CN110800468A - 用于果蔬采摘机械手的并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于果蔬采摘机械手的并联平台，所述并联平台包括静平台，动平台、转动副R4，三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和四个伺服电机，所述并联平台还包括特定拓扑结构，所述并联平台的拓扑结构为3‑RRC+R，所述并联平台再PID反馈调节作用下，具有较高的定位性能，从而可以有效的降低漏采率和破碎率，单次定位时间耗时较低，有效的缩短机械动作响应时间，将三维立体成像应用于其目标定位系统，可以有效地实现对果实的定位，能够适应果树采摘机器人作业环境的复杂性和作业目标的特殊性。

Description

用于果蔬采摘机械手的并联平台

技术领域

本发明涉及农业机械设备领域，尤其涉及用于果蔬采摘机械手的并联平台。

背景技术

机械手技术是近年来发展起来的一种高科技生产设备，是机器人的重要分支，通过对机械手预先编程控制可以使其完成各种预期的机械作业；其结构特征具有人和机器的特点，具有智能和自适应能力。由于其能够准确地完成目标任务，可在各种环境中完成作业，因此在国民经济中有着广阔的前景。我国是一个农业生产大国，但随着农业生产规模的不断扩大和精耕细作的要求，某些区域呈现出劳动力不足的现象；而果蔬的采摘是一项劳动密集型的工作，其时令要求较高，因此对于果蔬高效采摘机械手的研究具有重要的意义。

相对国外人工采摘机器人的发展，我国在采摘研究领域中的人工智能机器人的研发还仍处于起步阶段。现有技术中遇到的技术问题是：第一、如何在复杂多变的环境下实现对苹果的寻觅察找：第二、如何在初步确定苹果所在空间位置的情况下，实现对苹果准确的跟踪定位：第三、如何在准确定位苹果之后，实现对苹果的剪断和收集。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供用于果蔬采摘机械手的并联平台。

本发明是以如下技术方案实现的：

用于果蔬采摘机械手的并联平台，所述并联平台包括静平台，动平台、转动副R4，三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和四个伺服电机，所述并联平台还包括特定拓扑结构，所述并联平台的拓扑结构为3-RRC+R。

进一步地，所述单开链I(R11‖R12‖C13)的结构等价于(R11‖R12‖R131|P132)；单开链Ⅱ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R21‖R22‖C23)等价于(R21‖R22‖R231|P232)；单开链Ⅲ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R31‖R32‖C33)等价于(R31‖R32‖R331|P332)。

进一步地，所述转动副R11，R21，R31轴线共面，均位于静平台上，且R11和R21副的两条轴线相互平行，R31副的轴线与它们垂直相交；圆柱副C12，C22，C32轴线共面，均位于动平台上。

进一步地，所述转动副R4位于动平台的中心，与动平台串联。

进一步地，所述并联运动平台具有三平移一转动的四自由度，分别为沿X轴，Y轴和Z轴的平动以及沿Z轴的转动，所述并联运动平台的驱动副为转动副R11，R21，R31，R4，分别由对应的伺服电机M1、M2、M3、M4进行驱动。

进一步地，所述并联平台与机座，支撑杆，连接臂，摄像头安装座，摄像头，气泵，末端执行器，软管，回收果篮结合用于完成对果蔬目标的采摘。

进一步地，所述并联平台利用摄像头采集到的果蔬坐标位置，迅速将末端执行器运送至目标果蔬的坐标位置，利用吸气加裁剪于一体的末端执行器进行果蔬的采摘，具体工作过程为：

1)设备上电后，控制系统进行初始化，并联平台、气泵、气缸及电磁阀等控制元件进行置位，并联平台运动至零位；

2)采用固定在摄像头安装座前端的两个摄像头及专用算法构成三维立体成像系统，对空间目标(果蔬，可以是多个)进行定位，确定空间目标(果蔬，可以是多个)特征点的3D坐标和枝干的图像信息；

3)将求出的目标特征点的坐标数据和枝干的图像信息传给计算机系统，经过坐标系转换后，再将坐标数据传递给并联平台；

4)计算机系统启动并联平台，并联平台根据目标特征点的坐标数据和枝干图像信息，进行路径规划，将末端执行器准确快速的运送至目标果蔬的坐标位置，并可利用并联平台的移动和转动成功避开树木的主要枝干；

