專利名稱：葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及智能機器人領(lǐng)域，尤其是一種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
葡萄樹的修剪可以調(diào)節(jié)生長和結(jié)果的關(guān)系，以增加葡萄產(chǎn)量。每年葡萄種植需要進行冬剪、更新修剪、夏剪等多次剪枝整枝。在葡萄樹種植過程中，剪枝環(huán)節(jié)工作量大，任務(wù)繁重。目前，剪枝環(huán)節(jié)仍然以人工作業(yè)為主，機械化水平很低，勞動強度很大，需要更加高效省力的設(shè)備，將果農(nóng)從繁重的手工勞動中解救出來。計算機視覺是研究計算機模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)，是涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、計算機科學(xué)、圖像處理以及模式識別等多個領(lǐng)域的交叉學(xué)科。計算機·視覺技術(shù)是20世紀70年代初期在遙感圖片和生物醫(yī)學(xué)圖片分析兩項應(yīng)用技術(shù)取得卓有成效后開始興起的，其理論基礎(chǔ)是70年代中后期逐漸形成的Marr視覺計算理論。計算機視覺技術(shù)與人類視覺相比，具有很多優(yōu)點，使得計算機視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。計算機視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上的研究與應(yīng)用，始于20世紀70年代末期，主要研究集中與農(nóng)產(chǎn)品分選機械中利用計算機視覺技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品(如蘋果、桃、香蕉、西紅柿、黃瓜等)進行品質(zhì)檢測和分級等，有些已取得了實用性成果。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有人工葡萄剪枝作業(yè)的勞動強度大、工作效率低的不足，本實用新型提供一種降低勞動強度、提高工作效率的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，所述葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)包括自動導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動導(dǎo)航模塊包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅(qū)動器和工控機；所述云臺攝像機安裝在履帶車上，所述云臺攝像機用于獲取葡萄園路況圖像信息；工控機用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動器；所述左右輪驅(qū)動器根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)來驅(qū)動履帶車的行走機構(gòu)；所述的剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機械臂、末端修枝剪、關(guān)節(jié)驅(qū)動器和工控機。農(nóng)業(yè)機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實現(xiàn)剪枝動作；末端修枝剪，用于實現(xiàn)剪枝動作；工控機用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點坐標信息，規(guī)劃機械臂軌跡，并下發(fā)運動指令至各關(guān)節(jié)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動器根據(jù)運動指令，驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械臂和末端修枝剪完成剪枝動作；所述的雙目立體視覺模塊包括兩個工業(yè)攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業(yè)攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至工控機進行圖像識別和處理。進一步，所述的農(nóng)業(yè)機械臂采用5自由度設(shè)計，包括自下而上依次連接的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與所述末端修枝剪連接。再進一步，所述的末端修枝剪采用二桿三副的平面機構(gòu)，所述二桿三副的平面機構(gòu)的連桿與上刀片聯(lián)動。更進一步，所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括照明裝置，用于提供剪枝作業(yè)的光照環(huán)境；所述的照明裝置采用四只高頻熒光燈以及直流電源模塊組成。所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個工業(yè)攝像機和四只高頻熒光燈安裝在支架上，所述的支架采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，可伸縮調(diào)節(jié)支架高度。所述的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)控制方案采用上下位機的分布式控制方式。上位機采用工控機作為主控制器，主要負責系統(tǒng)管理以及圖像處理、運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等。下位機采用多驅(qū)動器，主要負責各關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)、末端修枝剪的修剪、左右驅(qū)動輪的行走。上位機通過CAN總線與下位機相互通訊。本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為利用計算機視覺技術(shù)可以提高生產(chǎn)率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理的自動化和智能化。本實用新型采用計算機視覺技術(shù)來識別葡萄樹枝干，通過圖像處理來提取枝干和芽的特征信息，以此來確定剪枝點，為進一步實現(xiàn)機器人自動剪枝作業(yè)奠定基礎(chǔ)。通過計算機視覺方法進行剪枝作業(yè)，具有效率高、作業(yè)柔性、成本節(jié)約等優(yōu)點，是實現(xiàn)葡萄剪枝產(chǎn)業(yè)自動化、智能化的有效方法。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在能夠替代現(xiàn)有的人工、半人工剪枝作業(yè)方式，實現(xiàn)自動化葡萄樹剪枝作業(yè)，大大提高工作效率，降低勞動強度，節(jié)約勞動力成本。

