专利名称：仿生农作物采摘机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于气动人工肌肉技术、气动伺服控制技术和采摘机器人技术在颗粒状的农作物自动化采摘方面的应用，尤其适用于棉花的自动采摘。
背景技术：
农作物采摘作业是农作物生产链中最 耗时、最费力的一个环节。同时，采摘作业质量的好坏还直接影响到产品的后续加工和储存。如何以低成本获得高品质的产品是农作物生产环节中必须重视和考虑的问题。由于采摘作业的复杂性，目前我国的采摘自动化和智能化程度仍然很低，基本上农作物采摘作业都是手工进行，就棉花采摘这一项来说每年约需要人工采摘成本8个亿。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样会大大降低产品的市场竞争力。因此采摘机器人是未来智能农业机械的发展方向。采摘机器人工作在高度非结构化的环境下，采摘对象是有生命的生物体。同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点1)采摘对象娇嫩、易脆，形状复杂且个体之间的差异性大；2)采摘对象大多数被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，降低采摘成功率，同时对采摘机械手的避障提出了更高的要求；3)采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，对采摘机器人的智能控制水平要求高；4)采摘对象是有生命的、易脆的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，这就要求机器人的末端执行器具有柔顺性、灵巧性；⑤由于缺少对采摘机器人的研究，沿用了工业机器人的设计思想，导致了采摘机器人的价格昂贵。总的来说，目前采摘机器人的本体结构研究没有得到足够的重视，不少产品和研究是通过直接购买工业机器人的机械手作为采摘机器人的机械本体。从目前发表的采摘机器人样机来看，机械手的结构形式大致有直角坐标结构、极坐标结构和关节型结构三种，这三种机械手缺乏柔顺性和灵巧性；同时采摘机器人的本体结构要比普通工业机器人的复杂。采摘机器人机械手的结构形式、自由度将直接影响机器人的作业空间、性能以及控制系统的复杂程度，乃至制造和维护成本。自然界很多动物获取食物的方式给我们设计带来一些启示，即仿生农作物采摘机器人设计，如大象的鼻子能轻而易举地把树上的果子摘下，能将地面上的草连根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一块特殊的软骨，起“阀门”一样的作用。象吸水时，喉咙部位的肌肉收缩，“阀门”关闭，水可以顺利进入食道，大象的鼻子像人手一样灵活。研究表明，大象鼻子是近4万块富有弹性的小肌肉组成，它能极灵活地伸缩自如，作出灵巧地动作。在仿生农作物采摘机器人设计时，将农作物采摘管道设计成如大象的鼻子，将采摘过程模拟为象的鼻腔吸入采摘对象的过程。对于棉花的采摘过程，首先控制犹如大象鼻子的采棉管道对准棉桃，然后利用采棉管道内的抽气装置产生真空脉冲来吸入棉桃，最后吸入的棉桃通过管道自动地滑落到采棉箱内，从而完成整个棉花的采摘过程；这种采摘棉桃的动作是在瞬间完成，能有效提高采摘速度；由于采用了真空脉冲式的吸入棉桃，能有效防止枝叶及其它杂物吸入，提高所采摘棉桃的品质，同时也减少了采摘过程中的能耗。—种理想的仿生农作物采摘机器人设计采用人工肌肉实现的末端执行器具有柔顺性、灵巧性，其中气动人工肌肉技术来模拟大象的鼻子是一种最佳的选择设计方案。气动人工肌肉除了具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、安装简便等优点之外，还具有高功率/质量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性等优点。早在1900年，“机构学之父” REULEAUX在关于生物机构学的研究中就提到了采用橡胶管模拟生物肌肉的原理。1913年，WILKINS发明了一种廉价可靠的管状膜片驱动器；真正有关人工肌肉的应用研究从20世纪80年代开始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型气动肌肉重新设计推出了 Rubbertuator驱动器，并应用于多关节柔性臂Softarm，吸引了一些研究者的关注，从此人工肌肉进入了实际应用领域，其潜在价值逐渐被人们认识，应用研究工作也蓬勃兴起。目前人工肌肉的主要研究还仅仅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，类似于大象鼻子的具有采摘功能的仿生农作物采摘机器人的研究非常鲜 见。一般来说，农作物采摘机器人主要涉及三个技术领域1)本体结构设计；2)机器人的自主导航；3)目标的定位识别与采摘。本发明主要解决本体结构设计和采摘末端执行器的设计。实现仿生农作物采摘机器人的关键是1)农作物采摘管道的设计，采摘管道能通过控制通入管道内空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，以实现采摘管道对准采摘对象的动作；2)在采摘管道对准采摘对象时能自动产生真空脉冲来吸入采摘对象；3)根据采摘对象的生长环境不同，采摘管道的长度、弯曲量是可以通过若干气动人工肌肉的组合方式来实现的。
发明内容
