CN210939294U

CN210939294U - 一种采摘机械臂控制***

Info

Publication number: CN210939294U
Application number: CN201921998671.6U
Authority: CN
Inventors: 张炜; 乔欣; 李明洋; 史颖刚; 刘利
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2029-11-19

Abstract

本实用新型涉及一种采摘机械臂控制***，其特征在于，包括控制器，以及与所述控制器连接的视觉识别模块、机械臂关节电机模块和接近开关，所述接近开关设置在机械臂的末端执行器上；所述机械臂关节电机模块包括腰部电机、肩部电机、肘部电机和腕部舵机，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机分别通过相应的电机控制器与所述控制器连接，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均带有霍尔传感器且通过相应的霍尔传感器与所述控制器连接，所述腕部舵机通过舵机控制器与所述控制器连接。本实用新型控制效果良好，有效地提高了采摘效率。

Description

一种采摘机械臂控制***

技术领域

本实用新型属于农业机械技术领域，具体涉及一种采摘机械臂控制***。

背景技术

果蔬采摘作业大多数是人工采摘的形式，劳动量大且效率低。随着社会的迅速发展，农业自动化越来越普及，而果蔬采摘机器人在其中占有重要地位，随着果蔬采摘机器人不断发展更新，采摘机械臂的发展逐渐成为热点话题。众所周知，采摘机械臂的采摘精度和质量对于果蔬的经济价值提高非常重要。而现有的采摘机械臂控制***，操作难度高，控制时间长，难以高效精准的控制机械臂完成采摘作业，难以根据现实因素造成的果实移动等特殊情况做出实时调整。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种采摘机械臂控制***。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种采摘机械臂控制***，包括控制器，以及与所述控制器连接的视觉识别模块、机械臂关节电机模块和接近开关，所述接近开关设置在机械臂的末端执行器上；所述机械臂关节电机模块包括腰部电机、肩部电机、肘部电机和腕部舵机，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机分别通过相应的电机控制器与所述控制器连接，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均带有霍尔传感器且通过相应的霍尔传感器与所述控制器连接，所述腕部舵机通过舵机控制器与所述控制器连接。

进一步，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均为直流无刷电机。

进一步，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均装有谐波减速器。

进一步，所述控制器通过PID算法实现对所述腰部电机、肩部电机、肘部电机的控制。

进一步，所述视觉识别模块包括单目摄像头和工控机。

进一步，所述单目摄像头设置于所述机械臂的末端执行器上。

进一步，所述末端执行器是三指机械爪。

工作时，首先，将所述机械臂安装在机器人底盘上，先在所述工控机和控制器上写好视觉程序和控制程序，当机器人到达采摘区域后，所述控制器发送指令给所述机械臂关节电机模块控制所述机械臂转动使所述机械臂末端的单目摄像头正对果实所在区域；

其次，通过所述工控机中的视觉程序获取所述机械臂末端的单目摄像头视野中图像面积最大的成熟果实信息，并将所述目标果实图像信息通过端口发送给所述控制器，所述控制器接收到所述目标果实图像信息后，再通过程序计算出使目标果实图像的中心坐标与像素坐标系中心坐标重合且果实图像面积达到预设值时所述机械臂的腰部电机、肩部电机、肘部电机所需的速度，继而发送指令给所述机械臂关节电机模块，驱动所述机械臂到达新的位置使其末端更靠近目标果实；

所述机械臂到达新的位置后，所述机械臂末端的单目摄像头捕获的目标果实图像的中心距离像素坐标系的中心更近，所述工控机将更新的目标果实图像信息处理后发送给所述控制器，所述控制器发送指令给所述机械臂关节电机模块，继而驱动所述机械臂使其末端再次靠近目标果实，如此形成一个闭环，使所述机械臂不断逼近目标果实，腰部电机、肩部电机、肘部电机内部均有霍尔传感器，电机每转动一次控制器就接收一次电机的位置信息，所述机械臂逼近过程中控制腕部关节始终保持水平；

最后，在所述机械臂不断逼近的过程中，当位于所述机械臂末端的接近开关感应到目标果实时，此时果实位于机械爪摘取范围，所述控制器接到接近开关的信号后控制所述机械臂各个关节保持不动，进而控制机械爪完成采摘作业。

该采摘机械臂控制***具有以下有益效果：

（1）本实用新型中，无论果实是静态的还是动态的，该控制***均能控制机械臂实现很好的跟随逼近效果，可有效提高采摘质量和效率。

（2）本实用新型提供了一种四自由度的采摘机械臂控制***，通过采用闭环速度的控制模式驱动关节电机，精准高效控制关节运动。

（3）本实用新型可以满足根据距离目标远近采用不同速度的要求，提高采摘速度，同时该控制***容易上手，成本低。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中采摘机械臂控制***的模块化结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中采摘机械臂控制***的原理图；

图3：本实用新型实施方式中采摘机械臂的结构示意图Ⅰ；

图4：本实用新型实施方式中采摘机械臂的结构示意图Ⅱ（带末端执行器）；

图5：本实用新型实施方式中采摘机械臂控制***的工作示意图。

附图标记说明：

1—视觉识别模块；11—单目摄像头；12—工控机；2—控制器；3—机械臂关节电机模块；31—电机控制器；32—舵机控制器；33—腰部电机；34—肩部电机；35—肘部电机；36—腕部舵机；37—霍尔传感器；4—接近开关；5—机械臂；6—操作者。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图5示出了本实用新型采摘机械臂控制***的具体实施方式。图1和图2是本实施方式中采摘机械臂控制***的结构示意图和原理图；图3至图4是本实施方式中采摘机械臂的结构示意图；图5是本实施方式中采摘机械臂控制***的工作示意图。

