作用点处于移动平台导航区时，机械臂和末端执行器的位姿保持不变，多移动平台系统被手控器控制，此时手控器的反馈力反映多移动平台系统的作业状态；

当手控器处于C状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区时，移动平台和末端执行器的位姿不变，多机械臂系统被手控器控制，此时手控器的反馈力反映多机械臂系统与环境的交互状态；

当手控器处于D状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区时，移动平台和机械臂位姿保持不变，果蔬采摘机器人开始采摘果蔬，此时手控器的反馈力反映末端执行器与果蔬的接触力；

当手控器人机交互作用点处于过渡区时，为手控器控制果蔬采摘机器人在多移动平台系统和多机械臂系统间保证平滑过渡切换的过渡区间。

与现有技术相比，本发明将多个果蔬采摘机器人组成的双边遥操作系统分为多移动平台系统、多机械臂系统以及多末端执行器系统，操作员可以通过控制单个手控器分别控制多移动平台系统与多机械臂系统，并通过手控器的反馈力感知移动平台系统、机械臂系统以及末端执行器的作业状态，手控器具有力反馈信息的操作能增强操作员的临场感效果。

本发明能通过单个手控器完成对多个具有部分智能的果蔬采摘机器人的控制，能借助手控器的反馈力感知果蔬采摘机器人的作业状态，操作方便，控制简单、能有效地节约机器人的使用成本。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明果蔬采摘机器人的结构示意图；

图3是本发明手控器的示意图；

图4是手控器人机交互作用点的工作范围分区示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：操作员Y、果蔬采摘机器人1、移动平台11、机械臂12、末端执行器13、升降台14、控制箱15、果蔬收集筐16、通讯环节2、手控器3、第一按钮3a、第二按钮3b、机械臂控制区31、过渡区32、移动平台导航区33、监控中心4、果蔬植物5、摄像头6。

本发明公开了一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，包括由单个操作员Y、单个手控器3、监控中心4、通讯环节2、多个结构相同的果蔬采摘机器人1、摄像头6和果园环境组成的双边遥操作系统。果园环境包括种植有果蔬植物5的果园，摄像头6安装在果园中以对果园的环境进行实时监测，果蔬采摘机器人1用于采摘果蔬植物5上的果蔬。

如图2所示，每一果蔬采摘机器人1均由履带式的移动平台11、机械臂12、末端执行器13、升降台14、控制箱15和果蔬收集筐16组装构成；果蔬采摘机器人1的机械臂12具有六自由度位姿感知能力，其末端执行器13的内部与果蔬接触的部分处还安装有力传感器。控制箱15是果蔬采摘机器人1的智能控制设备，内部存储有果蔬采摘控制程序。手控器3发出的指令信号通过线路传输给监控中心4，监控中心4和控制箱15之间通过通讯环节2无线电信号相连接，手控器3通过监控中心4和通讯环节2向果蔬采摘机器人1的控制箱15发出控制指令。控制箱15再根据指令信号对果蔬采摘机器人1的移动平台11、机械臂12、末端执行器13和升降台14进行控制，同时果蔬采摘机器人1的反馈信号通过控制箱15和通讯环节2反馈给监控中心4，从而使单个操作员能利用Y单个手控器3完成对多个果蔬采摘机器人1的控制。摄像头6通过视频线将监测的视频信号传输给监控中心4，这样操作员Y就能通过监控中心4实时观测果园的环境和对果蔬采摘机器人1的操作情况。

与传统技术相比，本发明能采用单个手控器3控制多个具有部分智能的果蔬采摘机器人1作业。本发明的果蔬采摘机器人具有部分智能，能将由多果蔬采摘机器人组成的系统分为多移动平台系统、多机械臂系统以及多末端执行器系统，使操作员Y能通过单个手控器3分别控制多移动平台系统及多机械臂系统，实现对多个果蔬采摘机器人1的控制，多末端执行器系统的控制依靠控制系统的命令完成。

本发明的手控器3的机械结构与果蔬采摘机器人1的机械臂12的机械结构相同，均具有六自由度的位置感知能力，同时本发明的手控器3还具有三自由度的力反馈能力；操作员Y能通过手控器3的三自由度反馈力感知移动平台系统、机械臂系统以及末端执行器的作业状态，使操作员的远距离操控具有临场感的效果。

