CN113276082A - 冗余7轴双臂协作采摘机器人 - Google Patents

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李兰云
邹光富
渡边成光
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Abstract

本发明公开了一种冗余7轴双臂协作采摘机器人，包括2个冗余7轴机械臂、AGV移动车辆、升降平台和双目视觉图像系统；所述双目视觉图像系统采用eye‑to‑hand的双目视觉系统，固定在机器人的头部中心位置；2个冗余7轴机械臂固定在升降平台上；升降平台固定在AGV移动车辆上。本发明通过增加一个冗余肘关节轴，提高采摘机器人的工作空间和采摘范围，而且让机器人在避障的运动学计算时放宽了约束限制的范围，使机器人容易找到机器人避障运动的最佳路径求解，使得采摘机器人容易快速到达采摘位置和双臂的协作运动。

Description

冗余7轴双臂协作采摘机器人
技术领域
本发明属于农业智能机器人领域，具体涉及一种冗余7轴双臂协作采摘机器人。
背景技术
我国是一个农业大国，果蔬是最主要的经济作物之一。果蔬采摘是果蔬种植中最费力最耗时的环节，果蔬采摘机器人的研发与使用越来越受重视。专利CN108934342A公开了一种六轴叶菜种植采摘机器人，为单臂结构的六轴工业机器人，可以完成一般轨迹的操作；但该机器人的工作空间计算没有考虑到有树枝主干遮挡时怎样避障。专利CN103947380A公开了一种双臂水果采摘机器人及水果采摘方法，采用转动关节机器人的左右臂分别进行左右边的果实采摘；但是该机器人的关节数太少，使得机器人的双臂协作运动和机器人的工作空间和采摘范围受限。专利CN102682286A公开了双臂采摘果实的方法，为两个三自由度串联的圆柱坐标的机械手，通过两臂的协作操作完成果实采摘；但该机器人的关节数只有三个自由度，采摘空间有限，协作运动有限。在机器人运动中，要求采摘过程具有灵巧手的功能，也要求机器人的功能具备处理机器人双臂之间的干涉与碰撞，或机器人与周围环境的干涉与碰撞。可见，采摘机器人迫切需要提高灵活性、避障能力，以及加大采摘的工作空间和活动范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种冗余7轴双臂协作采摘机器人，通过增加一个冗余自由度，提高采摘机器人的工作空间范围；而且通过该冗余自由度，机器人运动学计算增大了机器人到达采摘位置的最佳运动路径的选择机会，在有干涉或碰撞时，多一个冗余自由度让机器人的运动学计算容易找到避开干涉或碰撞的最佳路径解，使得采摘机器人容易快速到达采摘位置；而且通过冗余坐标，提高了采摘机器人双臂的协作工作程度。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种冗余7轴双臂协作采摘机器人，包括2个冗余7轴机械臂300、AGV移动车辆500、升降平台400和双目视觉图像系统200；所述双目视觉图像系统采用eye-to-hand的双目视觉系统，固定在机器人的头部中心位置；2个冗余7轴机械臂300固定在升降平台400上，可采用螺栓与升降平台相连接；升降平台固定在AGV移动车辆500上，所述升降平台用于调节采摘高度，适合不同高度的果树采摘。
所述冗余7轴机械臂300，包括腕部三轴、肩部三轴和冗余肘关节轴；所述腕部三轴包括单臂手的腕关节3005、单臂手的转动关节3006、单臂手的末端执行器关节3007；所述肩部三轴包括单臂腰关节3001、单臂肩关节3002和单臂肘关节3003；所述冗余肘关节轴为单臂冗余关节3004；所述冗余肘关节轴安装在7轴的中间，冗余肘关节轴的一个连接口与单臂肘关节3003相连接，另一个连接口与单臂手的腕关节3005相连接。
所述冗余7轴机械臂300，由7个独立轴的电机驱动系统组成，每个独立轴由伺服电机、减速器和驱动器组成，每个电机独立安装和独立驱动，使每个轴能独立的扩展机械臂的工作空间。