如图1至图4，本实施方式中的采摘机械臂控制***，包括控制器2，以及与控制器2连接的视觉识别模块1、机械臂关节电机模块3和接近开关4，接近开关4设置在机械臂5的末端执行器上；机械臂关节电机模块3包括腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35和腕部舵机36，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35分别通过相应的电机控制器31与控制器2连接，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35均带有霍尔传感器37且通过相应的霍尔传感器37与控制器2连接，腕部舵机36通过舵机控制器32与控制器2连接。视觉识别模块1用于获取目标果实的信息；控制器2根据视觉识别模块1传送来的信息发出相应指令给机械臂关节电机模块3；机械臂关节电机模块3接收并执行运控制器2的指令。

优选地，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35均为直流无刷电机。控制器2按照电机控制器31的通讯协议发送指令控制其相关寄存器，采用速度闭环控制的方法驱动腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35，控制器2通过给舵机控制器32发送PWM波控制腕部舵机36始终保持水平。

优选地，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35均装有谐波减速器。

优选地，控制器2通过PID算法实现对腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35的控制。控制器2通过PID算法实现腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35速度的稳定调整，同时通过给定不同的参数实现机械臂5末端与目标果实较远时采用较高的逼近速度，机械臂5末端与目标果实较近时采用较低的逼近速度。

优选地，视觉识别模块1包括单目摄像头11和工控机12，如图1和图2所示，通过程序实现目标果实图像信息的获取，并将目标果实图像信息通过工控机12的端口发送给控制器2。单目摄像头11设置于机械臂5的末端执行器上，如图4所示。视觉程序在工控机12上运行，目标果实图像信息包括图像中心坐标与像素坐标系中心坐标的横向、纵向偏差及和目标面积的偏差。

优选地，末端执行器是三指机械爪。

如图3和图4所示，机械臂5通过下方的铜柱与机器人底盘相连接，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35和腕部舵机36位于机械臂5的各关节处。

如图2所示，本实施方式中采摘机械臂控制***的视觉伺服原理图，首先，机械臂5末端的单目摄像头11捕获目标果实图像，并将图像通过工控机12上的视觉***程序进行处理后得到图像在单目摄像头视野中的坐标及图像面积，计算出此刻图像坐标与图像在像素坐标系中心时候坐标的横向差值ΔX,纵向差值ΔY以及面积差值Δa，三个差值分别受腰部电机33、肘部电机35和肩部电机34转动的影响，为使三个偏差尽量趋近于0，将三个偏差传输给控制器2，通过PID算法输出腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35所需的角速度ω给电机控制器31，驱动机械臂5向目标果实逼近，直流无刷电机内部有位置传感器，电机每转动一次运动控制器就接收一次电机的位置信息。机械臂5的末端位置的改变会引起单目摄像头11捕捉的图像改变，继而控制机械臂5的末端继续逼近，从而形成一个控制的闭环。

如图5所示，工作时，将机械臂5安装在机器人底盘上，操作者6先在工控机12和控制器2上分别写好视觉程序和控制程序，当机器人到达采摘区域后，机械臂5转动使末端的单目摄像头11正对果实所在区域，通过工控机12中的视觉程序不断获取单目摄像头11视野中图像面积最大的成熟果实信息，并将所述目标果实图像信息通过端口发送给控制器2，控制器2接收到所述目标果实图像信息后，再通过程序计算出使目标果实图像的中心坐标与像素坐标系中心坐标重合且果实图像面积达到预设值时机械臂5的腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35所需的速度，继而发送指令给电机驱动器31，不断驱动机械臂5使其末端逐步逼近目标果实，腰部电机33、肩部电机34、肘部电机35均有霍尔传感器37，电机每转动一次控制器2就接收一次电机的位置信息。当位于机械臂5末端的接近开关4感应到目标果实时，此时果实位于机械爪摘取范围，控制器2接到接近开关4的信号后控制机械臂5各个关节保持不动，进而控制机械爪完成采摘作业。

本实用新型中，无论果实是静态的还是动态的，该控制***均能控制机械臂实现很好的跟随逼近效果，可有效提高采摘质量和效率。

本实用新型提供了一种四自由度的采摘机械臂控制***，通过采用闭环速度的控制模式驱动关节电机，精准高效控制关节运动。

本实用新型可以满足根据距离目标远近采用不同速度的要求，提高采摘速度，同时该控制***容易上手，成本低。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种采摘机械臂控制***，其特征在于，包括控制器，以及与所述控制器连接的视觉识别模块、机械臂关节电机模块和接近开关，所述接近开关设置在机械臂的末端执行器上；所述机械臂关节电机模块包括腰部电机、肩部电机、肘部电机和腕部舵机，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机分别通过相应的电机控制器与所述控制器连接，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均带有霍尔传感器且通过相应的霍尔传感器与所述控制器连接，所述腕部舵机通过舵机控制器与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均为直流无刷电机。

3.根据权利要求1所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述腰部电机、肩部电机、肘部电机均装有谐波减速器。

4.根据权利要求1所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述控制器通过PID算法实现对所述腰部电机、肩部电机、肘部电机的控制。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述视觉识别模块包括单目摄像头和工控机。

6.根据权利要求5所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述单目摄像头设置于所述机械臂的末端执行器上。

7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的采摘机械臂控制***，其特征在于，所述末端执行器是三指机械爪。