圖1是本實用新型實施例的一種葡萄樹剪枝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例的一種葡萄樹剪枝機器人末端修枝剪結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型實施例的一種基于機器視覺的現(xiàn)場剪枝作業(yè)示意圖；圖4是本實用新型實施例的一種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)總體控制圖；圖5是本實用新型實施例的一種葡萄樹剪枝作業(yè)工作流程圖。其中，1、自動導(dǎo)航模塊；2、剪枝模塊；3、雙目立體視覺系統(tǒng)；4、履帶車；5、云臺攝像機；6、工控機；7、前大輪；8、腰關(guān)節(jié)；9、肩關(guān)節(jié)；10、大臂；11、肘關(guān)節(jié)；12、小臂；13、腕關(guān)節(jié)；14末端修枝剪；15、C⑶工業(yè)攝像機；16、高頻熒光燈；17、支架；18、連桿；19、上刀片；20、下刀片。
具體實施方式
下面具體結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述。參照圖1，一種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，包括自動導(dǎo)航模塊1、剪枝模塊2、雙目立體視覺系統(tǒng)3。自動導(dǎo)航模塊I以履帶車4為基礎(chǔ)，包括云臺攝像機5、左右輪驅(qū)動器(圖中未示，位于履帶車4車體內(nèi))、工控機6。自動導(dǎo)航模塊I采用前大輪7電機驅(qū)動，其余輪隨動的運動方式。安裝在履帶車4正前方的云臺攝像機5實時獲得路況圖像信息；工控機6用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動器； 左右驅(qū)動器控制左右驅(qū)動輪的速度來實現(xiàn)履帶車行進，控制左右驅(qū)動輪的速度差來實現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)向。[0026]剪枝模塊2包括腰關(guān)節(jié)8、肩關(guān)節(jié)9、大臂10、肘關(guān)節(jié)11、小臂12、腕關(guān)節(jié)13、末端修枝剪14、關(guān)節(jié)驅(qū)動器(圖中未示，位于各關(guān)節(jié)內(nèi))、工控機6。根據(jù)剪枝作業(yè)要求，農(nóng)業(yè)機械臂選用5自由度設(shè)計，即腰關(guān)節(jié)8旋轉(zhuǎn)、肩關(guān)節(jié)9俯仰、肘關(guān)節(jié)11俯仰、腕關(guān)節(jié)13俯仰、腕關(guān)節(jié)13旋轉(zhuǎn)。當農(nóng)業(yè)機械臂接收到剪枝點三維坐標信息，工控機進行軌跡規(guī)劃并計算各關(guān)節(jié)運動參數(shù)，向各關(guān)節(jié)驅(qū)動器發(fā)送運動指令，由關(guān)節(jié)驅(qū)動器驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械臂及末端修枝剪14實現(xiàn)剪枝作業(yè)。末端修枝剪14采用二桿三副的平面機構(gòu)設(shè)計。工控機6發(fā)送剪枝信號至修枝剪驅(qū)動器(圖中未示出，位于末端修枝剪上)，通過固態(tài)繼電器控制電磁閥。電磁閥控制連桿移動，連桿推動上刀片轉(zhuǎn)動，使上下刀刃開合，從而實現(xiàn)剪枝動作。雙目立體視覺系統(tǒng)3包括兩只CXD工業(yè)攝像機15、雙通道的圖像采集卡(圖中未示，工控機6內(nèi))、四只高頻熒光燈16及工控機6。雙通道圖像采集卡插入到工控機的PCI槽內(nèi)，兩只CXD工業(yè)攝像機15跟圖像采集卡相連接。兩只CXD工業(yè)攝像機15及四只高頻熒光燈16安裝在支架17上，支架17采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場需要完成支架17升降，最大升降距離達500mm。支架固定在履帶車中部。上述雙目立體視覺系統(tǒng)的圖像采集方法如下為了保證采集環(huán)境光照均勻，將四只高頻熒光燈等距離陣列分布在CXD工業(yè)攝像機周邊。雙目CXD工業(yè)攝像機以支架為中心對稱安裝，形成立體視覺。雙目立體視覺系統(tǒng)首先以不同的角度，進行兩路圖像采集。然后，采集到的圖像經(jīng)過圖像采集卡傳送到工控機，工控機按照形態(tài)學(xué)算法進行圖像的分析和處理，提取剪枝點的三維坐標信息。然后，工控機根據(jù)監(jiān)制三維坐標信息規(guī)劃機械臂軌跡，并下發(fā)各關(guān)節(jié)運動指令。最后，關(guān)節(jié)驅(qū)動器驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械臂和末端修枝剪完成剪枝作業(yè)。本實用新型實施例的技術(shù)方案還提供一種溫室環(huán)境下的剪枝方法，所述方法包括以下步驟1、啟動自動導(dǎo)航模塊，履帶車沿導(dǎo)航線運動。2、開啟雙目攝像機進行實時采集圖像。搜索到葡萄樹后，履帶車停止運動。3、工控機對采集到的圖像進行分析處理。對圖 像依次進行圖像預(yù)處理、圖像增強、圖像分割、圖像識別等處理步驟。根據(jù)葡萄樹枝干和主干在形態(tài)上的差異來識別目標，分析并確定剪枝點。4、工控機計算出剪枝點在世界坐標下的三維坐標信息。根據(jù)剪枝點三維坐標信息，工控機對農(nóng)業(yè)機械臂進行運動軌跡規(guī)劃，計算出各關(guān)節(jié)最佳運動參數(shù)。