该机器人的双目视觉采用eye-to-hand的固定位置固定方法，将双目视觉固定在机器人的头部中心位置。
果实采摘时，机器人运动学计算通过改变中间冗余轴坐标值来选择避开障碍和碰撞的最佳求解。在采摘遇到障碍和碰撞时，如树枝遮挡，或树叶遮挡，优先调节中间冗余轴坐标值，以避开障碍或碰撞。
双机械臂协作采摘同一果实时，在出现碰撞和干涉时，通过改变两臂的中间冗余坐标值，选择双机械臂协作采摘的双臂运动学的最佳求解。
果实采摘过程中，本发明提供两种采摘模式：双臂协作采摘模式，即双臂协作采摘一个果实，和双臂独立采摘模式，即两个臂独立工作，各自采摘一个果实。
采摘果实时，两个七轴机械臂的运动导航采用一个eye-to-hand的双目视觉系统控制，该双目视觉和两个七轴机械臂，在共同的世界坐标系下，计算双臂的运动，实现双臂的协作采摘动作或独立采摘动作。
该冗余7轴双臂协作采摘机器人可用在多种农田或果园采摘，如采茶机器人，苹果采摘机器人等。
本发明的冗余7轴双臂协作采摘机器人，工作原理是：本发明设置的冗余肘关节轴保存了机械臂的腕关节与肩关节的独立与完整性，和冗余中间坐标运动的独立性。采摘过程中，通过转动中间冗余坐标的角度，可以调整机械臂末端执行器的空间位置与姿态，选择最佳的采摘空间，进行采摘。机器人的正运动和逆运动的运动学计算时，所述冗余肘关节轴的布局使机械臂容易找到避开干涉、碰撞的最佳运动学求解。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明采用双臂增加了机械臂的灵活性；这种双臂采摘具有人双手臂的灵巧性。
(2)本发明的冗余7轴双臂协作采摘机器人，增加一个冗余肘关节轴，提高采摘机器人的工作空间和采摘范围。
(3)本发明通过冗余肘关节轴，让机器人在避障的运动学计算时放宽了约束限制的范围，使机器人容易找到机器人避障运动的最佳路径求解，使得采摘机器人容易快速到达采摘位置。
附图说明
图1为本发明的冗余7轴双臂协作采摘机器人7轴双臂展开的示意图。
图2为本发明的冗余7轴双臂协作采摘机器人7轴双臂合起的示意图。
图3为本发明的冗余7轴机械臂。
图4a为没有冗余坐标的机械臂。
图4b为本发明的增加冗余坐标3004后的机械臂。
其中:
200-双目视觉；
300-冗余7轴机械臂，3001-单臂腰关节，3002-单臂肩关节，3003-单臂肘关节，3004-单臂冗余关节，3005-单臂手的腕关节，3006-单臂手的转动关节，3007-单臂手的末端执行器关节；
400-升降平台；
500-AGV移动车辆，5001-AGV移动车辆的工作面，5002-AGV移动车辆的右轮，5003-AGV移动车辆的左轮。
具体实施方式
下面将结合附图，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的一部分实施例，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。
实施例
如图1和图2所示，本发明的冗余7轴双臂协作采摘机器人，包括2个冗余7轴机械臂300、AGV移动车辆500、升降平台400和双目视觉图像系统200；所述双目视觉图像系统采用eye-to-hand的双目视觉系统，固定在机器人的头部中心位置；2个冗余7轴机械臂300固定在升降平台400上，可采用螺栓与升降平台相连接；升降平台固定在AGV移动车辆500上，所述升降平台用于调节采摘高度，适合不同高度的果树采摘。如图3所示，所述冗余7轴机械臂300，包括腕部三轴、肩部三轴和冗余肘关节轴；所述腕部三轴包括单臂手的腕关节3005、单臂手的转动关节3006、单臂手的末端执行器关节3007；所述肩部三轴包括单臂腰关节3001、单臂肩关节3002和单臂肘关节3003；所述冗余肘关节轴为单臂冗余关节3004；所述冗余肘关节轴安装在7轴的中间，冗余肘关节轴的一个连接口与单臂肘关节3003相连接，另一个连接口与单臂手的腕关节3005相连接。所述冗余7轴机械臂300，由7个独立轴的电机驱动系统组成，每个独立轴由伺服电机、减速器和驱动器组成，每个电机独立安装和独立驱动，使每个轴能独立的扩展机械臂的工作空间。该机器人的双目视觉采用eye-to-hand的固定位置固定方法，将双目视觉固定在机器人的头部中心位置。所述的AGV移动车辆500，包括AGV移动车辆的工作面5001，AGV移动车辆的右轮5002，AGV移动车辆的左轮。