5)计算机系统启动末端执行器，将目标果蔬利用手爪机械轻轻夹紧，并利用吸气管将果蔬吸取牢固，再启动裁刀电磁阀，完成目标果蔬的裁剪；

6)末端执行器松开手爪，目标果蔬掉落到软管内，滑落至回收果篮内，完成目标果蔬的采摘；

7)计算机系统再次启动并联平台回零位，并根据三维立体成像系统采集的第二个空间目标(果蔬)的位置信息，重复循环步骤3～6，直至完成所有空间目标的采摘；

8)完成所有操作后，控制系统复位。

本发明的有益效果是：

本发明提供的用于果蔬采摘机械手的并联平台，将三维立体成像应用于其目标定位系统，可以有效地实现对果实的定位，能够适应果树采摘机器人作业环境的复杂性和作业目标的特殊性。

在并联平台的PID反馈调节作用下，果蔬采摘机械手具有较高的定位性能，从而可以有效的降低漏采率和破碎率；而单次定位时间耗时较低，有效的缩短机械动作响应时间，该机械手可以有效完成采摘过程的移动、夹紧和切割动作，提高了机械手的机械作业效率及果蔬采摘的效率。

本发明在计算机智能控制系统的调控下，各个环节相互配合，自动化程度高，操作简单，果蔬采摘效率高，大大降低了人员的劳动强度。

附图说明

图1是本实施例提供的用于果蔬采摘机械手的并联平台的结构示意图；

图2是本实施例提供的并联平台的示意图；

图3是本实施例提供的末端执行器的结构示意图；

图4是本实施例提供的目标定位系统结构图；

图5是本实施例提供的用于果蔬采摘机械手的并联平台的计算机系统的总体框架图。

其中：1-机座，2-支撑杆，3-并联平台，4-连接臂，5-摄像头安装座，6-摄像头，7-气泵，8-末端执行器，9-软管，10-回收果篮，301-静平台，302-动平台，801-连接板，802-气缸，803-吸气管，804-手爪，805-橡胶垫，806-裁刀，Ⅰ-单开链Ⅰ，Ⅱ-单开链Ⅱ，Ⅲ-单开链Ⅲ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1：

用于果蔬采摘机械手的并联平台，如图1所示，所述果蔬采摘机械手包括机座，支撑杆，并联平台，连接臂，摄像头安装座，摄像头，气泵，末端执行器，软管，回收果篮。所述机座位于最底部，可以将所述果蔬采摘机械手固定到车辆等移动载体上，所述支撑板竖直固定在机座上，所述并联平台固定在支撑板的前端，所述连接臂固定在并联平台的动平台上，水平设置，所述摄像头安装座固定在连接臂的最前端的上方，所述摄像头有2个摄像头组成，两摄像头的光轴平行，并且两摄像头的水平扫描线位于同一平面，均固定在摄像头安装座的前端，用于采集果蔬的三维立体图像，所述末端执行器为机械手形状，固定在连接臂的前端，所述气泵固定在机座上，与末端执行器管路连接，所述软管固定在末端执行器的正下方，所述回收果篮固定在机座上，与软管的末端相连，已完成采摘的果蔬沿着软管滑落至回收果篮内。

进一步地，所述并联平台如图2所示，包括静平台，动平台、转动副R4，三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和四个伺服电机，所述并联平台还包括特定拓扑结构，所述并联平台的拓扑结构为3-RRC+R，单开链I(R11‖R12‖C13)的结构等价于(R11‖R12‖R131|P132)；单开链Ⅱ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R21‖R22‖C23)等价于(R21‖R22‖R231|P232)；单开链Ⅲ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R31‖R32‖C33)等价于(R31‖R32‖R331|P332)，其中，转动副R11，R21，R31轴线共面，均位于静平台上，且R11和R21副的两条轴线相互平行，R31副的轴线与它们垂直相交；圆柱副C12，C22，C32轴线共面，均位于动平台上，所述转动副R4位于动平台的中心，与动平台串联，所述并联平台具有三平移一转动的四自由度，分别为沿X轴，Y轴和Z轴的平动以及沿Z轴的转动，所述并联平台的驱动副为转动副R11，R21，R31，R4，分别由对应的伺服电机M1、M2、M3、M4进行驱动。

