CN108200809A - 一种果树采摘机器人及控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种果树采摘机器人及控制***，基于果树采摘机器人机械结构的特点，对采摘机器人控制方法进行研究，设计基于图像的视觉伺服控制器，采用小步长逼近的控制算法引导机器人采摘器对目标果实的准确定位，根据视觉伺服控制***具有时变、强祸合和非线性的特点，设计模糊PID控制器并将其应用在果树机器人机械臂关节的伺服运动控制中；采摘机器人抓取成功率较高，可以实现自动连续采摘，机器人的机械结构、视觉***、图像处理及控制算法及控制***具有良好的可靠性，能够满足采摘作业的要求。为了进一步验证该机器人控制***的可靠性和适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种果树采摘机器人及控制***。
背景技术
水果产业在我国农业产业中占有重要地位，近几十年来，我国水果产业规模和产量均有较大幅度的增长，特别是加入WTO之后，增长速度明显加快。据来自2000年全国果业学术研讨会的资料表明，我国目前的水果种植面积为840万公顷，占世界果树总面积的21%左右;水果年总产量达5900多万吨，占世界果品总产量的13.4%，这两项指标均己跃居世界第一位l’]。2004年我国苹果栽培面积达187.7万公顷、产量2367.5万吨，分别占世界苹果栽培面积41.5%和产量的37.5%。近10年来，我国对世界苹果产量增长的贡献率高达84%。迈入二十一世纪，我国的农业和农村经济发展正面临新的机遇和挑战。由于加入WTO，一方面，农业和农村经济发展正面临着来自世界各地的冲击和挑战;另一方面，也给我国带来了一次加快农业和农村经济发展以及对农村经济结构调整的好机遇。
随着农业生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本必然迅速上升，劳动力不足的现象也会日趋明显，因此以机器人技术为代表的高新技术应用于农业领域是大势所趋、人心所向。果园收获作业的机械化、自动化成为广大果农们最为关注的热点问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种果树采摘机器人及控制***，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种果树采摘机器人，包括履带车、升降装置和机械臂，所述的升降装置包括电源动力控制设备和升降台，所述的机械臂包括与升降台连接的大臂，大臂另一端与另一端与小臂连接，小臂上设有电动推杆，电动推杆另一端与采摘器连接，所述的大臂与升降台连接的一端设有大臂电机，所述的电动推杆与大臂连接的一端设有小臂电机，所述的电动推杆下方设有收集口，收集口与柔性袋的一端连接，柔性袋另一端与收集筐连接。
作为本发明的进一步改进，所述升降台的工作面上设有旋转轴，旋转轴通过腰部电机驱动。
作为本发明的进一步改进，一种果树采摘机器人的控制***，所述的控制***包括主控计算机、交流伺服控制***、串行通信接口转换器、机器视觉***和数据采集卡；其中***主控计算机是控制中心，集成了软件和控制界面，对整个***进行控制；输入机构由数据采集***和图像采集***构成，它们完成对果树采摘机器人***环境信息的采集；输出机构由伺服电机、气泵、末端执行器组成；
主控计算机通过图像采集***、数据采集卡获取果树采摘机器人工作环境信息，并采用串行通信的方式将控制信号发送给交流伺服驱动器，经伺服放大器驱动机器人各关节电机工作，同时通过串行通信模块实时接收各机器人控制过程中的反馈信号，将反馈值进行数据存储,再将该数据提供给各控制算法模块，经过处理产生控制指令，将该指令通过控制器输出，这样就形成一个闭环控制***；
交流伺服***是由交流伺服驱动器、交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制***，伺服驱动器选用了ASD-AB系列的交流伺服驱动器，主要有位置控制、速度控制、转矩控制三种控制模式，采取的是位置控制模式和RS-422的通信方式，通过RS-422通信，可以将伺服***的运行状态、报警情况和绝对位置等传送到主控计算机，并可通过主控计算机对伺服驱动器进行参数设置、增益调整和调试运行；