为了克服已有的农作物采摘装置的自然柔顺性差、机构复杂、控制复杂度高、制造和维护成本昂贵、容易损伤采摘对象、环境适应性差和采摘效率不高等不足，本发明提供一种具有自然柔顺性好、机构简单、控制复杂度低、采摘效率高、环境适应性好、制造和维护成本低、采摘过程中不损害采摘对象和作物的仿生农作物采摘机器人。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种仿生农作物采摘机器人，包括基于气动人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道内空腔的空气压力发生器，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行控制的气动压力比例控制阀，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行检测的压力传感器，用于对各气动压力比例控制阀进行协调控制的气动压力比例控制器，用于吸入采摘对象的脉冲式真空发生模块，用于控制执行采摘动作的采摘控制子系统，用于收集采摘对象容器，用于进行智能视频分析、自主导航和控制基于气动人工肌肉的采摘管道动作的微处理器和用于在采摘农作物区域内行走的采摘机器人的行走部分，其中，所述的双目立体全景视觉传感器，用于获取仿生农作物采摘机器人周边的全景立体视觉视频图像，与所述的微处理器连接；所述的采摘控制子系统，用以控制所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个自由度的动作，使得采摘口对准采摘对象；当采摘口对准采摘对象时控制所述的脉冲式真空发生模块动作产生脉冲式真空气流将采摘对象吸入到采摘管道中；所述的微处理器包括全景立体图像获取单元、自主导航子系统和智能视频分析子系统，所述的全景立体图像获取单元，用于获取初始化信息和全景立体视频图像；所述的自主导航子系统，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，解析仿生农作物采摘机器人周围的地域环境，完成路径规划和避障任务；所述的智能视频分析子系统，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，从全景立体视觉视频图像中解析出采摘对象的成熟度、大小以及所处的空间位置，为精细化、智能化采摘提供采摘口的空间位置信息。进一步，所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，所述采摘管道的外形呈管三自由 度肌肉状，管内分隔成三个互成120°的扇形柱状空腔，通过分别控制三个空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，实现三个自由度的控制；在所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的内外管壁的橡胶基体中，夹有芳香族聚酰胺增强纤维，纤维走向与肌肉的轴向有一夹角α，考虑到所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的柔软性，将夹角α设计为70° 10° ;这样由于纤维单方向增强效果的影响，沿垂直于纤维方向的变形比沿纤维方向变形容易得多；将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道分成若干个部件，包括管道终端、管道终端密封体、管道本体、管道连接密封体、管道连接法兰和通气管；其组装过程是首先，将所述的管道终端密封体插入所述的管道本体的一端，接着将所述的管道终端盖住所述的管道终端密封体并用自攻螺钉将所述的管道终端密封体和所述的管道本体的一端固定在一起；将所述的管道连接密封体插入所述的管道本体的另一端，接着将所述的管道连接法兰的三个孔对准所述的管道连接密封体的三个孔并盖住，然后将所述的管道连接密封体和所述的管道本体的另一端固定连接在一起，最后将三根通气管分别插入所述的管道连接法兰的三个孔中；组装后的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的采摘通道是上下连通的；所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔只与三根通气管分别对应连通，空腔与外界保持密封状态。更进一步，所述的基于气动人工肌肉的采摘管道拼接成不同的长度，在连接两个所述的管道本体的连接处，分别将两个所述的管道连接密封体插入所述的管道本体的连接端，然后所述的管道连接法兰的三个孔对准所述的管道连接密封体的三个孔并盖住，然后用自攻螺钉将所述的管道连接密封体和所述的管道本体的另一端固定连接在一起，最后将三根所述的通气管分别插入所述的管道连接法兰的三个孔中，这样两个连接在一起的所述的管道本体中所对应的空腔是连通的，最后将两个背靠背的所述的管道连接法兰用螺钉进行固定连接；所述的通气管、所述的管道连接法兰和所述的管道终端由塑料材料模具压制而成，所述的管道终端密封体和所述的管道连接密封体由橡胶材料模具压制而成；所述的管道终端的入口成喇叭型。所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘通道根据不同的采摘农作物对象颗粒大小进行设计，采摘通道中的最小口径略大于采摘对象的最大直径，最小口径Φ rmin设计计算方法用公式(2)表示，
