CN111771711A - 授粉机器人及其机械臂的位姿计算方法、位姿计算装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种授粉机器人及其机械臂的位姿计算方法、位姿计算装置，其中，位姿计算方法包括：确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间；获取第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取第四轴机械臂的可行空间；根据花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿。该方法从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及农业器械技术领域，具体涉及一种授粉机器人的机械臂的位姿计算方法、一种授粉机器人的机械臂的位姿计算装置和一种授粉机器人。
背景技术
大部分的果树都需要异花授粉才能正常结果，而在授粉树缺乏，天气恶劣的情况下，果树的自然授粉会受到不利的影响，此时就需要进行人工授粉。例如火龙果的授粉，火龙果花朵的自然授粉比较困难，需要人工授粉，且火龙果是典型的夜间开花植物，一般傍晚至凌晨开花，凌晨开始逐渐凋萎，直至阳光照射后完全凋谢。这对人工授粉来说费时费力，还容易损伤花朵。
相关技术中虽然有通过授粉机器人自动进行授粉的技术，但是，对于其授粉机械臂的位姿计算一般是笛卡尔空间进行轨迹规划，需要将其插补点进行机械臂的逆解，将其逆解到关节空间中去，实现机械臂的运动控制。但是在笛卡尔空间进行逆解的时候会存在奇异解的现象，并且计算量过大并且关节空间中的速度和加速度的曲线不连续，会发生突变。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，该方法从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
本发明还提供一种授粉机器人的机械臂的位姿计算装置。
本发明还提供一个授粉机器人。
本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面实施例提出了一种授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，所述授粉机器人包括：第一至第六轴机械臂，所述第一至第六轴机械臂依次绞接，且第二轴机械臂、第三轴机械臂、第四轴机械臂和第六轴机械臂起调节作用，所述第六轴机械臂包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆包括：滑移导轨，所述滑移导轨通过连接装置与第五轴机械臂连接；齿条，所述齿条与所述滑移导轨滑动结合；齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合；固定块，所述固定块设置在所述滑移导轨上，所述固定块用以将所述齿条固定在所述滑移导轨上，所述第二连杆包括：矢量喷管，所述矢量喷管设置在所述齿条的末端，所述矢量喷管包括与其同心设置的可伸缩软管；所述方法包括以下步骤：确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间；获取所述第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取所述第四轴机械臂的可行空间；根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿。
根据本发明的一个实施例，根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面，包括：在所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)中以
向量加
向量形成的新坐标轴
其中
和
形成所述授粉平面。
根据本发明的一个实施例，根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间，包括：以所述待授粉花蕊为圆心，花瓣为方向向量，以半径为L所形成的圆锥体确定所述授粉空间，其中，根据以下公式获取所述半径L：
其中，l4为第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，q6为所述矢量喷管弯曲的角度。
根据本发明的一个实施例，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿，包括：根据所述第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点；根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3；根据所述四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中所述矢量喷管的弯曲角度q6。
根据本发明的一个实施例，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，包括：如果所述第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取所述第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e32：
根据本发明的一个实施例，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，包括：
如果所述第四轴机械臂的可行空间中存在障碍物，则获取所述第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角θ1和第二夹角θ2；
根据以下公式获取所述第三轴机械臂和水平面的夹角e1、第四轴机械臂和xp轴的夹角e2：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为所述可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为所述第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2所述第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
