CN114474094A - 基于多关节机械臂实现采摘的控制方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法、系统及装置,包括:获取待采摘物体的目标位置坐标及机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标;基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N‑1个二级路径交点的坐标;将N‑1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标;控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N‑1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。本发明精准度高,误差小。
Description
技术领域
本发明涉及机器人智能控制技术领域,尤其涉及一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法、系统及装置。
背景技术
随着社会人口的老龄化和农业劳动力的逐步减少,一些繁重、单调的农业生产越来越需要机械化、自动化、智能化的机器来替代。农作物的规模化种植得到初步发展,以及人力成本的大幅提高,传统的人工采摘方式逐渐不再能事宜发展的需求,采用自动化设备实现农业果实采摘势在必行。而越来越多的智能化自动化技术被应用在了农业机器人技术领域,农业机器人在很多国家取得了较大的突破,为农业劳动减轻了很多工作量。
在所有农业机器人中,目前研究最火热的当属采摘机器人,采摘作业是水果或者有关蔬菜生产中最耗时、最费力的一个环节,采摘机器人的机械臂和末端执行器是农业机器人的重要类型,它能够降低工人劳动强度和生产费用,具有很大发展潜力。而目前大部分的采摘机器人的机械臂和末端执行器一般由视觉系统、行走机构、控制系统、采摘机械臂和末端执行器等部分组成。但是由于控制技术或者识别技术的误差度比较大,目前采摘的精确度相对来说没有想象中的那么高,当前影响采摘机器人的机械臂和末端执行器及其末端执行器执行采摘精确度的因素主要有:
机器人及其末端执行器结构、作业方法、控制系统及驱动方式复杂,采摘速度较慢;机器人目标果实视觉定位及机械臂位置定位误差较大;末端执行器不能成功获取果实或获取后果实失落;采摘过程中自然风等因素引起果实晃动而使果实定位不准确等。
因此需要一种更精确的采摘控制方式来解决采摘精确度这个问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点,提供了一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法、系统及装置。
为了解决上述技术问题,本发明通过下述技术方案得以解决:
一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,包括以下步骤:
基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
作为一种可实施方式,将当前位置坐标设置为A(a1,b1,c1),目标位置坐标设置为B(a2,b2,c2),则一级路径AB表示如下:
则N-1个二级路径交点的坐标分别为A0(a2,b2,c2),A1(a3,b3,c3)…………An-1(an-1,b n-1,cn-1)。
作为一种可实施方式,所述预设极坐标转换模型表示如下:
x=ρcosθ,y=ρsinθ,ρ2=x2+y2,tanθ=y/x(x≠0)
其中,x和y表示原始坐标值,θ表示最末端旋转电机需要旋转的角度。
作为一种可实施方式,所述控制电机从当前目标位置按照N-1个交点的坐标运动到当前位置且各个电机旋转相应的角度,包括以下步骤:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
作为一种可实施方式,所述使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,包括以下步骤:
作为一种可实施方式,所述执行采摘动作,包括以下步骤:
判断机械臂的夹爪是否对准待采摘目标;
若对准,则控制夹爪迁移至待采摘目标处,准备采摘;
判断是否移动到位,若到位,则启动采摘动作。
一种基于多关节机械臂实现采摘的控制系统,包括数据获取模块、路径构建模块、路径拆分模块、坐标转换模块及执行运动模块;
所述数据获取模块,基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
所述路径构建模块,基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
所述路径拆分模块,用于将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
所述坐标转换模块,用于将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
所述执行运动模块,用于控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
作为一种可实施方式,所述执行运动模块还被设置为:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如下所述的方法步骤:
基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
一种基于多关节机械臂实现采摘的控制装置,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如下所述的方法步骤:
基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
本发明由于采用了以上技术方案,具有显著的技术效果:
通过本发明的方法、系统及装置,能够精准的控制多关节机械臂实现采摘,误差小,精准度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的整体流程示意图;
图2是本发明系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1:
一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,如图1所示,包括以下步骤:
S100、基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
S200、基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
S300、将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
S400、将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
S500、控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
传统的控制方式并不能精确的定位到每一时刻或者每一路段,并且能够精确的计算出角度和运动距离,最终能够准确的到达目标位置,进而执行采摘动作。
在一个实施例中,将当前位置坐标设置为A(a1,b1,c1),目标位置坐标设置为B(a2,b2,c2),则一级路径AB表示如下:
则N-1个二级路径交点的坐标分别为A0(a2,b2,c2),A1(a3,b3,c3)…………An-1(an-1,b n-1,cn-1)。
具体地,所述预设极坐标转换模型表示如下:
x=ρcosθ,y=ρsinθ,ρ2=x2+y2,tanθ=y/x(x≠0)
其中,x和y表示原始坐标值,θ表示最末端旋转电机需要旋转的角度。在整个转换过程中,由于立体坐标系中的Z轴,是对应的立体坐标系中的Z,不用极坐标,所以不用转换。
在步骤S500中,所述控制电机从当前目标位置按照N-1个交点的坐标运动到当前位置且各个电机旋转相应的角度,包括以下步骤:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
多关节机械臂采摘的过程中,几个关节需要协同工作,所以在运动的过程中,所述使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,包括以下步骤:假设其他旋转电机的旋转角度为则为定值。因为不同关节的电机安装方向不一样(有的是正向安装,有的是反向安装),此机械臂的不同关节的正向旋转方向不同,所以在同一个坐标系下的末端旋转角度要保持不变,不同关节电机的旋转的角度之和要保持不变。
在一个具体的实施例中,所述执行采摘动作,包括以下步骤:
判断机械臂的夹爪是否对准待采摘目标;
若对准,则控制夹爪迁移至待采摘目标处,准备采摘;
判断是否移动到位,若到位,则启动采摘动作。
实施例2:
一种基于多关节机械臂实现采摘的控制系统,如图2所示,包括数据获取模块100、路径构建模块200、路径拆分模块300、坐标转换模块400及执行运动模块500;
所述数据获取模块100,基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
所述路径构建模块200,基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
所述路径拆分模块300,用于将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
所述坐标转换模块400,用于将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
所述执行运动模块500,用于控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
所述执行运动模块500还被设置为:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
实施例3:
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如下所述的方法步骤:
S100、基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
S200、基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
S300、将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
S400、将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
S500、控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
对于装置实施例而言,由于其与方法实施例基本相似,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上,使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
此外,需要说明的是,本说明书中所描述的具体实施例,其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化,均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
3.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,其特征在于,所述预设极坐标转换模型表示如下:
x=ρcosθ,y=ρsinθ,ρ2=x2+y2,tanθ=y/x(x≠0)
其中,x和y表示原始坐标值,θ表示最末端旋转电机需要旋转的角度。
4.根据权利要求1或2所述的基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,其特征在于,所述控制电机从当前目标位置按照N-1个交点的坐标运动到当前位置且各个电机旋转相应的角度,包括以下步骤:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
6.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂实现采摘的控制方法,其特征在于,所述执行采摘动作,包括以下步骤:
判断机械臂的夹爪是否对准待采摘目标;
若对准,则控制夹爪迁移至待采摘目标处,准备采摘;
判断是否移动到位,若到位,则启动采摘动作。
7.一种基于多关节机械臂实现采摘的控制系统,其特征在于,包括数据获取模块、路径构建模块、路径拆分模块、坐标转换模块及执行运动模块;
所述数据获取模块,基于传感器数据获取待采摘物体的目标位置坐标,基于电机的编码器信息以及臂展参数得到机械臂最末端旋转电机的当前位置坐标,其中,机械臂为多关节机械臂,至少包括两个旋转电机;
所述路径构建模块,基于当前位置坐标及目标位置坐标得到当前位置到目标位置的一级路径;
所述路径拆分模块,用于将一级路径进行分段处理,得到N段二级路径,基于二级路径的数量通过线性插值方法得到N-1个二级路径交点的坐标;
所述坐标转换模块,用于将N-1个交点的坐标通过预设极坐标转换模型转换为极坐标系中的极坐标,其中,极坐标中的角度为最末端电机的第一旋转角度,极坐标中的数值为最末端旋转电机的运动距离;
所述执行运动模块,用于控制机械臂最末端旋转电机从当前目标位置按照N-1个交点的极坐标运动到当前位置,运动过程中最末端旋转电机按照第一旋转角度进行转动,并使得其他旋转电机的旋转角度与第一旋转角度之和为定值,进而执行采摘动作。
8.根据权利要求7所述的基于多关节机械臂实现采摘的控制系统,其特征在于,所述执行运动模块还被设置为:
在极坐标系中,将当前位置坐标设置为A1(ρ1,θ1),将目标位置坐标设置为B1(ρn,θn),将N-1个交点的极坐标设置为A10(ρ2,θ2),A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1)),其中,θ表示旋转角度,ρ表示运动距离;
控制机械臂最末端关节电机从A1点按照角度θ2旋转至A10,运动距离为ρ2;
控制机械臂最末端关节电机按照坐标A11(ρ3,θ3)…………A1n-1((ρn-1,θn-1))继续运动,直至到达A1n-1;
继续控制机械臂最末端关节电机按照角度θn旋转,运动距离ρn运动,到达目标位置B1。
9.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任意一项所述的方法步骤。
10.一种基于多关节机械臂实现采摘的控制装置,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任意一项所述的方法步骤。
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