40mm> Φ rmin_ Φ omax 彡 20mm(2)式中，ΦΜ η为采摘通道的最小口径、Φ_χ为采摘对象的最大直径；对于柔性颗粒状农作物，如棉桃等适当缩小公式(2)的限制范围值。所述的脉冲式真空发生模块，用于发出一种脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，然后通过所述的基于气动人工肌肉的采摘管道吸入采摘对象，并顺着采摘管道将采摘对象收集到采摘对象容器中，其作用类似于机器手的手指，与机器手配合完成整个采摘动作；所述的脉冲式真空发生模块包括二位三通气阀、气源和喷嘴，所述的气源通过气管经所述的二位三通气阀与所述的喷嘴进行连接，所述的喷嘴方向朝着采摘对象容器，当所述的二位三通气阀通电时所述的气源为所述的喷嘴提供压缩空气，根据气体引射原理，这时在采摘管道中形成真空负压；通过控制所述的二位三通气阀的开与关，在采摘管道中产生一种脉冲式真空气流。所述的采摘控制子系统，需要将所述的双目立体全景视觉传感器及智能视频分析子系统识别和定位后的采摘对象的空间位置与所述的采摘控制子系统控制的采摘口对准 采摘对象空间位置之间建立映射关系；这里将所述的双目立体全景视觉传感器中的下面一个全景视觉传感器的视点作为视觉坐标系的原点，并建立\、Yv和Zv构成的三维全景视觉坐标系；将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道与采摘机器人的行走部分固定处的中心作为采摘机械手的坐标原点，并建立Xa、Ya和Za构成的三维机械手运动坐标系；由于双目立体全景视觉传感器和基于气动人工肌肉的采摘管道均固定在采摘机器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三维全景视觉坐标系和三维采摘机械手运动坐标系的几何关系；
Xa =^v+X\Ya^=Yv + y(I)
^ Zv+Z式中，Xa、Ya和Za分别表示三维采摘机械手运动坐标系，\、Yv和Zv分别表示三维全景视觉坐标系，X、y和Z分别表示两个坐标系原点之间在三维坐标上的投影距离。所述的采摘控制子系统，采用分别控制所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔的压力(P1, p2，P3)来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲；对于每一组控制压力值(Pl，P2，P3)在所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端都会有相应的空间位置坐标值(xa，ya，za);因此，通过实验方法来建立所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔的压力值(Pl，p2，P3)与所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值(xa，ya，za)的对应关系，我们将这个过程称为标定过程；通过标定建立这样的映射关系后，对于某一个希望的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值(xa，ya, za)就能方便地计算得到所需要的一组所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔的控制压力值(Pl，p2，P3);由于用实验方法建立的映射关系是离散的，而空间位置坐标值(xa，ya，za)和空腔的控制压力值(Pl，p2，P3)是连续的变量，因此在计算所需要的一组控制压力值(Pl，p2，P3)时需要采用插值的方式，这里将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置划分为若干个空间网格，如果某一个希望的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值并不处在某个空间网格的中心，那么就需要对该空间位置坐标值所处的空间网格以及三个相邻的空间网格进行插值运算，得到三个空腔的准确控制压力值；或者采用神经网络技术来实现空间位置坐标值(xa，ya, za)和空腔的控制压力值(PuP^P3)的映射关系。所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲控制采用气动比例压力控制技术来实现；气源通过三个比例压力阀分别与所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔连接，用三个压力传感器检测所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔内的空气压力，压力传感器通过Α/D转换器与计算和控制设备相连，计算和控制设备通过D/Α和功率放大器与比例压力阀相连；当计算得到某一空腔的控制压力后，计算和控制设备通过D/Α输出一个电压量控制比例压力阀的开口大小，以调节空腔内的空气压力，同时压力传感器检测该空腔内的空气压力，如果空腔内的空气压力恒定在期望控制压力范围内时控制比例压力阀关闭以保持空腔内的空气压力在期望值内；因此，所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的控制将分解为三个空腔内空气压力的比例控制。所述的采摘控制子系统，当所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端对准采摘对象时，所述的微处理器通过I/o接口触发所述的脉冲式真空发生模块，发出一种脉冲 式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，采摘对象顺着所述的基于气动人工肌肉的采摘管道将采摘对象收集到所述的采摘对象容器中。