本发明第二方面实施例提出了一种授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，所述授粉机器人包括：第一至第六轴机械臂，所述第一至第六轴机械臂依次绞接，且第二轴机械臂、第三轴机械臂、第四轴机械臂和第六轴机械臂起调节作用，所述第六轴机械臂包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆包括：滑移导轨，所述滑移导轨通过连接装置与第五轴机械臂连接；齿条，所述齿条与所述滑移导轨滑动结合；齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合；固定块，所述固定块设置在所述滑移导轨上，所述固定块用以将所述齿条固定在所述滑移导轨上，所述第二连杆包括：矢量喷管，所述矢量喷管设置在所述齿条的末端，所述矢量喷管包括与其同心设置的可伸缩软管；所述位姿计算装置包括：第一确定模块，所述第一确定模块用于确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；第二确定模块，所述第二确定模块用于根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间；第一获取模块，所述第一获取模块用于根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间；第二获取模块，所述第二获取模块用于根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿。
根据本发明的一个实施例，所述第二获取模块具体用于：根据所述第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点；根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3；根据所述四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中所述矢量喷管的弯曲角度q6。
根据本发明的一个实施例，所述第二获取模块进一步用于：如果所述第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取所述第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为所述第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2所述第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
本发明第三方面实施例提出了一种授粉机器人，包括本发明第二方面实施例所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置。
本发明的有益效果：
本发明从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的授粉机器人的第六轴机械臂的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法的流程图；
图4是根据本发明一个实施例的待授粉花蕊在世界坐标系的坐标示意图；
图5是根据本发明一个实施例的授粉空间无障碍物时第四轴机械臂的可行空间的示意图；
图6是根据本发明另一个实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法的流程图；
图7是根据本发明一个实施例的授粉空间有障碍物时第四轴机械臂的可行空间的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的调节轴的旋转角度示意图；
图9是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置的方框示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的结构示意图；图2是根据本发明一个实施例的授粉机器人的第六轴机械臂的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的授粉机器人的机械臂包括：第一至第六轴机械臂L1-L6，第一至第六轴机械臂L1-L6依次绞接，且第二轴机械臂L2、第三轴机械臂L3、第四轴机械臂L4和第六轴机械臂L6起调节作用，如图2所示，第六轴机械臂L6包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，第一连杆包括：滑移导轨1、齿条2、齿轮3、固定块4、第一电机5、第二电机7，第二连杆包括矢量喷管6。
其中，
滑移导轨1通过连接装置8与第五轴机械臂L5连接；齿条2与滑移导轨1滑动结合；齿轮3与齿条2啮合；固定块4设置在滑移导轨1上，固定块4用以将齿条2固定在滑移导轨1上；第一电机5设置在固定块4的侧面，第一电机5用于驱动齿轮3，以带动齿条2在滑移导轨1上移动；矢量喷管6设置在齿条2的末端，矢量喷管6包括与其同心设置的可伸缩软管601；第二电机7设置在齿条2的一侧，第二电机7用于驱动可伸缩软管601的伸缩。
具体地，如图1所示，本发明的机械臂为六轴机械臂，具有6个自由度，包含旋转(第一轴机械臂)，下臂(第二轴机械臂)、上臂(第三轴机械臂)、手腕旋转(第四轴机械臂)、手腕摆动(第五轴机械臂)和手腕回转(第六轴机械臂)。第一至第五轴机械臂L1-L5可采用相关技术中的结构，本发明对第六轴机械臂进行改进，具体而言，如图2所示，第六轴机械臂L6通过连接装置8与第五轴机械臂L5连接，在连接装置8上设有滑移导轨1，滑移导轨1与齿条2滑动的结合，在滑移导轨1上安装固定块4，固定块4的侧面装有第一电机5，第一电机5用来驱动齿轮3，以带动齿条2在滑移导轨1上移动实现伸缩的效果，在齿条2的一边安装有第二电机7，第二电机7可以为小电机，并在齿条2的末端安装矢量喷管6，第二电机7驱动与矢量喷管6同心的可伸缩软管601的伸缩。假如把连接装置8到矢量喷管6之间称为第一连杆b1，第一连杆b1会根据其滑移导轨1和齿条2之间的相对长度会发生变化；把第二电机7驱动的可伸缩软管601称为第二连杆b2，b2会根据可伸缩软管601的长度而变化，可以根据待授粉花蕊的位置设计第一连杆b1的长度，并根据实际需求进一步设计第二连杆b2的长度，使授粉机械臂的末端更为精确的到达授粉目标点。由此，该机械臂可以通过调节滑移导轨和齿条的长度调节第六轴机械臂的长度，并可以通过调节可伸缩软管的长度进一步调节精确第六轴机械臂的长度，从而可以使机械臂的位姿更多元化，扩大了授粉空间，满足了不同的授粉需求。