本***采用基于RS-422总线的串行通信方式控制采摘机器人机械臂，而本***所选主控计算机无法直接与RS-422总线相连，需设置一个串行通信接口转换器；主控计算机通过RS-422总线分别控制各关节驱动器，根据伺服电机的位置分布来设置各个模块，电机的控制信号连接线和编码器的反馈信号连接线直接和驱动器相连，电气结构易于实现模块化处理，所有的控制和反馈数据直接上传到RS-422总线；
采摘机器人视觉***主要任务包括:不仅要探测到目标的存在，还要计算出采摘对象的空间坐标,确定机器人或末端操作器与作业对象之间的相对距离;确定目标对象的品质、形状和尺寸;对机器人运动行走进行视觉导航；
数据采集卡是控制***与外部环境的桥梁，数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/0，计数器/计时器，由多路开关，放大器，采样保持电路以及模数转换器来实现；
末端执行器由机械装置和传感器组成，分别安装了位置传感器、压力传感器、碰撞传感器和视觉传感器，其中位置定位传感器采用红外线对射开关构成；碰撞传感器和压力传感器采用力敏电阻组成；视觉传感器采用高像素的摄像头。
作为本发明的进一步改进，所述的控制***的软件使用VC++基于多线程技术编写，主线程主要负责管理界面、必要地初始化工作和子线程间的通信及协调线程间的同步等，包括运动控制子线程，视频捕获子线程，实时避障子线程，限位保护子线程，手爪传感器定位子线程，棱柱伸检测子线程及棱柱缩检测子线程组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采摘机器人抓取成功率较高，可以实现自动连续采摘，机器人的机械结构、视觉***、图像处理及控制算法及控制***具有良好的可靠性，能够满足采摘作业的要求。为了进一步验证该机器人控制***的可靠性和适应性。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为主控制流程图；
图3是以主控计算机为核心的果实采摘机器人采摘控制***的硬件结构；
图4是果树采摘机器人实时视频捕获部分实现流程图；
图5是DLettToRight算法图；
图6是URightToLeft算法图；
图7是 RUpToDown算法图；
图8是LUpToDown算法图；
图9是URightToLeft算法和DLeftToRight算法路径搜索模拟图；
图10是果树采摘机器人***路径规划流程图；
图11是视觉传感器程序流程图；
图12是限位保护模块流程图；
图13是采摘器传感器流程图。
图中：1-履带车，2-收集筐，3-柔性袋，4-采摘器，5-收集口，6-电动推杆，7-小臂电机，8-大臂，9-大臂电机，10-腰部电机，11-旋转轴，12-升降台，13-电源动力控制设备。
具体实施方式
下面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。
一种果树采摘机器人，包括履带车1、升降装置和机械臂，所述的升降装置包括电源动力控制设备13和升降台12，所述的机械臂包括与升降台12连接的大臂8，大臂8另一端与小臂连接，小臂上设有电动推杆6，电动推杆6另一端与采摘器4连接，所述的大臂8与升降台12连接的一端设有大臂电机9，所述的电动推杆6与大臂8连接的一端设有小臂电机7，所述的电动推杆6下方设有收集口5，收集口5与柔性袋3的一端连接，柔性袋3另一端与收集筐2连接，升降台12的工作面上设有旋转轴11，旋转轴11通过腰部电机10驱动。
本发明使用V C++基于多线程技术编写了果树采摘机器人控制***软件。主线程主要负责管理界面、必要地初始化工作和子线程间的通信及协调线程间的同步等，主要包括运动控制子线程，视频捕获子线程，实时避障子线程，限位保护子线程，手爪传感器定位子线程，棱柱伸检测子线程及棱柱缩检测子线程等组成，图2为主控制流程图如下：
控制***包括主控计算机、交流伺服控制***、串行通信接口转换器、机器视觉***和数据采集卡；其中***主控计算机是控制中心，集成了软件和控制界面，对整个***进行控制；输入机构由数据采集***和图像采集***构成，它们完成对果树采摘机器人***环境信息的采集；输出机构由伺服电机、气泵、末端执行器组成，图3是以主控计算机为核心的果实采摘机器人采摘控制***的硬件结构；
主控计算机通过图像采集***、数据采集卡获取果树采摘机器人工作环境信息，并采用串行通信的方式将控制信号发送给交流伺服驱动器，经伺服放大器驱动机器人各关节电机工作，同时通过串行通信模块实时接收各机器人控制过程中的反馈信号，将反馈值进行数据存储,再将该数据提供给各控制算法模块，经过处理产生控制指令，将该指令通过控制器输出，这样就形成一个闭环控制***。
