仿生農作物采摘機器人的制作方法

專利名稱：仿生農作物采摘機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于氣動人工肌肉技術、氣動伺服控制技術和采摘機器人技術在顆粒狀的農作物自動化采摘方面的應用，尤其適用于棉花的自動采摘。
背景技術：
農作物采摘作業是農作物生產鏈中最 耗時、最費力的一個環節。同時，采摘作業質量的好壞還直接影響到產品的后續加工和儲存。如何以低成本獲得高品質的產品是農作物生產環節中必須重視和考慮的問題。由于采摘作業的復雜性，目前我國的采摘自動化和智能化程度仍然很低，基本上農作物采摘作業都是手工進行，就棉花采摘這一項來說每年約需要人工采摘成本8個億。隨著人口的老齡化和農業勞動力的減少，農業生產成本也相應提高，這樣會大大降低產品的市場競爭力。因此采摘機器人是未來智能農業機械的發展方向。采摘機器人工作在高度非結構化的環境下，采摘對象是有生命的生物體。同工業機器人相比，采摘機器人具有以下的特點1)采摘對象嬌嫩、易脆，形狀復雜且個體之間的差異性大；2)采摘對象大多數被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機器人視覺定位難度，降低采摘成功率，同時對采摘機械手的避障提出了更高的要求；3)采摘機器人工作在非結構化的環境下，環境條件隨著季節、天氣的變化而發生變化，環境信息完全是未知的、開放的，對采摘機器人的智能控制水平要求高；4)采摘對象是有生命的、易脆的生物體，要求在采摘過程中對果實無任何損傷，這就要求機器人的末端執行器具有柔順性、靈巧性；⑤由于缺少對采摘機器人的研究，沿用了工業機器人的設計思想，導致了采摘機器人的價格昂貴。總的來說，目前采摘機器人的本體結構研究沒有得到足夠的重視，不少產品和研究是通過直接購買工業機器人的機械手作為采摘機器人的機械本體。從目前發表的采摘機器人樣機來看，機械手的結構形式大致有直角坐標結構、極坐標結構和關節型結構三種，這三種機械手缺乏柔順性和靈巧性；同時采摘機器人的本體結構要比普通工業機器人的復雜。采摘機器人機械手的結構形式、自由度將直接影響機器人的作業空間、性能以及控制系統的復雜程度，乃至制造和維護成本。自然界很多動物獲取食物的方式給我們設計帶來一些啟示，即仿生農作物采摘機器人設計，如大象的鼻子能輕而易舉地把樹上的果子摘下，能將地面上的草連根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一塊特殊的軟骨，起“閥門”一樣的作用。象吸水時，喉嚨部位的肌肉收縮，“閥門”關閉，水可以順利進入食道，大象的鼻子像人手一樣靈活。研究表明，大象鼻子是近4萬塊富有彈性的小肌肉組成，它能極靈活地伸縮自如，作出靈巧地動作。在仿生農作物采摘機器人設計時，將農作物采摘管道設計成如大象的鼻子，將采摘過程模擬為象的鼻腔吸入采摘對象的過程。對于棉花的采摘過程，首先控制猶如大象鼻子的采棉管道對準棉桃，然后利用采棉管道內的抽氣裝置產生真空脈沖來吸入棉桃，最后吸入的棉桃通過管道自動地滑落到采棉箱內，從而完成整個棉花的采摘過程；這種采摘棉桃的動作是在瞬間完成，能有效提高采摘速度；由于采用了真空脈沖式的吸入棉桃，能有效防止枝葉及其它雜物吸入，提高所采摘棉桃的品質，同時也減少了采摘過程中的能耗。—種理想的仿生農作物采摘機器人設計采用人工肌肉實現的末端執行器具有柔順性、靈巧性，其中氣動人工肌肉技術來模擬大象的鼻子是一種最佳的選擇設計方案。氣動人工肌肉除了具有氣壓傳動技術所具有的低成本、清潔、安裝簡便等優點之外，還具有高功率/質量比、自然柔順性、與生物肌肉類似的力學特性等優點。早在1900年，“機構學之父” REULEAUX在關于生物機構學的研究中就提到了采用橡膠管模擬生物肌肉的原理。1913年，WILKINS發明了一種廉價可靠的管狀膜片驅動器；真正有關人工肌肉的應用研究從20世紀80年代開始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型氣動肌肉重新設計推出了 Rubbertuator驅動器，并應用于多關節柔性臂Softarm，吸引了一些研究者的關注，從此人工肌肉進入了實際應用領域，其潛在價值逐漸被人們認識，應用研究工作也蓬勃興起。目前人工肌肉的主要研究還僅僅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，類似于大象鼻子的具有采摘功能的仿生農作物采摘機器人的研究非常鮮 見。一般來說，農作物采摘機器人主要涉及三個技術領域1)本體結構設計；2)機器人的自主導航；3)目標的定位識別與采摘。本發明主要解決本體結構設計和采摘末端執行器的設計。實現仿生農作物采摘機器人的關鍵是1)農作物采摘管道的設計，采摘管道能通過控制通入管道內空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，以實現采摘管道對準采摘對象的動作；2)在采摘管道對準采摘對象時能自動產生真空脈沖來吸入采摘對象；3)根據采摘對象的生長環境不同，采摘管道的長度、彎曲量是可以通過若干氣動人工肌肉的組合方式來實現的。

發明內容