在本发明的一个实施例中，可伸缩软管601上带有螺纹，以方便可伸缩软管601弯曲，更好的与矢量喷管6结合。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，第五轴机械臂L5可以包括：驱动电机9，驱动电机9用以驱动第六轴机械臂L6旋转。即驱动电机9可以驱动第六轴机械臂L6在水平方向上旋转。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，上述的第六轴机械臂L6还可以包括：花粉存放瓶10，花粉存放瓶10设置在齿条的一侧。花粉存放瓶10通过授粉管路与矢量喷管6联通。
第六轴机械臂L6还可以包括：设置在授粉管路上的小型气泵(图中未具体示出)，小型气泵用于控制花粉存放瓶10输出至矢量喷管联6的花粉量。
具体地，花粉存放瓶10可以存放花粉以进行授粉，小型气泵可以将花粉存放瓶的花粉通过授粉管路泵至矢量喷管6，再经可伸缩软管601输送至待授粉花蕊。通过调节小型气泵的功率即可调节花粉存放瓶输出至矢量喷管联6的花粉量。
图3是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤：
S1，确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面。
进一步地，根据本发明的一个实施例，根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面，包括：在待授粉花蕊在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)中以
向量加
向量形成的新坐标轴
其中
和
形成授粉平面。
具体地，待授粉花蕊K在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)可参照图4所示，其中，K代表待授粉花蕊，Q代表机械臂，G代表授粉空间，授粉平面与世界坐标x轴的夹角为θ，
S2，根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间。
进一步地，根据本发明的一个实施例，根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间，包括：
以待授粉花蕊为圆心，花瓣为方向向量，以授粉半径L所形成的圆锥体确定授粉空间，其中，根据以下公式获取授粉半径L：
其中，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，q6为矢量喷管弯曲的角度。
因本发明可以根据机械臂的具体大小和其所需授粉的半径来设置第一连杆和第二连杆的可伸缩距离，适应机械臂的型号较广。
S3，获取第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取第四轴机械臂的可行空间。
具体地，如图5所示，第四轴机械臂的运行空间即为第四轴机械臂的运动范围第四轴机械臂的运行空间与授粉空间的相交的部分，其为第四轴可行空间。其第四轴在授粉平面中的运动空间为U：
授粉空间为G：
其中，(x4，z4)为第四轴机械臂的可行点，L为授粉半径，(zg，xg)为授粉空间内的点，a1为第一轴机械臂相对于xp轴的值，d1为为第一轴机械臂相对于z轴的值，l2为第二轴机械臂的长度(第二轴机械臂连杆)，l3为第三轴机械臂的长度(第三轴机械臂连杆)；q2为第二轴机械臂与水平面的夹角，范围为[αmin，αmax]；q3为第三轴机械臂的旋转角度，即第三轴机械臂连杆l3与垂直于第二轴机械臂连杆l2的夹角，范围为[βmin，βmax]；r表示授粉空间相对于xp轴的最小角度值；λ表示授粉空间相对于xp轴的最大角度值。
在授粉平面内第四轴的授粉可行空间J为J＝U∩G(即图5中的阴影部分)。
S4，根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿。
具体地，第二轴机械臂L2、第三轴机械臂L3、第四轴机械臂L4和第六轴机械臂L6起调节作用。机械臂的位姿包括：第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中矢量喷管的弯曲角度q6。根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)、第四轴机械臂的可行空间J、第四轴机械臂的运动空间U，根据各坐标之间的关系即可获取机械臂的位姿，运用各关节轴相对于世界坐标系的旋转矩阵转换到机械臂各个轴的坐标系中，完成位姿的最终确定。由此，该方法从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
根据本发明的一个实施例，如图6所示，根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿，可以包括：
S401，根据第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点。
S402，根据待授粉目标点坐标、四轴机械臂的可行点、第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3。
S403，根据第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中所述矢量喷管的弯曲角度q6。
进一步地，根据待授粉目标点坐标、第四轴机械臂的可行点、第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，可以包括：
如果第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e32：
其中，(xk，zk)为待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为第四轴机械臂的可行点，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，αmin为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角。
如果第四轴机械臂的可行空间中存在障碍物，则获取第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角θ1和第二夹角θ2；