实施例2：

如图2所示，该并联平台的并联机构共有运动副数m＝10，构件数n＝10，根据自由度(DOF)公式

确定机构的自由度(DOF)为F＝4，且四个自由度分别为沿X轴、Y轴、Z轴的平动以及沿Z轴的转动；

对于自由度为F的机构，预选F个运动副为驱动副，并将其刚化.若得到的新机构自由度F’＝0，则预选的F个运动副可同时为驱动副。由于机构的自由度为4，预选3条支路的转动副R11，R21，R31和动平台上的转动副R4为驱动副，将它们刚化，得到刚化后机构自由度F’＝0，满足驱动副存在准则。

实施例3：

所述果蔬采摘机械手的末端执行器，如图3所示，包括连接板，气缸，吸气管，手爪，橡胶垫，裁刀，所述连接板位于末端执行器的最后端，用于将末端执行器固定在连接臂上，所述气缸位于末端执行器的中心轴线上，与气泵管路连接，用于提供手爪的抓紧与放松，所述手爪共计上下两个手爪，两个手爪的后端销轴连接，共同固定在气缸的导轨上，当气缸后移时，两手爪向中心轴线移动，实现抓紧功能，当气缸迁移时，两手爪远离中心轴线，实现放松功能，所述吸气管固定在两手爪后端的中心轴线上，与气泵管路连接，用于实现对果蔬的吸气抓取，所述橡胶垫设置在两个手爪的前端的内壁上，起到对果蔬抓取的缓冲作用，所述裁刀设置于两个手爪的侧壁上，通过裁刀电磁阀和弹簧的联用，实现对果蔬的裁剪功能。

实施例4：

用于果蔬采摘机械手的并联平台，采用固定在摄像头安装座前端的两个摄像头及专用算法构成三维立体成像系统，如图4所示，所述三维立体成像系统利用两个摄像头的图像对空间目标进行定位的基本过程为：

1)建立三维立体成像测量系统，并标定所有参数(包括成像系统的摄像头内部参数和两摄像头之间的结构参数)；

2)左右摄像头同时采集目标图像；

3)利用摄像头的后投影模型，分别对两幅图像进行畸变校正；

4)对畸变校正后的图像，利用目标检测方法，分别求出左右图像中特征点的“亚像素”精度级图像坐标，由极线约束和顺序一致性原则，建立对应点的匹配关系；

5)根据建立的对应匹配点，由三维立体成像模型，求出空间目标特征点的3D坐标和枝干的图像信息。

6)将求出的目标特征点的坐标数据传给计算机系统，经过坐标系转换后，再将坐标数据传递给并联平台。

实施例5：

用于果蔬采摘机械手的并联平台，其总体架构如图5所示，所述计算机系统分别与伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3，伺服电机M4，气泵，气缸，裁刀电磁阀，摄像头电连接，所述计算机系统与伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3，伺服电机M4电连接，用于驱动对应的转动副R11，R21，P3并联运作，从而控制并联平台的移动、转动和速度；所述计算机系统与气泵，气缸电连接，用于实现末端执行器的抓紧和放松功能，所述计算机系统与裁刀电磁阀电连接，用于实现末端执行器的果蔬裁剪功能，所述计算机系统与摄像头电连接，用于对果蔬进行空间定位。

实施例6：

用于果蔬采摘机械手的并联平台，其利用摄像头采集果蔬的坐标位置，利用并联平台迅速将末端执行器运送至目标果蔬的坐标位置，利用吸气加裁剪于一体的末端执行器进行果蔬的采摘，具体工作过程为：

1)设备上电后，控制系统进行初始化，并联平台、气泵、气缸及电磁阀等控制元件进行置位，并联平台运动至零位；

2)采用固定在摄像头安装座前端的两个摄像头及专用算法构成三维立体成像系统，对空间目标(果蔬，可以是多个)进行定位，确定空间目标(果蔬，可以是多个)特征点的3D坐标和枝干的图像信息；