為了克服已有的農作物采摘裝置的自然柔順性差、機構復雜、控制復雜度高、制造和維護成本昂貴、容易損傷采摘對象、環境適應性差和采摘效率不高等不足，本發明提供一種具有自然柔順性好、機構簡單、控制復雜度低、采摘效率高、環境適應性好、制造和維護成本低、采摘過程中不損害采摘對象和作物的仿生農作物采摘機器人。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種仿生農作物采摘機器人，包括基于氣動人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道內空腔的空氣壓力發生器，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行控制的氣動壓力比例控制閥，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行檢測的壓力傳感器，用于對各氣動壓力比例控制閥進行協調控制的氣動壓力比例控制器，用于吸入采摘對象的脈沖式真空發生模塊，用于控制執行采摘動作的采摘控制子系統，用于收集采摘對象容器，用于進行智能視頻分析、自主導航和控制基于氣動人工肌肉的采摘管道動作的微處理器和用于在采摘農作物區域內行走的采摘機器人的行走部分，其中，所述的雙目立體全景視覺傳感器，用于獲取仿生農作物采摘機器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，與所述的微處理器連接；所述的采摘控制子系統，用以控制所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個自由度的動作，使得采摘口對準采摘對象；當采摘口對準采摘對象時控制所述的脈沖式真空發生模塊動作產生脈沖式真空氣流將采摘對象吸入到采摘管道中；所述的微處理器包括全景立體圖像獲取單元、自主導航子系統和智能視頻分析子系統，所述的全景立體圖像獲取單元，用于獲取初始化信息和全景立體視頻圖像；所述的自主導航子系統，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，解析仿生農作物采摘機器人周圍的地域環境，完成路徑規劃和避障任務；所述的智能視頻分析子系統，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，從全景立體視覺視頻圖像中解析出采摘對象的成熟度、大小以及所處的空間位置，為精細化、智能化采摘提供采摘口的空間位置信息。進一步，所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，所述采摘管道的外形呈管三自由 度肌肉狀，管內分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，通過分別控制三個空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，實現三個自由度的控制；在所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的內外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角α，考慮到所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的柔軟性，將夾角α設計為70° 10° ;這樣由于纖維單方向增強效果的影響，沿垂直于纖維方向的變形比沿纖維方向變形容易得多；將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道分成若干個部件，包括管道終端、管道終端密封體、管道本體、管道連接密封體、管道連接法蘭和通氣管；其組裝過程是首先，將所述的管道終端密封體插入所述的管道本體的一端，接著將所述的管道終端蓋住所述的管道終端密封體并用自攻螺釘將所述的管道終端密封體和所述的管道本體的一端固定在一起；將所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的另一端，接著將所述的管道連接法蘭的三個孔對準所述的管道連接密封體的三個孔并蓋住，然后將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根通氣管分別插入所述的管道連接法蘭的三個孔中；組裝后的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的采摘通道是上下連通的；所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔只與三根通氣管分別對應連通，空腔與外界保持密封狀態。更進一步，所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道拼接成不同的長度，在連接兩個所述的管道本體的連接處，分別將兩個所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的連接端，然后所述的管道連接法蘭的三個孔對準所述的管道連接密封體的三個孔并蓋住，然后用自攻螺釘將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根所述的通氣管分別插入所述的管道連接法蘭的三個孔中，這樣兩個連接在一起的所述的管道本體中所對應的空腔是連通的，最后將兩個背靠背的所述的管道連接法蘭用螺釘進行固定連接；所述的通氣管、所述的管道連接法蘭和所述的管道終端由塑料材料模具壓制而成，所述的管道終端密封體和所述的管道連接密封體由橡膠材料模具壓制而成；所述的管道終端的入口成喇叭型。所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘通道根據不同的采摘農作物對象顆粒大小進行設計，采摘通道中的最小口徑略大于采摘對象的最大直徑，最小口徑Φ rmin設計計算方法用公式(2)表示，