根据以下公式获取第三轴机械臂和水平面的夹角e1、第四轴机械臂和xp轴的夹角e2：
其中，(xk，zk)为待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为第四轴机械臂的可行点，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，αmin为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
具体地，如图5所示，在获取第四轴机械臂的可行空间后，即可获取第四轴机械臂的可行点(x4，z4)，即图5中的空心点部分。然后判断在授粉空间内有无障碍物，例如可以利用相机进行图像识别判断授粉空间内有无障碍物。如果无障碍物，则只需以第四轴机械臂为起始点，第五轴机械臂为终点的方向向量上，延长第六轴机械臂的第一连杆，弯曲矢量喷管的关节一定的角度并伸长，直至抵达授粉目标点；如下式所示：
求出符合上式要求的e2、e3、b1和b2。
当在授粉空间中有障碍物时，如图7所示，需分别计算第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp的第一夹角θ1和第二夹角θ2，其分别为：
其中，(xa，za)表示障碍物边界一端的坐标，(xb，zb)表示障碍物边界另一端的坐标，(x5，z5)表示第五轴机械臂连杆的坐标。
将所求两角之差作为第四轴的不可行域，其第四轴机械臂和xp轴的夹角e2为：
e2∈[αmin+βmin+γmin-π,θ1]∪[θ2,αmax+βmax+γmax-π]；
在此基础上，根据下式：
求出符合上式要求的e2、e3、b1和b2。
授粉平面各轴的关节角在授粉平面中起到调节作用的轴为第二轴机械臂L2、第三轴机械臂L3、第四轴机械臂L4和第六轴机械臂L6，不同于机械臂的D-H表示法，如图8所示，(X2，Z2)、(X3，Z4)、(X4，Z4)分别代表机械臂四个调节轴之间各关节点的坐标，将上述四个调节轴在授粉平面定义如下：第二轴机械臂的角度为第二轴机械臂连杆与水平面的夹角设为q2，其范围为[αmin,αmax]。第三轴的旋转角度q3为第三轴机械臂连杆与垂直于第二轴机械臂连杆的夹角，其范围为[βmin,βmax]。因此第三轴机械臂连杆和水平面的夹角e1为：
第四轴机械臂的旋转角度q4为第四轴机械臂连杆与垂直于第三轴机械臂连杆的夹角，其范围为[γmin,γmax]，第四轴机械臂连杆和xp轴的夹角e2为：
e2＝q2+q3+q4-π；
第六轴机械臂关节轴的旋转角定义为第六轴机械臂第一连杆b1的延长线与第二连杆b2之间的夹角q6，范围为[ζmin,ζmax]，则其第六轴机械臂第二连杆与xp轴的夹角为e3：e3＝e2-q6；其e3的取值范围为：e3∈[e2-ζmin,e2-ζmax]。
求出的各个轴的旋转角度即方向向量在世界坐标系下的，授粉平面坐标系转到世界坐标系的旋转矩阵为：
上述方法为机械臂的正运动学，即知道各个关节轴在世界坐标系下的旋转角度，然后运用各关节轴相对于世界坐标系的旋转矩阵转换到机械臂各个轴的坐标系中，完成位姿的最终确定。
综上所述，根据本发明实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间；获取第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取第四轴机械臂的可行空间；根据花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿。该方法从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
与上述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法相对应，本发明还提出一种授粉机器人的机械臂的位姿计算装置。由于本发明的装置实施例与本发明上述提出的方法实施例相对应，对于装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本发明中不再进行赘述。
图9是根据本发明一个实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置的方框示意图。其中，如图1所示，本发明实施例的授粉机器人的机械臂包括：第一至第六轴机械臂L1-L6，第一至第六轴机械臂L1-L6依次绞接，且第二轴机械臂L2、第三轴机械臂L3、第四轴机械臂L4和第六轴机械臂L6起调节作用，如图2所示，第六轴机械臂L6包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，第一连杆包括：滑移导轨1、齿条2、齿轮3、固定块4、第一电机5、第二电机7，第二连杆包括矢量喷管6。其中，滑移导轨1通过连接装置8与第五轴机械臂L5连接；齿条2与滑移导轨1滑动结合；齿轮3与齿条2啮合；固定块4设置在滑移导轨1上，固定块4用以将齿条2固定在滑移导轨1上；第一电机5设置在固定块4的侧面，第一电机5用于驱动齿轮3，以带动齿条2在滑移导轨1上移动；矢量喷管6设置在齿条2的末端，矢量喷管6包括与其同心设置的可伸缩软管601；第二电机7设置在齿条2的一侧，第二电机7用于驱动可伸缩软管601的伸缩。
如图9所示，位姿计算装置包括：第一确定模块10、第二确定模块20、第一获取模块30和第二获取模块40。
其中，第一确定模块10用于确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；第二确定模20用于根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间；第一获取模块30用于获取第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取所述第四轴机械臂的可行空间；第二获取模块40用于根据待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿。
根据本发明的一个实施例，第一确定模块10具体用于：在待授粉花蕊在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)中以
向量加
向量形成的新坐标轴
其中
和
形成授粉平面。
根据本发明的一个实施例，第二确定模块20具体用于：以待授粉花蕊为圆心，花瓣为方向向量，以授粉半径L所形成的圆锥体确定授粉空间，其中，根据以下公式获取所述授粉半径L：