图3是本发明具有六自由度位置感知能力和三自由度力反馈能力的手控器3的结构示意图；其中：θ₁，θ₂，θ₃由电机驱动。从图中可以看到，本发明的手控器3上安装有两个按钮，该两个按钮用来定义手控器3的工作状态。两个按钮包括第一按钮3a和第二按钮3b；定义两个按钮的功能为：当按钮按下零数次或偶数次时记为0，当按钮按下奇数次时记为1；第一按钮3a和第二按钮3b能表示四种工作状态：00，01，10和11，分别对应A，B，C和D四种工作状态。

如图4所示，在本发明的控制方法中可以将手控器3的工作空间视为球形，并将球形的工作空间按半径的不同划分为三个工作区，使得操作员Y利用单个手控器能够控制多个果蔬采摘机器人1，三个工作区依次包括机械臂控制区31、过渡区32和移动平台导航区33。

机械臂控制区11为以R_m为半径的球形范围内的区域，过渡区32为半径R_m以外至半径R_t以内的区域，所述的移动平台导航区33为以半径R_t以外至半径R_p以内的区域。R_p＞R_t＞R_m。

当手控器3处于A状态时，多个果蔬采摘机器人1处于自主运动状态，手控器3的位置变化不影响果蔬采摘机器人1，此时手控器3的反馈力为零；

当手控器3处于B状态且手控器人机交互作用点处于移动平台导航区33时，机械臂12和末端执行器13的位姿保持不变，多移动平台系统被手控器3控制，此时手控器3的反馈力反映多移动平台系统的作业状态；

当手控器3处于C状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区31时，移动平台11和末端执行器13的位姿不变，多机械臂系统被手控器3控制，此时手控器3的反馈力反映多机械臂系统与环境的交互状态；

当手控器3处于D状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区31时，移动平台11和机械臂12位姿保持不变，果蔬采摘机器人1开始采摘果蔬，此时手控器3的反馈力反映末端执行器13与果蔬的接触力；

当手控器人机交互作用点处于过渡区32时，为手控器2控制果蔬采摘机器人1在多移动平台系统和多机械臂系统间保证平滑过渡切换的过渡区间。

本发明的控制方法中多移动平台系统和多机械臂系统均采用分布式控制，每个果蔬采摘机器人1均根据自身与相邻果蔬采摘机器人1以及与环境之间的状态自主作业。具体地说是每个移动平台或机械臂均能根据自身与邻居以及与环境之间的状态自主作业，只有当任务切换的时候，才依赖手控器3的集中控制。采用集中控制模式时，即在集中控制时，多移动平台系统中或多机械臂系统中只有一个移动平台11或一个机械臂12直接受控于手控器3，其余的移动平台11或机械臂12以该受控的移动平台11或机械臂12为中心自主形成指定的队形。

两相邻的果蔬采摘机器人1的移动平台11或机械臂12之间设计有用于产生作用力的人工势场，移动平台11或机械臂12之间通过信息交互达到满足任务需求的队形，并最终收敛于手控器3的控制命令；任意两个相邻移动平台11或机械臂12，当它们之间的距离等于目标队形中的设定距离时，相互之间的作用力为零；当它们之间的距离小于目标距离时，表现为排斥力；当它们之间的距离大于目标距离时，表现为吸引力。

对于某个移动平台或机械臂i，其邻居集N_i包括所有能够与它直接通信的果蔬采摘机器人1。单个移动平台或机械臂受到来自邻居的合力为：

其中d_ij是两个机器人之间的相对距离，F_ij为机器人i与邻居机器人j之间的相互作用力，E(d_ij)为相邻机器人之间的势能函数。

手控器3对多移动平台系统采用位置-速度/队形的控制方式控制，移动平台系统的目标速度以及目标队形T_d定义如下：

其中k_v1和k_v2为比例系数，x_b和z_b为缓冲区，用于保证操作员能够轻松自如地控制机器人运动。g(a，b)所代表的函数关系如下：

f(q_My)表示多移动平台的队形与手控器末端触觉交互点在y方向位置之间的函数关系，如下式所示：

式中y_m表示将手控器末端在y方向的位置划分为m个区间，每个区间对应一种队形。

手控器3对多机械臂系统采用位置-位置的控制方式控制。假设R_s是机械臂工作空间的半径，R_o是手控器工作空间的半径，为了克服机械臂和手控器工作空间之间的不匹配，引入比例系数δ，定义如下：