在所述的采摘机器人的行走部分的上面能配置多个所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，其长度根据被采摘对象生长高度不同配置方法有所不同，让比较长的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道负责生长在比较高位置上的采摘对象的采摘，让比较短的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道负责生长在比较低位置上的采摘对象的采摘，以满足不同生长高度范围内农作物的高效采摘。本发明的有益效果主要表现在1、采用气动人工肌肉技术来实现采摘机器手，因而结构简单、柔顺性、灵巧性好，采摘过程中不损害采摘对象和作物本体；2、采用模块化组合式的气动人工肌肉生产工艺，使得控制复杂度低、环境适应性好、制造和维护成本低；3、采用脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，因而能在保证采摘过程中不损害采摘对象和作物本体同时具有较好的节能效果；4、在采摘机器人上同时安置多个采摘管道(采摘机器手)，可实现全方位并行采摘作业，因而能有效地提高采摘效率；5、使用面广，不但适用于采摘棉花等纤维类、颗粒状的农作物，只要将采摘管道稍加修改，还能胜任除草、施肥和施农药等各种田间作业；6、采摘过程中的分类处理有利于实现农作物的精细化采摘，比如对于棉花的采摘，全景视觉技术能有效地识别出哪片地里的、甚至是哪个杆子上棉花质量好，哪片地里的和哪个杆子上棉花质量差，在采摘过程中就对采摘的棉花进行高、中、低档分仓归类，便于实现经济效益高的采摘对象优先采摘。总之，本发明将引领着农业机器人向着智能化和多样化方向发展，模拟高效的仿生采摘技术，保证采摘质量和效能；通过生物工程技术使生物形态尽量均一化、规格化，使农机和农艺结合，防止采摘机器人结构过于复杂，使采摘机器人的价格合理，便于农业推广；通过改变机械手的终端执行器和计算机软件，做到一机多用，以提高效率、降低成本。
图I为一种采用气动人工肌肉技术来实现采摘机器手的示意图；图2为一种适用于模具大规模制造的气动人工肌肉制造装配技术示意图3为气动人工肌肉技术实现任意一个方向的弯曲的示意图；图4为一种仿生农作物采摘机器人的侧视图；图5为一种仿生农作物采摘机器人的正视图；图6为两个基于气动人工肌肉的采摘管道拼接的示意图；图7为基于气动人工肌肉的采摘管道采摘端口的剖面图；图8为一种仿生农作物采摘机器人系统框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例I参照图I 图8，一种仿生农作物采摘机器人，包括基于气动人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道内空腔的空气压力发生器，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行控制的气动压力比例控制阀，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行检测的压力传感器，用于对各气动压力比例控制阀进行协调控制的气动压力比例控制器，用于吸入采摘对象的脉冲式真空发生模块，用于控制执行采摘动作的采摘控制子系统，用于采摘对象的识别和定位的双目立体全景视觉传感器及智能视频分析子系统，用于完成路径规划和避障任务的双目立体全景视觉传感器及自主导航子系统，用于收集采摘对象容器，用于进行智能视频分析、自主导航和控制基于气动人工肌肉的采摘管道动作的微处理器和用于在采摘农作物区域内行走的采摘机器人的行走部分；所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，其作用类似于机器手，外形呈管三自由度肌肉状，管内分隔成三个互成120°的扇形柱状空腔，分别控制三个空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，从而实现三个自由度的控制，如附图I和附图3所示；在所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的内外管壁的橡胶基体中，夹有芳香族聚酰胺增强纤维，纤维走向与肌肉的轴向有一夹角α，本发明中考虑到所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的柔软性，将夹角α设计为70° 10°，如附图2所示；这样由于纤维单方向增强效果的影响，沿垂直于纤维方向的变形比沿纤维方向变形容易得多；为了便于工业化大规模生产，本发明采用模具制作方式制造所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道分成若干个部件，包括管道终端I、管道终端密封体2、管道本体3、管道连接密封体4、管道连接法兰5和通气管6 ;构成最简单的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的方式是将所述的管道终端密封体2插入所述的管道本体3的一端，接着将所述的管道终端I盖住所述的管道终端密封体2并用自攻螺钉7将所述的管道终端密封体2和所述的管道本体3的一端固定在一起；进一步，将所述的管道连接密封体4插入所述的管道本体3的另一端，接着将所述的管道连接法兰5的三个孔对准所述的管道连接密封体4的三个孔并盖住，然后用自攻螺钉7将所述的管道连接密封体4和所述的管道本体3的另一端固定连接在一起，最后将三根通气管6分别插入所述的管道连接法兰5的三个孔中，如附图2所示；组装后的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的采摘通道9是上下连通的；所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔8只与三根通气管6分别对应连通，空腔8与外界保持密封状态；考虑到仿生农作物采摘机器人将用于不同的农作物采摘对象，有些采摘对象生长在比较高的树上，则有些采摘对象生长在比较短矮的植物杆体上；为了适用于不同采摘对象的需求，本发明将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道设计成模块组合形式，即根据采摘对象离仿生农作物采摘机器人的距离不同通过模块的组合将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道拼接成不同的长度；为了将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道拼接成不同的长度，在连接两个所述的管道本体3的连接处，分别将两个所述的管道连接密封体4插入所述的管道本体3的连接端，然后所述的管道连接法兰5的三个孔对准所述的管道连接密封体4的三个孔并盖住，然后用自攻螺钉7将所述的管道连接密封体4和所述的管道本体3的另一端固定连接在一起，最后将三根所述的通气管6分别插入所述的管道连接法兰5的三个孔中，这样两个连接在一起的所述的管道本体3中所对应的空腔是连通的，最后将两个背靠背的所述的管道连接法兰5用螺钉进行固定连接，如附图6所示；所述的通气管6、所述的管道连接法兰5和所述的管道终端I由塑料材料模具压制而成，所述的管道终端密封体2和所述的管道连接密封体4由橡胶材料模具压制而成；为了方便地吸取采摘对象，所述的管道终端I的入口设计成喇叭型，如附图7所示； 为了提高采摘效率，在仿生农作物采摘机器人上配置一个或者多个所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，即为仿生农作物采摘机器人配置多个采摘机器手，如附图4和附图5所示；在配置多个所述的基于气动人工肌肉的采摘管道情况时，根据农作物生长高度不同采用不同的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的长度，以满足生长在某一个高度区域内农作物的高效采摘；为了满足不同颗粒状农作物的采摘，所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘通道9根据不同的采摘农作物对象颗粒大小进行设计，采摘通道9中的最小口径略大于采摘对象的最大直径，最小口径Φ rmin设计计算方法用公式(2)表示，40mm> Φ rmin_ Φ omax 彡 20mm(2)式中，φΜ η为采摘通道的最小口径、Φ_χ为采摘对象的最大直径；对于柔性颗粒状农作物，如棉桃等适当缩小公式(2)的限制范围值；所述的脉冲式真空发生模块，用于发出一种脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，然后通过所述的基于气动人工肌肉的采摘管道吸入采摘对象，并顺着采摘管道将采摘对象收集到采摘对象容器中，其作用类似于机器手的手指，与机器手配合完成整个采摘动作；所述的脉冲式真空发生模块包括二位三通气阀、气源和喷嘴，所述的气源通过气管经所述的二位三通气阀与所述的喷嘴进行连接，所述的喷嘴方向朝着采摘对象容器，当所述的二位三通气阀通电时所述的气源为所述的喷嘴提供压缩空气，根据气体引射原理，这时在采摘管道中形成真空负压；因此通过控制所述的二位三通气阀的开与关，在采摘管道中产生一种脉冲式真空气流，如附图8所示；关于仿生农作物采摘机器人的行走部分，本发明采用四轮行走机器人，其中两个后轮为独立的主动轮，两个前轮为主动导向轮，主动导向轮由小功率高减速的电机驱动，控制导向轮的转角，两个主动轮分别由两个轮毂电机驱动；采摘机器人的行走部分按照电机协调算法把行走部分的运动要求分解为对三个电机的控制命令，最后控制导向轮的转动和两个后轮的差动来实现行走部分的运动；设计时行走部分本体的最大宽度值不能超过垄间狭窄宽度，行走部分本体设计按照工业机器人现有技术规范进行设计；
关于仿生农作物采摘机器人的导航问题、农作物识别和定位问题已经采摘动作的控制问题，都需要由视觉识别技术和控制技术来实现；附图4中11为双目立体全景视觉传感器，12为基于气动人工肌肉的采摘管道，这里简称为采摘机械手，13为采摘对象，这里采摘对象是成熟的棉桃，14为采摘机器人的行走部分，双目立体全景视觉传感器和基于气动人工肌肉的采摘管道均固定在采摘机器人的行走部分的上面，双目立体全景视觉传感器用于获取采摘机器人周围的全景视频信息，双目立体全景视觉传感器通过USB接口与计算和控制设备连接；由于农作物采摘工作的环境往往是非结构的、未知的和不确定的，采摘对象又是随机分布的；因此，在采摘过程中采摘机器人的行走路线不是连接出发点和终点的最短距离，采摘地域环境往往是具有狭窄的范围、较长的距离且遍及整个收获区域；采摘机器人的工作特点是作业、移动同时进行；因此，容易受到作物栽培方式以及采摘过程的影响；这样一方面，要求采摘机器人的行走部分具有灵活性和平稳，能适应于田间松软和垄间狭窄等环境，需要对采摘地域环境进行识别不断地进行避障和路径规划，即自动导航问题 ’另一方面，要根据采摘对象的成熟度进行选择性地采摘，这里就涉及到采摘对象的视觉识别和定位问题；