如图4a和图4b所示，本发明(图4b)在图4a基础上增加了冗余自由度3004，使得本发明末端执行器的Px,Py,Pz坐标的工作空间的范围加大。
所述冗余7轴双臂协作采摘机器人的采摘方法是：首先，AGV移动车辆移动5003到采摘位置附近，大约离开采摘点1米左右，该AGV移动车辆停在采摘操作的位置，要使采摘目标在采摘机器人的工作区范围内；然后，通过升降平台调节采摘的高度，使机器人在高度方向能到达采摘位置；在采摘前，双目视觉图像系统通过双目视觉检测和图像识别计算机器人末端执行器到达采摘点的运动坐标，该双目视觉为简化双目视觉的计算，模仿人的双眼工作模式，采用eye-to-hand的固定位置固定方法，固定在机器人头部上方，使机器人能连续跟踪采摘目标，不出现目标丢失；在采摘过程中，本发明采用冗余7轴双臂协作，能模仿人的双手采摘协调合作过程，实现灵巧采摘，通过转动冗余坐标的冗余肘关节轴，实现调整机械臂末端执行器的空间位置与姿态，选择最佳的采摘位置，实现采摘功能。
以上所述仅为本发明的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：包括2个冗余7轴机械臂、AGV移动车辆、升降平台和双目视觉图像系统；所述双目视觉图像系统采用eye-to-hand的双目视觉系统，固定在机器人的头部中心位置；2个冗余7轴机械臂固定在升降平台上；升降平台固定在AGV移动车辆上。
2.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：所述冗余7轴机械臂，包括腕部三轴、肩部三轴和冗余肘关节轴；所述腕部三轴包括单臂手的腕关节、单臂手的转动关节、单臂手的末端执行器关节；所述肩部三轴包括单臂腰关节、单臂肩关节和单臂肘关节；所述冗余肘关节轴为单臂冗余关节；所述冗余肘关节轴安装在7轴的中间，冗余肘关节轴的一个连接口与单臂肘关节相连接，另一个连接口与单臂手的腕关节相连接。
3.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：所述冗余7轴机械臂，由7个独立轴的电机驱动系统组成，每个独立轴由伺服电机、减速器和驱动器组成，每个电机独立安装和独立驱动，使每个轴能独立的扩展机械臂的工作空间。
4.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：果实采摘时，机器人运动学计算通过改变中间冗余轴坐标值来选择避开障碍和碰撞的最佳求解。
5.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：双机械臂协作采摘同一果实时，在出现碰撞和干涉时，通过改变两臂的中间冗余坐标值，选择双机械臂协作采摘的双臂运动学的最佳求解。
6.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：包括两种采摘模式：双臂协作采摘模式和双臂独立采摘模式；所述双臂协作采摘模式是双臂协作采摘一个果实；所述双臂独立采摘模式是两个臂独立工作，各自采摘一个果实。
7.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：采摘果实时，两个七轴机械臂的运动导航采用一个eye-to-hand的双目视觉系统控制，所述双目视觉系统和两个七轴机械臂，在共同的世界坐标系下，计算双臂的运动，实现双臂的协作采摘动作或独立采摘动作。
8.根据权利要求1所述的冗余7轴双臂协作采摘机器人，其特征在于：所述冗余7轴双臂协作采摘机器人用于茶叶采摘和果实采摘。
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