40mm> Φ rmin_ Φ omax 彡 20mm(2)式中，ΦΜ η為采摘通道的最小口徑、Φ_χ為采摘對象的最大直徑；對于柔性顆粒狀農作物，如棉桃等適當縮小公式(2)的限制范圍值。所述的脈沖式真空發生模塊，用于發出一種脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，然后通過所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道吸入采摘對象，并順著采摘管道將采摘對象收集到采摘對象容器中，其作用類似于機器手的手指，與機器手配合完成整個采摘動作；所述的脈沖式真空發生模塊包括二位三通氣閥、氣源和噴嘴，所述的氣源通過氣管經所述的二位三通氣閥與所述的噴嘴進行連接，所述的噴嘴方向朝著采摘對象容器，當所述的二位三通氣閥通電時所述的氣源為所述的噴嘴提供壓縮空氣，根據氣體引射原理，這時在采摘管道中形成真空負壓；通過控制所述的二位三通氣閥的開與關，在采摘管道中產生一種脈沖式真空氣流。所述的采摘控制子系統，需要將所述的雙目立體全景視覺傳感器及智能視頻分析子系統識別和定位后的采摘對象的空間位置與所述的采摘控制子系統控制的采摘口對準 采摘對象空間位置之間建立映射關系；這里將所述的雙目立體全景視覺傳感器中的下面一個全景視覺傳感器的視點作為視覺坐標系的原點，并建立\、Yv和Zv構成的三維全景視覺坐標系；將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道與采摘機器人的行走部分固定處的中心作為采摘機械手的坐標原點，并建立Xa、Ya和Za構成的三維機械手運動坐標系；由于雙目立體全景視覺傳感器和基于氣動人工肌肉的采摘管道均固定在采摘機器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三維全景視覺坐標系和三維采摘機械手運動坐標系的幾何關系；
Xa =^v+X\Ya^=Yv + y(I)
^ Zv+Z式中，Xa、Ya和Za分別表示三維采摘機械手運動坐標系，\、Yv和Zv分別表示三維全景視覺坐標系，X、y和Z分別表示兩個坐標系原點之間在三維坐標上的投影距離。所述的采摘控制子系統，采用分別控制所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔的壓力(P1, p2，P3)來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲；對于每一組控制壓力值(Pl，P2，P3)在所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端都會有相應的空間位置坐標值(xa，ya，za);因此，通過實驗方法來建立所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔的壓力值(Pl，p2，P3)與所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值(xa，ya，za)的對應關系，我們將這個過程稱為標定過程；通過標定建立這樣的映射關系后，對于某一個希望的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值(xa，ya, za)就能方便地計算得到所需要的一組所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3);由于用實驗方法建立的映射關系是離散的，而空間位置坐標值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3)是連續的變量，因此在計算所需要的一組控制壓力值(Pl，p2，P3)時需要采用插值的方式，這里將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置劃分為若干個空間網格，如果某一個希望的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值并不處在某個空間網格的中心，那么就需要對該空間位置坐標值所處的空間網格以及三個相鄰的空間網格進行插值運算，得到三個空腔的準確控制壓力值；或者采用神經網絡技術來實現空間位置坐標值(xa，ya, za)和空腔的控制壓力值(PuP^P3)的映射關系。所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲控制采用氣動比例壓力控制技術來實現；氣源通過三個比例壓力閥分別與所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔連接，用三個壓力傳感器檢測所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔內的空氣壓力，壓力傳感器通過Α/D轉換器與計算和控制設備相連，計算和控制設備通過D/Α和功率放大器與比例壓力閥相連；當計算得到某一空腔的控制壓力后，計算和控制設備通過D/Α輸出一個電壓量控制比例壓力閥的開口大小，以調節空腔內的空氣壓力，同時壓力傳感器檢測該空腔內的空氣壓力，如果空腔內的空氣壓力恒定在期望控制壓力范圍內時控制比例壓力閥關閉以保持空腔內的空氣壓力在期望值內；因此，所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的控制將分解為三個空腔內空氣壓力的比例控制。所述的采摘控制子系統，當所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端對準采摘對象時，所述的微處理器通過I/o接口觸發所述的脈沖式真空發生模塊，發出一種脈沖 式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，采摘對象順著所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道將采摘對象收集到所述的采摘對象容器中。在所述的采摘機器人的行走部分的上面能配置多個所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，其長度根據被采摘對象生長高度不同配置方法有所不同，讓比較長的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道負責生長在比較高位置上的采摘對象的采摘，讓比較短的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道負責生長在比較低位置上的采摘對象的采摘，以滿足不同生長高度范圍內農作物的高效采摘。