5、工控機發(fā)送控制指令到各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，各關(guān)節(jié)驅(qū)動器實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械臂和末端修枝剪的控制，完成剪枝作業(yè)。6、重復(fù)步驟3 5，該雙目立體視覺系統(tǒng)視場中的所有剪枝點完成剪枝后，重復(fù)步驟I。本實用新型涉及的一種溫室環(huán)境下葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)及剪枝方法，通過計算機視覺技術(shù)、機器人技術(shù)等實現(xiàn)了自動導(dǎo)航和自動剪枝，具有效率高、作業(yè)柔性、成本節(jié)約等優(yōu)點，是實現(xiàn)葡萄樹剪枝作業(yè)自動化、智能化的有效方法。
權(quán)利要求1.一種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于所述葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)包括自動導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊； 所述的自動導(dǎo)航模塊 包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅(qū)動器和工控機；所述云臺攝像機安裝在履帶車上，所述云臺攝像機用于獲取葡萄園路況圖像信息；工控機用于分析處理路況圖像信息，獲取導(dǎo)航參數(shù)并下發(fā)導(dǎo)航參數(shù)至左右輪驅(qū)動器；所述左右輪驅(qū)動器根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)來驅(qū)動履帶車的行走機構(gòu)； 所述的剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機械臂、末端修枝剪、關(guān)節(jié)驅(qū)動器和工控機，農(nóng)業(yè)機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實現(xiàn)剪枝動作；末端修枝剪，用于實現(xiàn)剪枝動作；工控機用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點坐標信息，規(guī)劃機械臂軌跡，并下發(fā)運動指令至各關(guān)節(jié)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動器根據(jù)運動指令，驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械臂和末端修枝剪完成剪枝動作；所述的雙目立體視覺模塊包括兩個工業(yè)攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業(yè)攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至工控機進行圖像識別和處理。
2.如權(quán)利要求1所述的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的農(nóng)業(yè)機械臂采用5自由度設(shè)計，包括自下而上依次連接的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與所述末端修枝剪連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的末端修枝剪采用二桿三副的平面機構(gòu)，所述二桿三副的平面機構(gòu)的連桿與上刀片聯(lián)動。
4.如權(quán)利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括照明裝置，用于提供剪枝作業(yè)的光照環(huán)境；所述的照明裝置采用四只高頻熒光燈以及直流電源模塊組成。
5.如權(quán)利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的雙目立體視覺系統(tǒng)還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個工業(yè)攝像機和四只高頻熒光燈安裝在支架上，采用套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，可伸縮調(diào)節(jié)支架高度。
專利摘要一種葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)，包括自動導(dǎo)航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動導(dǎo)航模塊包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅(qū)動器和工控機；剪枝模塊包括農(nóng)業(yè)機械臂和末端修枝剪，農(nóng)業(yè)機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導(dǎo)末端修枝剪實現(xiàn)剪枝動作；末端修枝剪，用于實現(xiàn)剪枝動作；工控機包括用于分析處理葡萄樹枝圖像信息，提取剪枝點坐標信息，規(guī)劃機械臂軌跡，并下發(fā)各關(guān)節(jié)運動指令；雙目立體視覺模塊包括兩個工業(yè)攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業(yè)攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳送至工控機進行圖像識別和處理。本實用新型能降低勞動強度、提高工作效率。
文檔編號A01D46/30GK202818996SQ2012201608
公開日2013年3月27日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者楊慶華, 賈挺猛, 荀一, 陳強 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)