交流伺服***是由交流伺服驱动器、交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制***，伺服驱动器选用了ASD-AB系列的交流伺服驱动器，主要有位置控制、速度控制、转矩控制三种控制模式，采取的是位置控制模式和RS-422的通信方式，通过RS-422通信，可以将伺服***的运行状态、报警情况和绝对位置等传送到主控计算机，并可通过主控计算机对伺服驱动器进行参数设置、增益调整和调试运行。
本发明采用串行通信的方式控制采摘机器人机械臂各关节驱动电机，考虑到RS-232只能实现点对点的传输方式，故要实现多点的传输方式只能考虑RS-485或RS-422，同时RS-485传输方式是异步半双工而RS-422是异步全双工，因此本***采用基于RS-422总线的串行通信方式控制采摘机器人机械臂，而本***所选工控机无法直接与RS-422总线相连，故需要一个串行通信转换器，主控计算机通过RS-422总线分别控制各关节驱动器，根据伺服电机的位置分布来设置各个模块，电机的控制信号连接线和编码器的反馈信号连接线直接和驱动器相连，电气结构易于实现模块化处理，所有的控制和反馈数据直接上传到RS-422总线。
采摘机器人视觉***主要任务包括:不仅要探测到目标的存在，还要计算出采摘对象的空间坐标,确定机器人或末端操作器与作业对象之间的相对距离；确定目标对象的品质、形状和尺寸；对机器人运动行走进行视觉导航，本***采用VFW驱动，用多线程技术实现了实时采集摄像头拍摄的苹果图像。可对图像采集过程进行有效地控制。关键代码如下
UINT apples (LPVOID IpParam)
{
capGrahFrameNoStop(m_ hCapWnd);//单帧捕获(得到的图像存在剪切板中)
capEditCopy (m_ hCapWnd);
CStatic *pStatic= (CStatic*) (AfxGetMainWnd()一>GetDIgItem(IDC_STATIC));
……//图像处理程序
｝
图4是果树采摘机器人实时视频捕获部分实现流程图。
果树采摘机器人在采摘作业中，可能遇到在视野范围内无目标果实的情况，这时需要移动平台移动或使机械臂关节运动来主动搜寻目标果实。按搜索路径不同设计了不同的搜索算法，图4-8所示:DLettToRight算法从左到右向下，再从右到左、再向下，如此循环直至寻到目标或循环次数已到;URightToLeft算法从右到左向上，再从左到右、再向上，如此循环直至寻到目标或循环次数己到;RUpToDown算法从上到下向右，再从下到上、再向右，如此循环直至寻到目标或循环次数已到;LUpToDown算法从上到下向左，再从下到上、再向左，如此循环直至寻到目标或循环次数已到，
在理想状态下即无障碍的情况下可以选用以上四种搜索算法搜寻目标果实，通常选用URightToLeft算法进行目标搜索。当有障碍时要有选择的进行目标搜索:通过检测避障传感器信号当小臂上部有障碍时，需要大臂关节前移一定角度，小臂关节向上移动一定角度来达到避障的目的，同时为了防止再次遇到相同障碍可以选用DLeftToRight算法进行目标，如图9所示：
当小臂左侧有障碍时，为了躲避障碍腰部要向右移动一定角度，同时为了防止再次遇到相同障碍可以选用RUpToDown算法进行目标搜索;当小臂右侧有障碍时，为了躲避障碍腰部要向左移动一定角度，同时为了防止再次遇到相同障碍可以选用LUpToDown算法进行目标搜索。
果树采摘机器人***路径规划流程图展示了这个***不同单元之间的层次和交互作用，图10所示。
视觉传感器安装于采摘器，用于确定果实位置坐标;碰撞传感器安装于小臂上，用于感知环境中靠近机械手臂的障碍物。在正常采样速率下，机器人下一步有规则的运动应基于当前传感器的数据和目标点的位置。机械手臂是最基本的定位装置，它把采摘器沿着规化好的路径从初始位置送到目标所在位置。在这个过程中，采用视觉传感器采集目标图像，并对图像进行处理，提供目标果实所在的位置坐标，由控制***将位置坐标转化为各关节的角度变化。通过在小臂上加载避障传感器实时感测外部信息，当检测到有障碍时，机械臂的相应关节通过向相反方向移动并重新搜索目标的方法来达到避障的目的。该方法便于机器人的实时控制与避障，因此对于运算速度要求高和要求实时处理的采摘机器人而言，该方法能够很好地实现避障，完成采摘任务本控制***采用多线程实现，实时避障作为其中一个线程实现，流程图如图11所示。