本發明的有益效果主要表現在1、采用氣動人工肌肉技術來實現采摘機器手，因而結構簡單、柔順性、靈巧性好，采摘過程中不損害采摘對象和作物本體；2、采用模塊化組合式的氣動人工肌肉生產工藝，使得控制復雜度低、環境適應性好、制造和維護成本低；3、采用脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，因而能在保證采摘過程中不損害采摘對象和作物本體同時具有較好的節能效果；4、在采摘機器人上同時安置多個采摘管道(采摘機器手)，可實現全方位并行采摘作業，因而能有效地提高采摘效率；5、使用面廣，不但適用于采摘棉花等纖維類、顆粒狀的農作物，只要將采摘管道稍加修改，還能勝任除草、施肥和施農藥等各種田間作業；6、采摘過程中的分類處理有利于實現農作物的精細化采摘，比如對于棉花的采摘，全景視覺技術能有效地識別出哪片地里的、甚至是哪個桿子上棉花質量好，哪片地里的和哪個桿子上棉花質量差，在采摘過程中就對采摘的棉花進行高、中、低檔分倉歸類，便于實現經濟效益高的采摘對象優先采摘。總之，本發明將引領著農業機器人向著智能化和多樣化方向發展，模擬高效的仿生采摘技術，保證采摘質量和效能；通過生物工程技術使生物形態盡量均一化、規格化，使農機和農藝結合，防止采摘機器人結構過于復雜，使采摘機器人的價格合理，便于農業推廣；通過改變機械手的終端執行器和計算機軟件，做到一機多用，以提高效率、降低成本。


圖I為一種采用氣動人工肌肉技術來實現采摘機器手的示意圖；圖2為一種適用于模具大規模制造的氣動人工肌肉制造裝配技術示意圖3為氣動人工肌肉技術實現任意一個方向的彎曲的示意圖；圖4為一種仿生農作物采摘機器人的側視圖；圖5為一種仿生農作物采摘機器人的正視圖；圖6為兩個基于氣動人工肌肉的采摘管道拼接的示意圖；圖7為基于氣動人工肌肉的采摘管道采摘端口的剖面圖；圖8為一種仿生農作物采摘機器人系統框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。
實施例I參照圖I 圖8，一種仿生農作物采摘機器人，包括基于氣動人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道內空腔的空氣壓力發生器，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行控制的氣動壓力比例控制閥，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行檢測的壓力傳感器，用于對各氣動壓力比例控制閥進行協調控制的氣動壓力比例控制器，用于吸入采摘對象的脈沖式真空發生模塊，用于控制執行采摘動作的采摘控制子系統，用于采摘對象的識別和定位的雙目立體全景視覺傳感器及智能視頻分析子系統，用于完成路徑規劃和避障任務的雙目立體全景視覺傳感器及自主導航子系統，用于收集采摘對象容器，用于進行智能視頻分析、自主導航和控制基于氣動人工肌肉的采摘管道動作的微處理器和用于在采摘農作物區域內行走的采摘機器人的行走部分；所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，其作用類似于機器手，外形呈管三自由度肌肉狀，管內分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，分別控制三個空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，從而實現三個自由度的控制，如附圖I和附圖3所示；在所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的內外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角α，本發明中考慮到所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的柔軟性，將夾角α設計為70° 10°，如附圖2所示；這樣由于纖維單方向增強效果的影響，沿垂直于纖維方向的變形比沿纖維方向變形容易得多；為了便于工業化大規模生產，本發明采用模具制作方式制造所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道分成若干個部件，包括管道終端I、管道終端密封體2、管道本體3、管道連接密封體4、管道連接法蘭5和通氣管6 ;構成最簡單的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的方式是將所述的管道終端密封體2插入所述的管道本體3的一端，接著將所述的管道終端I蓋住所述的管道終端密封體2并用自攻螺釘7將所述的管道終端密封體2和所述的管道本體3的一端固定在一起；進一步，將所述的管道連接密封體4插入所述的管道本體3的另一端，接著將所述的管道連接法蘭5的三個孔對準所述的管道連接密封體4的三個孔并蓋住，然后用自攻螺釘7將所述的管道連接密封體4和所述的管道本體3的另一端固定連接在一起，最后將三根通氣管6分別插入所述的管道連接法蘭5的三個孔中，如附圖2所示；組裝后的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的采摘通道9是上下連通的；所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔8只與三根通氣管6分別對應連通，空腔8與外界保持密封狀態；考慮到仿生農作物采摘機器人將用于不同的農作物采摘對象，有些采摘對象生長在比較高的樹上，則有些采摘對象生長在比較短矮的植物桿體上；為了適用于不同采摘對象的需求，本發明將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道設計成模塊