專利名稱：葡萄樹剪枝機器人系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及智能機器人領域，尤其是一種葡萄樹剪枝機器人系統。
背景技術：
葡萄樹的修剪可以調節生長和結果的關系，以增加葡萄產量。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，剪枝環節工作量大，任務繁重。目前，剪枝環節仍然以人工作業為主，機械化水平很低，勞動強度很大，需要更加高效省力的設備，將果農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和技術，是涉及人工智能、神經生物學、計算機科學、圖像處理以及模式識別等多個領域的交叉學科。計算機·視覺技術是20世紀70年代初期在遙感圖片和生物醫學圖片分析兩項應用技術取得卓有成效后開始興起的，其理論基礎是70年代中后期逐漸形成的Marr視覺計算理論。計算機視覺技術與人類視覺相比，具有很多優點，使得計算機視覺技術在農業領域的應用具有廣闊的前景。計算機視覺技術在農業機械上的研究與應用，始于20世紀70年代末期，主要研究集中與農產品分選機械中利用計算機視覺技術對農產品(如蘋果、桃、香蕉、西紅柿、黃瓜等)進行品質檢測和分級等，有些已取得了實用性成果。
發明內容為了克服已有人工葡萄剪枝作業的勞動強度大、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。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是—種葡萄樹剪枝機器人系統，所述葡萄樹剪枝機器人系統包括自動導航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動導航模塊包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅動器和工控機；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，獲取導航參數并下發導航參數至左右輪驅動器；所述左右輪驅動器根據導航參數來驅動履帶車的行走機構；所述的剪枝模塊包括農業機械臂、末端修枝剪、關節驅動器和工控機。農業機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導末端修枝剪實現剪枝動作；末端修枝剪，用于實現剪枝動作；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，規劃機械臂軌跡，并下發運動指令至各關節控制器；關節驅動器根據運動指令，驅動農業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攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數據傳送至工控機進行圖像識別和處理。進一步，所述的農業機械臂采用5自由度設計，包括自下而上依次連接的腰關節、肩關節、大臂、肘關節、小臂和腕關節，所述腕關節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，所述二桿三副的平面機構的連桿與上刀片聯動。更進一步，所述的雙目立體視覺系統還包括照明裝置，用于提供剪枝作業的光照環境；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還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個工業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構設計，可伸縮調節支架高度。所述的葡萄樹剪枝機器人系統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，主要負責系統管理以及圖像處理、運動學計算、軌跡規劃等。下位機采用多驅動器，主要負責各關節的俯仰和旋轉、末端修枝剪的修剪、左右驅動輪的行走。上位機通過CAN總線與下位機相互通訊。本實用新型的技術構思為利用計算機視覺技術可以提高生產率，實現農業生產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，為進一步實現機器人自動剪枝作業奠定基礎。通過計算機視覺方法進行剪枝作業，具有效率高、作業柔性、成本節約等優點，是實現葡萄剪枝產業自動化、智能化的有效方法。本實用新型的有益效果主要表現在能夠替代現有的人工、半人工剪枝作業方式，實現自動化葡萄樹剪枝作業，大大提高工作效率，降低勞動強度，節約勞動力成本。
圖1是本實用新型實施例的一種葡萄樹剪枝系統結構示意圖；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構示意圖；圖3是本實用新型實施例的一種基于機器視覺的現場剪枝作業示意圖；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工作流程圖。其中，1、自動導航模塊；2、剪枝模塊；3、雙目立體視覺系統；4、履帶車；5、云臺攝像機；6、工控機；7、前大輪；8、腰關節；9、肩關節；10、大臂；11、肘關節；12、小臂；13、腕關節；14末端修枝剪；15、C⑶工業攝像機；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，包括自動導航模塊1、剪枝模塊2、雙目立體視覺系統3。自動導航模塊I以履帶車4為基礎，包括云臺攝像機5、左右輪驅動器(圖中未示，位于履帶車4車體內)、工控機6。自動導航模塊I采用前大輪7電機驅動，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，獲取導航參數并下發導航參數至左右輪驅動器； 左右驅動器控制左右驅動輪的速度來實現履帶車行進，控制左右驅動輪的速度差來實現履帶車轉向。[0026]剪枝模塊2包括腰關節8、肩關節9、大臂10、肘關節11、小臂12、腕關節13、末端修枝剪14、關節驅動器(圖中未示，位于各關節內)、工控機6。