3)将求出的目标特征点的坐标数据和枝干的图像信息传给计算机系统，经过坐标系转换后，再将坐标数据传递给并联平台；

4)计算机系统启动并联平台，并联平台根据目标特征点的坐标数据和枝干图像信息，进行路径规划，将末端执行器准确快速的运送至目标果蔬的坐标位置，并可利用并联平台的移动和转动成功避开树木的主要枝干；

5)计算机系统启动末端执行器，将目标果蔬利用手爪机械轻轻夹紧，并利用吸气管将果蔬吸取牢固，再启动裁刀电磁阀，完成目标果蔬的裁剪；

6)末端执行器松开手爪，目标果蔬掉落到软管内，滑落至回收果篮内，完成目标果蔬的采摘；

7)计算机系统再次启动并联平台回零位，并根据三维立体成像系统采集的第二个空间目标(果蔬)的位置信息，重复循环步骤3～6，直至完成所有空间目标的采摘；

8)完成所有操作后，控制系统复位。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述并联平台包括静平台，动平台、转动副R4，三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和四个伺服电机，所述并联平台还包括特定拓扑结构，所述并联平台的拓扑结构为3-RRC+R。

2.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述单开链I(R11‖R12‖C13)的结构等价于(R11‖R12‖R131|P132)；单开链Ⅱ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R21‖R22‖C23)等价于(R21‖R22‖R231|P232)；单开链Ⅲ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R31‖R32‖C33)等价于(R31‖R32‖R331|P332)。

3.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述转动副R11，R21，R31轴线共面，均位于静平台上，且R11和R21副的两条轴线相互平行，R31副的轴线与它们垂直相交；圆柱副C12，C22，C32轴线共面，均位于动平台上。

4.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述转动副R4位于动平台的中心，与动平台串联。

5.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述并联运动平台具有三平移一转动的四自由度，分别为沿X轴，Y轴和Z轴的平动以及沿Z轴的转动，所述并联运动平台的驱动副为转动副R11，R21，R31，R4，分别由对应的伺服电机M1、M2、M3、M4进行驱动。

6.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述并联平台与机座，支撑杆，连接臂，摄像头安装座，摄像头，气泵，末端执行器，软管，回收果篮结合用于完成对果蔬目标的采摘。

7.根据权利要求1所述的用于果蔬采摘机械手的并联平台，其特征在于，所述并联平台利用摄像头采集到的果蔬坐标位置，迅速将末端执行器运送至目标果蔬的坐标位置，利用吸气加裁剪于一体的末端执行器进行果蔬的采摘，具体工作过程为：

1)设备上电后，控制系统进行初始化，并联平台、气泵、气缸及电磁阀等控制元件进行置位，并联平台运动至零位；

2)采用固定在摄像头安装座前端的两个摄像头及专用算法构成三维立体成像系统，对空间目标(果蔬，可以是多个)进行定位，确定空间目标(果蔬，可以是多个)特征点的3D坐标和枝干的图像信息；

3)将求出的目标特征点的坐标数据和枝干的图像信息传给计算机系统，经过坐标系转换后，再将坐标数据传递给并联平台；

4)计算机系统启动并联平台，并联平台根据目标特征点的坐标数据和枝干图像信息，进行路径规划，将末端执行器准确快速的运送至目标果蔬的坐标位置，并可利用并联平台的移动和转动成功避开树木的主要枝干；

5)计算机系统启动末端执行器，将目标果蔬利用手爪机械轻轻夹紧，并利用吸气管将果蔬吸取牢固，再启动裁刀电磁阀，完成目标果蔬的裁剪；

6)末端执行器松开手爪，目标果蔬掉落到软管内，滑落至回收果篮内，完成目标果蔬的采摘；

7)计算机系统再次启动并联平台回零位，并根据三维立体成像系统采集的第二个空间目标(果蔬)的位置信息，重复循环步骤3～6，直至完成所有空间目标的采摘；

8)完成所有操作后，控制系统复位。

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