組合形式，即根據采摘對象離仿生農作物采摘機器人的距離不同通過模塊的組合將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道拼接成不同的長度；為了將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道拼接成不同的長度，在連接兩個所述的管道本體3的連接處，分別將兩個所述的管道連接密封體4插入所述的管道本體3的連接端，然后所述的管道連接法蘭5的三個孔對準所述的管道連接密封體4的三個孔并蓋住，然后用自攻螺釘7將所述的管道連接密封體4和所述的管道本體3的另一端固定連接在一起，最后將三根所述的通氣管6分別插入所述的管道連接法蘭5的三個孔中，這樣兩個連接在一起的所述的管道本體3中所對應的空腔是連通的，最后將兩個背靠背的所述的管道連接法蘭5用螺釘進行固定連接，如附圖6所示；所述的通氣管6、所述的管道連接法蘭5和所述的管道終端I由塑料材料模具壓制而成，所述的管道終端密封體2和所述的管道連接密封體4由橡膠材料模具壓制而成；為了方便地吸取采摘對象，所述的管道終端I的入口設計成喇叭型，如附圖7所示； 為了提高采摘效率，在仿生農作物采摘機器人上配置一個或者多個所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，即為仿生農作物采摘機器人配置多個采摘機器手，如附圖4和附圖5所示；在配置多個所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道情況時，根據農作物生長高度不同采用不同的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的長度，以滿足生長在某一個高度區域內農作物的高效采摘；為了滿足不同顆粒狀農作物的采摘，所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘通道9根據不同的采摘農作物對象顆粒大小進行設計，采摘通道9中的最小口徑略大于采摘對象的最大直徑，最小口徑Φ rmin設計計算方法用公式(2)表示，40mm> Φ rmin_ Φ omax 彡 20mm(2)式中，φΜ η為采摘通道的最小口徑、Φ_χ為采摘對象的最大直徑；對于柔性顆粒狀農作物，如棉桃等適當縮小公式(2)的限制范圍值；所述的脈沖式真空發生模塊，用于發出一種脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，然后通過所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道吸入采摘對象，并順著采摘管道將采摘對象收集到采摘對象容器中，其作用類似于機器手的手指，與機器手配合完成整個采摘動作；所述的脈沖式真空發生模塊包括二位三通氣閥、氣源和噴嘴，所述的氣源通過氣管經所述的二位三通氣閥與所述的噴嘴進行連接，所述的噴嘴方向朝著采摘對象容器，當所述的二位三通氣閥通電時所述的氣源為所述的噴嘴提供壓縮空氣，根據氣體引射原理，這時在采摘管道中形成真空負壓；因此通過控制所述的二位三通氣閥的開與關，在采摘管道中產生一種脈沖式真空氣流，如附圖8所示；關于仿生農作物采摘機器人的行走部分，本發明采用四輪行走機器人，其中兩個后輪為獨立的主動輪，兩個前輪為主動導向輪，主動導向輪由小功率高減速的電機驅動，控制導向輪的轉角，兩個主動輪分別由兩個輪轂電機驅動；采摘機器人的行走部分按照電機協調算法把行走部分的運動要求分解為對三個電機的控制命令，最后控制導向輪的轉動和兩個后輪的差動來實現行走部分的運動；設計時行走部分本體的最大寬度值不能超過壟間狹窄寬度，行走部分本體設計按照工業機器人現有技術規范進行設計；
關于仿生農作物采摘機器人的導航問題、農作物識別和定位問題已經采摘動作的控制問題，都需要由視覺識別技術和控制技術來實現；附圖4中11為雙目立體全景視覺傳感器，12為基于氣動人工肌肉的采摘管道，這里簡稱為采摘機械手，13為采摘對象，這里采摘對象是成熟的棉桃，14為采摘機器人的行走部分，雙目立體全景視覺傳感器和基于氣動人工肌肉的采摘管道均固定在采摘機器人的行走部分的上面，雙目立體全景視覺傳感器用于獲取采摘機器人周圍的全景視頻信息，雙目立體全景視覺傳感器通過USB接口與計算和控制設備連接；由于農作物采摘工作的環境往往是非結構的、未知的和不確定的，采摘對象又是隨機分布的；因此，在采摘過程中采摘機器人的行走路線不是連接出發點和終點的最短距離，采摘地域環境往往是具有狹窄的范圍、較長的距離且遍及整個收獲區域；采摘機器人的工作特點是作業、移動同時進行；因此，容易受到作物栽培方式以及采摘過程的影響；這樣一方面，要求采摘機器人的行走部分具有靈活性和平穩，能適應于田間松軟和壟間狹窄等環境，需要對采摘地域環境進行識別不斷地進行避障和路徑規劃，即自動導航問題 ’另一方面，要根據采摘對象的成熟度進行選擇性地采摘，這里就涉及到采摘對象的視覺識別和定位問題；
關于自動導航問題，我們將采用基于全景視覺的自動導航技術來實現；關于采摘對象的視覺識別和定位問題，我們將采用基于全景立體視覺的識別和定位技術來解決；上述兩個相關實現方法將在其他專利文獻中披露；下面利用附圖4和附圖8來具體描述在識別和定位采摘對象后本發明提出的農作物采摘機器手的基本工作原理，本發明將雙目立體全景視覺傳感器中的下面一個全景視覺傳感器的視點作為視覺坐標系的原點，并建立\、乙和Zv構成的三維全景視覺坐標系；將基于氣動人工肌肉的采摘管道與采摘機器人的行走部分固定處的中心作為采摘機械手的坐標原點，并建立Xa、Ya和Za構成的三維機械手運動坐標系；由于雙目立體全景視覺傳感器和基于氣動人工肌肉的采摘管道均固定在采摘機器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三維全景視覺坐標系和三維采摘機械手運動坐標系的幾何關系；< Ya =Yv +V(I) W式中，Xa、Ya和Za分別表示三維采摘機械手運動坐標系，\、Yv和Zv分別表示三維全景視覺坐標系，X、y和z分別表示兩個坐標系原點之間在三維坐標上的投影距離；實現采摘機械手的三個自由度的控制，本發明中采用分別控制三個空腔的壓力(P1, P2, P3)來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲；對于每一組控制壓力值(Pl,P2,P3)在采摘機械手的采摘端都會有相應的空間位置坐標值(xa，ya，za);因此，通過實驗方法來建立三個空腔的壓力值(Pl，p2，P3)與采摘機械手的采摘端的空間位置坐標值(xa, ya, za)的對應關系，我們將這個過程稱為標定過程；通過標定建立這樣的映射關系后，對于某一個希望的采摘機械手的采摘端的空間位置坐標值(xa，ya, za)就能方便地計算得到所需要的一組控制壓力值(Pl，P2，P3);由于用實驗方法建立的映射關系是離散的，而空間位置坐標值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3)是連續的變量，因此在計算所需要的一組控制壓力值(Pl，p2，P3)時需要采用插值的方式，這里將采摘機械手的采摘端的空間位置劃分為若干個空間網格，如果某一個希望的采摘機械手的采摘端的空間位置坐標值并不處在某個空間網格的中心，那么就需要對該空間位置坐標值所處的空間網格以及三個相鄰的空間網格進行插值運算，得到三個空腔的準確控制壓力值；或者采用神經網絡技術來實現空間位置坐標值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3)的映射關系，關于神經網絡技術的具體實現方法可參考相關論文和專著；對于每個空腔的壓力的控制，本發明采用氣動比例壓力控制技術來實現，如附圖8所示，氣源16通過三個比例壓力閥19分別與所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔連接，用三個壓力傳感器20檢測所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔內的空氣壓力，壓力傳感器20通過A/D轉換器與計算和控制設備相連，計算和控制設備通過D/A和功率放大器與比例壓力閥19相連；當計算得到某一空腔的控制壓力后，計算和控制設備通過D/A輸出一個電壓量控制比例壓力閥19的開口大小，以調節空腔內的空氣壓力，同時壓力傳感器20檢測該空腔內的空氣壓力，如果空腔內的空氣壓力恒定在期望控制壓力范圍內時控制比例壓力閥19關閉以保持空腔內的空氣壓力在期望值內；因此，采摘機械手的控制將分解為三個空腔內空氣壓力的比例控制；
當采摘機械手的采摘端已經對準采摘對象時，計算和控制設備通過I/O接口觸發所述的脈沖式真空發生模塊，發出一種脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，采摘對象順著采摘管道將采摘對象收集到采摘對象容器中；為了提高采摘效率，在采摘機器人的行走部分的上面能配置多個采摘機器手，其機械手的長度，即基于氣動人工肌肉的采摘管道的長度也可以配置的不同，以滿足不同生長高度范圍內農作物的高效采摘，如附圖5在采摘機器人的行走部分的上面左右兩側分別配置了相同長度的基于氣動人工肌肉的采摘管道。關于用于采摘對象的識別和定位的雙目立體全景視覺傳感器及智能視頻分析子系統和用于完成路徑規劃和避障任務的雙目立體全景視覺傳感器及自主導航子系統，將在今后的其他專利文件中披露詳細技術方案。
權利要求
1.一種仿生農作物采摘機器人，其特征在于包括基于氣動人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道內空腔的空氣壓力發生器，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行控制的氣動壓力比例控制閥，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行檢測的壓力傳感器，用于對各氣動壓力比例控制閥進行協調控制的氣動壓力比例控制器，用于吸入采摘對象的脈沖式真空發生模塊，用于控制執行采摘動作的采摘控制子系統，用于收集采摘對象容器，用于進行智能視頻分析、自主導航和控制基于氣動人工肌肉的采摘管道動作的微處理器和用于在采摘農作物區域內行走的采摘機器人的行走部分，其中， 所述的雙目立體全景視覺傳感器，用于獲取仿生農作物采摘機器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，與所述的微處理器連接； 所述的采摘控制子系統，用以控制所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個自由度的動作，使得采摘口對準采摘對象；當采摘口對準采摘對象時控制所述的脈沖式真空發生模塊動作產生脈沖式真空氣流將采摘對象吸入到采摘管道中； 所述的微處理器包括全景立體圖像獲取單元、自主導航子系統和智能視頻分析子系統， 所述的全景立體圖像獲取單元，用于獲取初始化信息和全景立體視頻圖像； 所述的自主導航子系統，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，解析仿生農作物采摘機器人周圍的地域環境，完成路徑規劃和避障任務； 所述的智能視頻分析子系統，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，從全景立體視覺視頻圖像中解析出采摘對象的成熟度、大小以及所處的空間位置，為精細化、智能化采摘提供采摘口的空間位置信息。