关于自动导航问题，我们将采用基于全景视觉的自动导航技术来实现；关于采摘对象的视觉识别和定位问题，我们将采用基于全景立体视觉的识别和定位技术来解决；上述两个相关实现方法将在其他专利文献中披露；下面利用附图4和附图8来具体描述在识别和定位采摘对象后本发明提出的农作物采摘机器手的基本工作原理，本发明将双目立体全景视觉传感器中的下面一个全景视觉传感器的视点作为视觉坐标系的原点，并建立\、乙和Zv构成的三维全景视觉坐标系；将基于气动人工肌肉的采摘管道与采摘机器人的行走部分固定处的中心作为采摘机械手的坐标原点，并建立Xa、Ya和Za构成的三维机械手运动坐标系；由于双目立体全景视觉传感器和基于气动人工肌肉的采摘管道均固定在采摘机器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三维全景视觉坐标系和三维采摘机械手运动坐标系的几何关系；< Ya =Yv +V(I) W式中，Xa、Ya和Za分别表示三维采摘机械手运动坐标系，\、Yv和Zv分别表示三维全景视觉坐标系，X、y和z分别表示两个坐标系原点之间在三维坐标上的投影距离；实现采摘机械手的三个自由度的控制，本发明中采用分别控制三个空腔的压力(P1, P2, P3)来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲；对于每一组控制压力值(Pl,P2,P3)在采摘机械手的采摘端都会有相应的空间位置坐标值(xa，ya，za);因此，通过实验方法来建立三个空腔的压力值(Pl，p2，P3)与采摘机械手的采摘端的空间位置坐标值(xa, ya, za)的对应关系，我们将这个过程称为标定过程；通过标定建立这样的映射关系后，对于某一个希望的采摘机械手的采摘端的空间位置坐标值(xa，ya, za)就能方便地计算得到所需要的一组控制压力值(Pl，P2，P3);由于用实验方法建立的映射关系是离散的，而空间位置坐标值(xa，ya，za)和空腔的控制压力值(Pl，p2，P3)是连续的变量，因此在计算所需要的一组控制压力值(Pl，p2，P3)时需要采用插值的方式，这里将采摘机械手的采摘端的空间位置划分为若干个空间网格，如果某一个希望的采摘机械手的采摘端的空间位置坐标值并不处在某个空间网格的中心，那么就需要对该空间位置坐标值所处的空间网格以及三个相邻的空间网格进行插值运算，得到三个空腔的准确控制压力值；或者采用神经网络技术来实现空间位置坐标值(xa，ya，za)和空腔的控制压力值(Pl，p2，P3)的映射关系，关于神经网络技术的具体实现方法可参考相关论文和专著；对于每个空腔的压力的控制，本发明采用气动比例压力控制技术来实现，如附图8所示，气源16通过三个比例压力阀19分别与所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔连接，用三个压力传感器20检测所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔内的空气压力，压力传感器20通过A/D转换器与计算和控制设备相连，计算和控制设备通过D/A和功率放大器与比例压力阀19相连；当计算得到某一空腔的控制压力后，计算和控制设备通过D/A输出一个电压量控制比例压力阀19的开口大小，以调节空腔内的空气压力，同时压力传感器20检测该空腔内的空气压力，如果空腔内的空气压力恒定在期望控制压力范围内时控制比例压力阀19关闭以保持空腔内的空气压力在期望值内；因此，采摘机械手的控制将分解为三个空腔内空气压力的比例控制；
当采摘机械手的采摘端已经对准采摘对象时，计算和控制设备通过I/O接口触发所述的脉冲式真空发生模块，发出一种脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，采摘对象顺着采摘管道将采摘对象收集到采摘对象容器中；为了提高采摘效率，在采摘机器人的行走部分的上面能配置多个采摘机器手，其机械手的长度，即基于气动人工肌肉的采摘管道的长度也可以配置的不同，以满足不同生长高度范围内农作物的高效采摘，如附图5在采摘机器人的行走部分的上面左右两侧分别配置了相同长度的基于气动人工肌肉的采摘管道。关于用于采摘对象的识别和定位的双目立体全景视觉传感器及智能视频分析子系统和用于完成路径规划和避障任务的双目立体全景视觉传感器及自主导航子系统，将在今后的其他专利文件中披露详细技术方案。
权利要求
1.一种仿生农作物采摘机器人，其特征在于包括基于气动人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道内空腔的空气压力发生器，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行控制的气动压力比例控制阀，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行检测的压力传感器，用于对各气动压力比例控制阀进行协调控制的气动压力比例控制器，用于吸入采摘对象的脉冲式真空发生模块，用于控制执行采摘动作的采摘控制子系统，用于收集采摘对象容器，用于进行智能视频分析、自主导航和控制基于气动人工肌肉的采摘管道动作的微处理器和用于在采摘农作物区域内行走的采摘机器人的行走部分，其中， 所述的双目立体全景视觉传感器，用于获取仿生农作物采摘机器人周边的全景立体视觉视频图像，与所述的微处理器连接； 所述的采摘控制子系统，用以控制所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个自由度的动作，使得采摘口对准采摘对象；当采摘口对准采摘对象时控制所述的脉冲式真空发生模块动作产生脉冲式真空气流将采摘对象吸入到采摘管道中； 所述的微处理器包括全景立体图像获取单元、自主导航子系统和智能视频分析子系统， 所述的全景立体图像获取单元，用于获取初始化信息和全景立体视频图像； 所述的自主导航子系统，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，解析仿生农作物采摘机器人周围的地域环境，完成路径规划和避障任务； 所述的智能视频分析子系统，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，从全景立体视觉视频图像中解析出采摘对象的成熟度、大小以及所处的空间位置，为精细化、智能化采摘提供采摘口的空间位置信息。