手控器3的位置所生成的目标量与采摘机器人实际值之间的差值转为反馈力，用于操作员感知果蔬采摘机器人的作业状况。反馈力模型为：

或

式中K_q和K_v为正常数，其值经过实验测定后给定。q_M为手控器的位置向量，为多个机械臂末端的平均值，为多移动平台系统的几何中心位置的速度。

在采摘机器人末端执行器开始与果蔬接触采摘的过程中，手控器3感知到的力F_s与压力传感器实际获取的力成正比例关系，比例系数经过实验测定后给出。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，包括由单个操作员(Y)、单个手控器(3)、监控中心(4)、通讯环节(2)以及多个结构相同的果蔬采摘机器人(1)、摄像头(6)和果园环境组成的双边遥操作系统；每一所述的果蔬采摘机器人(1)均由履带式的移动平台(11)、机械臂(12)、末端执行器(13)、升降台(14)、控制箱(15)和果蔬收集筐(16)组装构成；其特征是：所述果蔬采摘机器人具有部分智能，也可将由多果蔬采摘机器人(1)组成的系统分为多移动平台系统、多机械臂系统以及多末端执行器系统，使操作员(Y)通过单个手控器(3)分别控制多移动平台系统及多机械臂系统，实现对多个果蔬采摘机器人(1)的控制。

2.根据权利要求1所述的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，其特征是：所述的手控器(3)与果蔬采摘机器人(1)的机械臂(12)的结构相同，所述的手控器(3)具有六自由度的位置感知能力和三自由度的力反馈能力，所述的手控器(3)上安装有两个用来定义手控器(3)工作状态的按钮；所述的操作员(Y)通过手控器(3)的反馈力感知移动平台(11)、机械臂(12)以及末端执行器(13)的作业状态。

3.根据权利要求2所述的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，其特征是：将所述的手控器(3)的工作空间视为球形，并将球形工作空间按半径划分为三个使得手控器(3)能控制多个果蔬采摘机器人(1)的工作区；三个所述的工作区依次包括机械臂控制区(31)、过渡区(32)和移动平台导航区(33)。

4.根据权利要求3所述的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，其特征是：所述的机械臂控制区(11)为以R_m为半径的球形范围内的区域，所述的过渡区(32)为半径R_m以外至半径R_t以内的区域，所述的移动平台导航区(33)为以半径R_t以外至半径R_p以内的区域。

5.根据权利要求4所述的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，其特征是：两个所述的按钮包括第一按钮(3a)和第二按钮(3b)；定义两个按钮的功能为：当按钮按下零数次或偶数次时记为0，当按钮按下奇数次时记为1；所述的第一按钮(3a)和第二按钮(3b)能表示四种状态：00，01，10和11，分别对应A，B，C和D四种状态。

6.根据权利要求5所述的一种果蔬采摘机器人双边遥操作控制方法，其特征是：当手控器(3)处于A状态时，多个果蔬采摘机器人(1)处于自主运动状态，手控器(3)的位置变化不影响果蔬采摘机器人(1)，此时手控器(3)的反馈力为零；

当手控器(3)处于B状态且手控器人机交互作用点处于移动平台导航区(33)时，机械臂(12)和末端执行器(13)的位姿保持不变，多移动平台系统被手控器(3)控制，此时手控器(3)的反馈力反映多移动平台系统的作业状态；

当手控器(3)处于C状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区(31)时，移动平台(11)和末端执行器(13)的位姿不变，多机械臂系统被手控器(3)控制，此时手控器(3)的反馈力反映多机械臂系统与环境的交互状态；

当手控器(3)处于D状态且手控器人机交互作用点处于机械臂控制区(31)时，移动平台(11)和机械臂(12)位姿保持不变，果蔬采摘机器人(1)开始采摘果蔬，此时手控器(3)的反馈力反映末端执行器(13)与果蔬的接触力；

当手控器人机交互作用点处于过渡区(32)时，为手控器(2)控制果蔬采摘机器人(1)在多移动平台系统和多机械臂系统间保证平滑过渡切换的过渡区间。