2.如權利要求I所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，所述采摘管道的外形呈管三自由度肌肉狀，管內分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，通過分別控制三個空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，實現三個自由度的控制；在所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的內外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角α，考慮到所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的柔軟性，將夾角α設計為70° 10° ;這樣由于纖維單方向增強效果的影響，沿垂直于纖維方向的變形比沿纖維方向變形容易得多； 將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道分成若干個部件，包括管道終端、管道終端密封體、管道本體、管道連接密封體、管道連接法蘭和通氣管；其組裝過程是首先，將所述的管道終端密封體插入所述的管道本體的一端，接著將所述的管道終端蓋住所述的管道終端密封體并用自攻螺釘將所述的管道終端密封體和所述的管道本體的一端固定在一起；將所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的另一端，接著將所述的管道連接法蘭的三個孔對準所述的管道連接密封體的三個孔并蓋住，然后將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根通氣管分別插入所述的管道連接法蘭的三個孔中；組裝后的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的采摘通道是上下連通的；所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔只與三根通氣管分別對應連通，空腔與外界保持密封狀態。
3.如權利要求I或2所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道拼接成不同的長度，在連接兩個所述的管道本體的連接處，分別將兩個所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的連接端，然后所述的管道連接法蘭的三個孔對準所述的管道連接密封體的三個孔并蓋住，然后用自攻螺釘將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根所述的通氣管分別插入所述的管道連接法蘭的三個孔中，這樣兩個連接在一起的所述的管道本體中所對應的空腔是連通的，最后將兩個背靠背的所述的管道連接法蘭用螺釘進行固定連接；所述的通氣管、所述的管道連接法蘭和所述的管道終端由塑料材料模具壓制而成，所述的管道終端密封體和所述的管道連接密封體由橡膠材料模具壓制而成；所述的管道終端的入口成喇叭型。
4.如權利要求I或2所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘通道根據不同的采摘農作物對象顆粒大小進行設計，采摘通道中的最小口徑略大于采摘對象的最大直徑，最小口徑Φ rmin設計計算方法用公式(2)表示， 40mm> Φ rmin- Φ omax ≥ 20mm(2 ) 式中，Φ_η為采摘通道的最小口徑、Φ_χ為采摘對象的最大直徑；對于柔性顆粒狀農作物，如棉桃等適當縮小公式(2)的限制范圍值。
5.如權利要求I或2所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的脈沖式真空發生模塊，用于發出一種脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，然后通過所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道吸入采摘對象，并順著采摘管道將采摘對象收集到采摘對象容器中，其作用類似于機器手的手指，與機器手配合完成整個采摘動作；所述的脈沖式真空發生模塊包括二位三通氣閥、氣源和噴嘴，所述的氣源通過氣管經所述的二位三通氣閥與所述的噴嘴進行連接，所述的噴嘴方向朝著采摘對象容器，當所述的二位三通氣閥通電時所述的氣源為所述的噴嘴提供壓縮空氣，根據氣體引射原理，這時在采摘管道中形成真空負壓；通過控制所述的二位三通氣閥的開與關，在采摘管道中產生一種脈沖式真空氣流。
6.如權利要求I或2所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的采摘控制子系統，需要將所述的雙目立體全景視覺傳感器及智能視頻分析子系統識別和定位后的采摘對象的空間位置與所述的采摘控制子系統控制的采摘口對準采摘對象空間位置之間建立映射關系；這里將所述的雙目立體全景視覺傳感器中的下面一個全景視覺傳感器的視點作為視覺坐標系的原點，并建立\、乙和Zv構成的三維全景視覺坐標系；將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道與采摘機器人的行走部分固定處的中心作為采摘機械手的坐標原點，并建立Xa、Ya和Za構成的三維機械手運動坐標系；由于雙目立體全景視覺傳感器和基于氣動人工肌肉的采摘管道均固定在采摘機器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三維全景視覺坐標系和三維采摘機械手運動坐標系的幾何關系； 式中，Xa、Ya和Za分別表示三維采摘機械手運動坐標系，\、Yv和Zv分別表示三維全景視覺坐標系，X、y和Z分別表示兩個坐標系原點之間在三維坐標上的投影距離。