2.如权利要求I所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的基于气动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状，管内分隔成三个互成120°的扇形柱状空腔，通过分别控制三个空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，实现三个自由度的控制；在所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的内外管壁的橡胶基体中，夹有芳香族聚酰胺增强纤维，纤维走向与肌肉的轴向有一夹角α，考虑到所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的柔软性，将夹角α设计为70° 10° ;这样由于纤维单方向增强效果的影响，沿垂直于纤维方向的变形比沿纤维方向变形容易得多； 将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道分成若干个部件，包括管道终端、管道终端密封体、管道本体、管道连接密封体、管道连接法兰和通气管；其组装过程是首先，将所述的管道终端密封体插入所述的管道本体的一端，接着将所述的管道终端盖住所述的管道终端密封体并用自攻螺钉将所述的管道终端密封体和所述的管道本体的一端固定在一起；将所述的管道连接密封体插入所述的管道本体的另一端，接着将所述的管道连接法兰的三个孔对准所述的管道连接密封体的三个孔并盖住，然后将所述的管道连接密封体和所述的管道本体的另一端固定连接在一起，最后将三根通气管分别插入所述的管道连接法兰的三个孔中；组装后的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的采摘通道是上下连通的；所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔只与三根通气管分别对应连通，空腔与外界保持密封状态。
3.如权利要求I或2所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的基于气动人工肌肉的采摘管道拼接成不同的长度，在连接两个所述的管道本体的连接处，分别将两个所述的管道连接密封体插入所述的管道本体的连接端，然后所述的管道连接法兰的三个孔对准所述的管道连接密封体的三个孔并盖住，然后用自攻螺钉将所述的管道连接密封体和所述的管道本体的另一端固定连接在一起，最后将三根所述的通气管分别插入所述的管道连接法兰的三个孔中，这样两个连接在一起的所述的管道本体中所对应的空腔是连通的，最后将两个背靠背的所述的管道连接法兰用螺钉进行固定连接；所述的通气管、所述的管道连接法兰和所述的管道终端由塑料材料模具压制而成，所述的管道终端密封体和所述的管道连接密封体由橡胶材料模具压制而成；所述的管道终端的入口成喇叭型。
4.如权利要求I或2所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘通道根据不同的采摘农作物对象颗粒大小进行设计，采摘通道中的最小口径略大于采摘对象的最大直径，最小口径Φ rmin设计计算方法用公式(2)表示， 40mm> Φ rmin- Φ omax ≥ 20mm(2 ) 式中，Φ_η为采摘通道的最小口径、Φ_χ为采摘对象的最大直径；对于柔性颗粒状农作物，如棉桃等适当缩小公式(2)的限制范围值。
5.如权利要求I或2所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的脉冲式真空发生模块，用于发出一种脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，然后通过所述的基于气动人工肌肉的采摘管道吸入采摘对象，并顺着采摘管道将采摘对象收集到采摘对象容器中，其作用类似于机器手的手指，与机器手配合完成整个采摘动作；所述的脉冲式真空发生模块包括二位三通气阀、气源和喷嘴，所述的气源通过气管经所述的二位三通气阀与所述的喷嘴进行连接，所述的喷嘴方向朝着采摘对象容器，当所述的二位三通气阀通电时所述的气源为所述的喷嘴提供压缩空气，根据气体引射原理，这时在采摘管道中形成真空负压；通过控制所述的二位三通气阀的开与关，在采摘管道中产生一种脉冲式真空气流。
6.如权利要求I或2所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的采摘控制子系统，需要将所述的双目立体全景视觉传感器及智能视频分析子系统识别和定位后的采摘对象的空间位置与所述的采摘控制子系统控制的采摘口对准采摘对象空间位置之间建立映射关系；这里将所述的双目立体全景视觉传感器中的下面一个全景视觉传感器的视点作为视觉坐标系的原点，并建立\、乙和Zv构成的三维全景视觉坐标系；将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道与采摘机器人的行走部分固定处的中心作为采摘机械手的坐标原点，并建立Xa、Ya和Za构成的三维机械手运动坐标系；由于双目立体全景视觉传感器和基于气动人工肌肉的采摘管道均固定在采摘机器人的行走部分的上面，因此，用公式(I)建立三维全景视觉坐标系和三维采摘机械手运动坐标系的几何关系； 式中，Xa、Ya和Za分别表示三维采摘机械手运动坐标系，\、Yv和Zv分别表示三维全景视觉坐标系，X、y和Z分别表示两个坐标系原点之间在三维坐标上的投影距离。