其中，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，q6为矢量喷管弯曲的角度。
根据本发明的以实施例，第二获取模块40具体用于：根据第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点；根据待授粉目标点坐标、第四轴机械臂的可行点、第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3；根据第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中矢量喷管的弯曲角度q6。
根据本发明的以实施例，第二获取模块40进一步用于：如果第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e32：
其中，(xk，zk)为待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为第四轴机械臂的可行点，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，αmin为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角。
如果第四轴机械臂的可行空间中存在障碍物，则获取第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角θ1和第二夹角θ2；
根据以下公式获取第三轴机械臂和水平面的夹角e1、第四轴机械臂和xp轴的夹角e2：
其中，(xk，zk)为待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为第四轴机械臂的可行点，l4为第四轴机械臂的长度，b1为第一连杆的长度，b2为第二连杆的长度，αmin为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
综上所述，根据本发明实施例的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，通过第一确定模块确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面，第二确定模块根据授粉平面和授粉半径确定授粉空间，第一获取模块10获取第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取第四轴机械臂的可行空间，第二获取模块根据花蕊在世界坐标系的坐标、第四轴机械臂的可行空间、第四轴机械臂的运动空间获取机械臂的位姿。该装置从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
此外，本发明还提出一种授粉机器人，包括本发明上述提出的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置。
本发明实施例的授粉机器人，通过上述的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，从第四轴开始采用多级限制法，无需进行逆解，运用机械臂正运动学的方法即可计算确定机械臂的位姿，使加速度和速度曲线连续并不发生突变，提高授粉机器人的机械臂的位姿的精确性。
在本发明的描述中，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该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例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例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，所述授粉机器人包括：第一至第六轴机械臂，所述第一至第六轴机械臂依次绞接，且第二轴机械臂、第三轴机械臂、第四轴机械臂和第六轴机械臂起调节作用，所述第六轴机械臂包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆包括：滑移导轨，所述滑移导轨通过连接装置与第五轴机械臂连接；齿条，所述齿条与所述滑移导轨滑动结合；齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合；固定块，所述固定块设置在所述滑移导轨上，所述固定块用以将所述齿条固定在所述滑移导轨上，所述第二连杆包括：矢量喷管，所述矢量喷管设置在所述齿条的末端，所述矢量喷管包括与其同心设置的可伸缩软管；
所述方法包括以下步骤：
确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；
根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间；
获取所述第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取所述第四轴机械臂的可行空间；
根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿。
2.根据权利要求1所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面，包括：
在所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标(xk，yk，zk)中以
向量加
向量形成的新坐标轴
其中
和
形成所述授粉平面。
3.根据权利要求1所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间，包括：
以所述待授粉花蕊为圆心，花瓣为方向向量，以所述授粉半径L所形成的圆锥体确定所述授粉空间，其中，根据以下公式获取所述授粉半径L：
其中，l4为第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，q6为所述矢量喷管弯曲的角度。
4.根据权利要求1所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿，包括：
根据所述第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点；