7.如權利要求6所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的采摘控制子系統，采用分別控制所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔的壓力(P1, P2，P3)來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲；對于每一組控制壓力值(P1, P2, P3)在所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端都會有相應的空間位置坐標值(xa，ya，za)；因此，通過實驗方法來建立所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道中的三個空腔的壓力值(Pl,P2,P3)與所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值(xa，ya，za)的對應關系，我們將這個過程稱為標定過程；通過標定建立這樣的映射關系后，對于某一個希望的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值(xa，ya，za)就能方便地計算得到所需要的一組所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔的控制壓力值(P1, p2，P3);由于用實驗方法建立的映射關系是離散的，而空間位置坐標值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3)是連續的變量，因此在計算所需要的一組控制壓力值(Pl,P2,P3)時需要采用插值的方式，這里將所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置劃分為若干個空間網格，如果某一個希望的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端的空間位置坐標值并不處在某個空間網格的中心，那么就需要對該空間位置坐標值所處的空間網格以及三個相鄰的空間網格進行插值運算，得到三個空腔的準確控制壓力值；或者采用神經網絡技術來實現空間位置坐標值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pd Ρ2 P3)的映射關系。
8.如權利要求6所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲控制采用氣動比例壓力控制技術來實現；氣源通過三個比例壓力閥分別與所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔連接，用三個壓力傳感器檢測所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的三個空腔內的空氣壓力，壓力傳感器通過A/D轉換器與計算和控制設備相連，計算和控制設備通過D/A和功率放大器與比例壓力閥相連；當計算得到某一空腔的控制壓力后，計算和控制設備通過D/A輸出一個電壓量控制比例壓力閥的開口大小，以調節空腔內的空氣壓力，同時壓力傳感器檢測該空腔內的空氣壓力，如果空腔內的空氣壓力恒定在期望控制壓力范圍內時控制比例壓力閥關閉以保持空腔內的空氣壓力在期望值內；因此，所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的控制將分解為三個空腔內空氣壓力的比例控制。
9.如權利要求I所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于所述的采摘控制子系統，當所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道的采摘端對準采摘對象時，所述的微處理器通過I/O接口觸發所述的脈沖式真空發生模塊，發出一種脈沖式真空氣流實現對采摘對象的負壓吸取采摘，采摘對象順著所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道將采摘對象收集到所述的采摘對象容器中。
10.如權利要求I所述的仿生農作物采摘機器人，其特征在于在所述的采摘機器人的行走部分的上面能配置多個所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道，其長度根據被采摘對象生長高度不同配置方法有所不同，讓比較長的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道負責生長在比較高位置上的采摘對象的采摘，讓比較短的所述的基于氣動人工肌肉的采摘管道負責生長在比較低位置上的采摘對象的采摘，以滿足不同生長高度范圍內農作物的高效采摘。
全文摘要
一種仿生農作物采摘機器人，包括基于氣動人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道內空腔的空氣壓力發生器，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行控制的氣動壓力比例控制閥，用于對通入各采摘管道內空腔的空氣壓力進行檢測的壓力傳感器，用于對各氣動壓力比例控制閥進行協調控制的氣動壓力比例控制器，用于吸入采摘對象的脈沖式真空發生模塊，用于控制執行采摘動作的采摘控制子系統，用于收集采摘對象容器，用于進行智能視頻分析、自主導航和控制基于氣動人工肌肉的采摘管道動作的微處理器和用于在采摘農作物區域內行走的采摘機器人的行走部分。本發明自然柔順性好、機構簡單、控制復雜度低、采摘效率高、環境適應性好、制造和維護成本低。
文檔編號B25J9/00GK102873675SQ201210347859
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者湯一平, 俞立, 徐建明, 邢科新, 倪洪杰, 陳國定, 歐林林, 余世明, 孫明軒, 何德峰, 董輝 申請人:浙江工業大學