7.如权利要求6所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的采摘控制子系统，采用分别控制所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔的压力(P1, P2，P3)来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲；对于每一组控制压力值(P1, P2, P3)在所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端都会有相应的空间位置坐标值(xa，ya，za)；因此，通过实验方法来建立所述的基于气动人工肌肉的采摘管道中的三个空腔的压力值(Pl,P2,P3)与所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值(xa，ya，za)的对应关系，我们将这个过程称为标定过程；通过标定建立这样的映射关系后，对于某一个希望的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值(xa，ya，za)就能方便地计算得到所需要的一组所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔的控制压力值(P1, p2，P3);由于用实验方法建立的映射关系是离散的，而空间位置坐标值(xa，ya，za)和空腔的控制压力值(Pl，p2，P3)是连续的变量，因此在计算所需要的一组控制压力值(Pl,P2,P3)时需要采用插值的方式，这里将所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置划分为若干个空间网格，如果某一个希望的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端的空间位置坐标值并不处在某个空间网格的中心，那么就需要对该空间位置坐标值所处的空间网格以及三个相邻的空间网格进行插值运算，得到三个空腔的准确控制压力值；或者采用神经网络技术来实现空间位置坐标值(xa，ya，za)和空腔的控制压力值(Pd Ρ2 P3)的映射关系。
8.如权利要求6所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲控制采用气动比例压力控制技术来实现；气源通过三个比例压力阀分别与所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔连接，用三个压力传感器检测所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的三个空腔内的空气压力，压力传感器通过A/D转换器与计算和控制设备相连，计算和控制设备通过D/A和功率放大器与比例压力阀相连；当计算得到某一空腔的控制压力后，计算和控制设备通过D/A输出一个电压量控制比例压力阀的开口大小，以调节空腔内的空气压力，同时压力传感器检测该空腔内的空气压力，如果空腔内的空气压力恒定在期望控制压力范围内时控制比例压力阀关闭以保持空腔内的空气压力在期望值内；因此，所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的控制将分解为三个空腔内空气压力的比例控制。
9.如权利要求I所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于所述的采摘控制子系统，当所述的基于气动人工肌肉的采摘管道的采摘端对准采摘对象时，所述的微处理器通过I/O接口触发所述的脉冲式真空发生模块，发出一种脉冲式真空气流实现对采摘对象的负压吸取采摘，采摘对象顺着所述的基于气动人工肌肉的采摘管道将采摘对象收集到所述的采摘对象容器中。
10.如权利要求I所述的仿生农作物采摘机器人，其特征在于在所述的采摘机器人的行走部分的上面能配置多个所述的基于气动人工肌肉的采摘管道，其长度根据被采摘对象生长高度不同配置方法有所不同，让比较长的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道负责生长在比较高位置上的采摘对象的采摘，让比较短的所述的基于气动人工肌肉的采摘管道负责生长在比较低位置上的采摘对象的采摘，以满足不同生长高度范围内农作物的高效采摘。
全文摘要
一种仿生农作物采摘机器人，包括基于气动人工肌肉的采摘管道，用于通入采摘管道内空腔的空气压力发生器，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行控制的气动压力比例控制阀，用于对通入各采摘管道内空腔的空气压力进行检测的压力传感器，用于对各气动压力比例控制阀进行协调控制的气动压力比例控制器，用于吸入采摘对象的脉冲式真空发生模块，用于控制执行采摘动作的采摘控制子系统，用于收集采摘对象容器，用于进行智能视频分析、自主导航和控制基于气动人工肌肉的采摘管道动作的微处理器和用于在采摘农作物区域内行走的采摘机器人的行走部分。本发明自然柔顺性好、机构简单、控制复杂度低、采摘效率高、环境适应性好、制造和维护成本低。
文档编号B25J9/00GK102873675SQ201210347859
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者汤一平, 俞立, 徐建明, 邢科新, 倪洪杰, 陈国定, 欧林林, 余世明, 孙明轩, 何德峰, 董辉 申请人:浙江工业大学