限位保护模块此模块结合采摘机器人机械臂各关节限位传感器信号做出实时反应，达到保护采摘机器人本体的目的，在本采摘机器人控制软件中应用了多线程技术，将这些信号的检测与处理作为其中一个线程来实现。程序流程图如图12所示。
采摘器传感器主要包括视觉传感器，位置传感器，压力传感器等，工控机通过数据采集卡获得位置、压力传感器的状态信息，并结合机械臂各关节运动状态做出相应的判断。工作流程图如图13所示。
在本采摘机器人控制软件中应用了多线程技术，将这些信号的检测与处理作为其中一个线程来实现。
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 (4)
1.一种果树采摘机器人，其特征是：包括履带车（1）、升降装置和机械臂，所述的升降装置包括电源动力控制设备（13）和升降台（12），所述的机械臂包括与升降台（12）连接的大臂（8），大臂（8）另一端与小臂连接，小臂上设有电动推杆（6），电动推杆（6）另一端与采摘器（4）连接，所述的大臂（8）与升降台（12）连接的一端设有大臂电机（9），所述的电动推杆（6）与大臂（8）连接的一端设有小臂电机（7），所述的电动推杆（6）下方设有收集口（5），收集口（5）与柔性袋（3）的一端连接，柔性袋（3）另一端与收集筐（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种果树采摘机器人，其特征是：所述升降台（12）的工作面上设有旋转轴（11），旋转轴（11）通过腰部电机（10）驱动。
3.一种果树采摘机器人的控制***，其特征是：所述的控制***包括主控计算机、交流伺服控制***、串行通信接口转换器、机器视觉***和数据采集卡；其中***主控计算机是控制中心，集成了软件和控制界面，对整个***进行控制；输入机构由数据采集***和图像采集***构成，它们完成对果树采摘机器人***环境信息的采集；输出机构由伺服电机、气泵、末端执行器组成；
主控计算机通过图像采集***、数据采集卡获取果树采摘机器人工作环境信息，并采用串行通信的方式将控制信号发送给交流伺服驱动器，经伺服放大器驱动机器人各关节电机工作，同时通过串行通信模块实时接收各机器人控制过程中的反馈信号，将反馈值进行数据存储,再将该数据提供给各控制算法模块，经过处理产生控制指令，将该指令通过控制器输出，这样就形成一个闭环控制***；
交流伺服***是由交流伺服驱动器、交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制***，伺服驱动器选用了ASD-AB系列的交流伺服驱动器，主要有位置控制、速度控制、转矩控制三种控制模式，采取的是位置控制模式和RS-422的通信方式，通过RS-422通信，可以将伺服***的运行状态、报警情况和绝对位置等传送到主控计算机，并可通过主控计算机对伺服驱动器进行参数设置、增益调整和调试运行；
本***采用基于RS-422总线的串行通信方式控制采摘机器人机械臂，而本***所选主控计算机无法直接与RS-422总线相连，需设置一个串行通信接口转换器；主控计算机通过RS-422总线分别控制各关节驱动器，根据伺服电机的位置分布来设置各个模块，电机的控制信号连接线和编码器的反馈信号连接线直接和驱动器相连，电气结构易于实现模块化处理，所有的控制和反馈数据直接上传到RS-422总线；
采摘机器人视觉***主要任务包括:不仅要探测到目标的存在，还要计算出采摘对象的空间坐标,确定机器人或末端操作器与作业对象之间的相对距离;确定目标对象的品质、形状和尺寸;对机器人运动行走进行视觉导航；
数据采集卡是控制***与外部环境的桥梁，数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/0，计数器/计时器，由多路开关，放大器，采样保持电路以及模数转换器来实现；
末端执行器由机械装置和传感器组成，分别安装了位置传感器、压力传感器、碰撞传感器和视觉传感器，其中位置定位传感器采用红外线对射开关构成；碰撞传感器和压力传感器采用力敏电阻组成；视觉传感器采用高像素的摄像头。
4.根据权利要求3所述的一种果树采摘机器人的控制***，其特征是：所述的控制***的软件使用VC++基于多线程技术编写，主线程主要负责管理界面、必要地初始化工作和子线程间的通信及协调线程间的同步等，包括运动控制子线程，视频捕获子线程，实时避障子线程，限位保护子线程，手爪传感器定位子线程，棱柱伸检测子线程及棱柱缩检测子线程组成。
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