根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3；
根据所述第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中所述矢量喷管的弯曲角度q6。
5.根据权利要求4所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，包括：
如果所述第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取所述第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e32：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为所述可伸缩软管与xp轴的夹角。
6.根据权利要求5所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算方法，其特征在于，根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3，包括：
如果所述第四轴机械臂的可行空间中存在障碍物，则获取所述第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角θ1和第二夹角θ2；
根据以下公式获取所述第三轴机械臂和水平面的夹角e1、第四轴机械臂和xp轴的夹角e2：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为所述可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为所述第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2所述第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
7.一种授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，其特征在于，所述授粉机器人包括：第一至第六轴机械臂，所述第一至第六轴机械臂依次绞接，且第二轴机械臂、第三轴机械臂、第四轴机械臂和第六轴机械臂起调节作用，所述第六轴机械臂包括：可伸缩的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆包括：滑移导轨，所述滑移导轨通过连接装置与第五轴机械臂连接；齿条，所述齿条与所述滑移导轨滑动结合；齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合；固定块，所述固定块设置在所述滑移导轨上，所述固定块用以将所述齿条固定在所述滑移导轨上，所述第二连杆包括：矢量喷管，所述矢量喷管设置在所述齿条的末端，所述矢量喷管包括与其同心设置的可伸缩软管；
所述位姿计算装置包括：
第一确定模块，所述第一确定模块用于确定待授粉花蕊在世界坐标系的坐标，并根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标确定授粉平面；
第二确定模块，所述第二确定模块用于根据所述授粉平面和授粉半径确定授粉空间；
第一获取模块，所述第一获取模块用于获取所述第四轴机械臂的运动空间与授粉空间的相交的部分，以获取所述第四轴机械臂的可行空间；
第二获取模块，所述第二获取模块用于根据所述待授粉花蕊在世界坐标系的坐标、所述第四轴机械臂的可行空间、所述第四轴机械臂的运动空间获取所述机械臂的位姿。
8.根据权利要求7所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，其特征在于，所述第二获取模块具体用于：
根据所述第四轴机械臂的可行空间获取第四轴机械臂的可行点；
根据待授粉目标点坐标、所述第四轴机械臂的可行点、所述第四轴机械臂的运动空间获取第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、可伸缩软管与xp轴的夹角e3；
根据所述四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3，获取第二轴机械臂与水平面的夹角q2、第三轴机械臂的旋转角度q3、第四轴机械臂的旋转角度q4和第六轴机械臂中所述矢量喷管的弯曲角度q6。
9.根据权利要求8所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置，其特征在于，所述第二获取模块进一步用于：
如果所述第四轴机械臂的可行空间中不存在障碍物，则根据以下公式获取所述第四轴机械臂和xp轴的夹角e2、所述可伸缩软管与xp轴的夹角e3：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为所述可伸缩软管与xp轴的夹角；
如果所述第四轴机械臂的可行空间中存在障碍物，则获取所述第四轴机械臂与障碍物边界两端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角θ1和第二夹角θ2；
根据以下公式获取所述第三轴机械臂和水平面的夹角e1、第四轴机械臂和xp轴的夹角e2：
其中，(xk，zk)为所述待授粉花蕊在xp-z0平面的坐标，(x4，z4)为所述第四轴机械臂的可行点，l4为所述第四轴机械臂的长度，b1为所述第一连杆的长度，b2为所述第二连杆的长度，αmin为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小值，αmax为所述第二轴机械臂与水平面的夹角的最小大值，γmax为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大值，γmin为第四轴机械臂与垂直于第三轴机械臂的夹角的最大小值，e2为第四轴机械臂和xp轴的夹角，e3为可伸缩软管与xp轴的夹角，θ1为所述第四轴机械臂与障碍物边界一端在授粉平面的相对于xp轴的第一夹角；θ2所述第四轴机械臂与障碍物边界另一端在授粉平面的相对于xp轴的第二夹角。
10.一种授粉机器人，其特征在于，包括根据权利要求7-9中任一项所述的授粉机器人的机械臂的位姿计算装置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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