根據剪枝作業要求，農業機械臂選用5自由度設計，即腰關節8旋轉、肩關節9俯仰、肘關節11俯仰、腕關節13俯仰、腕關節13旋轉。當農業機械臂接收到剪枝點三維坐標信息，工控機進行軌跡規劃并計算各關節運動參數，向各關節驅動器發送運動指令，由關節驅動器驅動農業機械臂及末端修枝剪14實現剪枝作業。末端修枝剪14采用二桿三副的平面機構設計。工控機6發送剪枝信號至修枝剪驅動器(圖中未示出，位于末端修枝剪上)，通過固態繼電器控制電磁閥。電磁閥控制連桿移動，連桿推動上刀片轉動，使上下刀刃開合，從而實現剪枝動作。雙目立體視覺系統3包括兩只CXD工業攝像機15、雙通道的圖像采集卡(圖中未示，工控機6內)、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，兩只CXD工業攝像機15跟圖像采集卡相連接。兩只CXD工業攝像機15及四只高頻熒光燈16安裝在支架17上，支架17采用套筒結構設計，根據現場需要完成支架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的圖像采集方法如下為了保證采集環境光照均勻，將四只高頻熒光燈等距離陣列分布在CXD工業攝像機周邊。雙目CXD工業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，采集到的圖像經過圖像采集卡傳送到工控機，工控機按照形態學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，工控機根據監制三維坐標信息規劃機械臂軌跡，并下發各關節運動指令。最后，關節驅動器驅動農業機械臂和末端修枝剪完成剪枝作業。本實用新型實施例的技術方案還提供一種溫室環境下的剪枝方法，所述方法包括以下步驟1、啟動自動導航模塊，履帶車沿導航線運動。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 像依次進行圖像預處理、圖像增強、圖像分割、圖像識別等處理步驟。根據葡萄樹枝干和主干在形態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。根據剪枝點三維坐標信息，工控機對農業機械臂進行運動軌跡規劃，計算出各關節最佳運動參數。5、工控機發送控制指令到各關節驅動器，各關節驅動器實現對農業機械臂和末端修枝剪的控制，完成剪枝作業。6、重復步驟3 5，該雙目立體視覺系統視場中的所有剪枝點完成剪枝后，重復步驟I。本實用新型涉及的一種溫室環境下葡萄樹剪枝機器人系統及剪枝方法，通過計算機視覺技術、機器人技術等實現了自動導航和自動剪枝，具有效率高、作業柔性、成本節約等優點，是實現葡萄樹剪枝作業自動化、智能化的有效方法。
權利要求1.一種葡萄樹剪枝機器人系統，其特征在于所述葡萄樹剪枝機器人系統包括自動導航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊； 所述的自動導航模塊 包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅動器和工控機；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，獲取導航參數并下發導航參數至左右輪驅動器；所述左右輪驅動器根據導航參數來驅動履帶車的行走機構； 所述的剪枝模塊包括農業機械臂、末端修枝剪、關節驅動器和工控機，農業機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導末端修枝剪實現剪枝動作；末端修枝剪，用于實現剪枝動作；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，規劃機械臂軌跡，并下發運動指令至各關節控制器；關節驅動器根據運動指令，驅動農業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攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數據傳送至工控機進行圖像識別和處理。
2.如權利要求1所述的葡萄樹剪枝機器人系統，其特征在于所述的農業機械臂采用5自由度設計，包括自下而上依次連接的腰關節、肩關節、大臂、肘關節、小臂和腕關節，所述腕關節與所述末端修枝剪連接。
3.如權利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統，其特征在于所述的末端修枝剪采用二桿三副的平面機構，所述二桿三副的平面機構的連桿與上刀片聯動。
4.如權利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統，其特征在于所述的雙目立體視覺系統還包括照明裝置，用于提供剪枝作業的光照環境；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.如權利要求1或2所述的葡萄樹剪枝機器人系統，其特征在于所述的雙目立體視覺系統還包括支架，所述支架安裝在所述的履帶車上，兩個工業攝像機和四只高頻熒光燈安裝在支架上，采用套筒結構設計，可伸縮調節支架高度。
專利摘要一種葡萄樹剪枝機器人系統，包括自動導航模塊、剪枝模塊和雙目立體視覺模塊；所述的自動導航模塊包括履帶車、云臺攝像機、左右輪驅動器和工控機；剪枝模塊包括農業機械臂和末端修枝剪，農業機械臂，用于裝備末端修枝剪，并引導末端修枝剪實現剪枝動作；末端修枝剪，用于實現剪枝動作；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，規劃機械臂軌跡，并下發各關節運動指令；雙目立體視覺模塊包括兩個工業攝像機、圖像采集卡和工控機，兩個工業攝像機采集葡萄樹圖像信息，通過圖像采集卡將圖像數據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 優先權日2012年4月13日
發明者楊慶華, 賈挺猛, 荀一, 陳強 申請人:浙江工業大學