[发明专利]一种果蔬采摘机器人及其控制方法

权利要求书

1.一种果蔬采摘机器人的控制方法，其特征在于，

所述果蔬采摘机器人，包括移动平台(3)、采摘机械臂(1)、采摘手(7)、控制系统及拖车(6)；

所述的移动平台(3)与拖车(6)连接；所述的移动平台(3)上安装有用于获取果蔬园中全局位置信息的北斗或GPS定位模块、用于获取移动平台(3)姿态信息的电子罗盘模块、用于获取果树信息完成移动平台(3)局部定位的识别测量装置(5)以及用于获取当前待采摘果蔬的eye-to-hand摄像机(2)；

所述的采摘机械臂(1)安装在移动平台(3)上，所述的采摘手(7)安装在采摘机械臂(1)的末端；采摘手(7)边沿安装有获取目标物位姿信息的eye-in-hand摄像机(8)，采摘手(7)安装有采摘果蔬的真空采摘器，真空采摘器通过真空管将果蔬输送到拖车(6)上；

所述的采摘机械臂(1)为三自由度串联结构，包括三个串联的关节，第一关节(10)由垂直于移动平台(3)上安装平面的移动副构成，第二关节(11)、第三关节(12)为转动副，转动副的转动轴线与第一关节(10)移动副的移动方向平行，用于调节采摘手(7)相对于移动平台(3)的位置；

所述的采摘手(7)为三自由度并联结构，包括动平台(18)、定平台(20)和三条主动支链，动平台(18)和定平台(20)为中空的圆环，eye-in-hand摄像机(8)安装在动平台(18)上边沿；真空采摘器安装在动平台(18)中空部分；三条主动支链在动、定平台上均匀分布，主动支链由伺服电动缸(19)构成，伺服电动缸(19)一端通过球铰链(21)与定平台(20)连接，伺服电动缸(19)另一端通过转动铰链(17)与动平台(18)连接；定平台(20)固定在采摘机械臂(1)的末端；

所述的识别测量装置(5)包括：导航摄像机、测距传感器、步进电机和霍尔传感器；步进电机和霍尔传感器设置在移动平台上，导航摄像机、测距传感器与步进电机的电机轴连接；霍尔传感器及固定于电机轴上的磁钢用于标记电机零位；

所述的控制系统包括：

计算机或图像处理设备，用于处理所有摄像机的图像信息；

运动控制器，一方面用于获取识别测量装置(5)的处理结果、测距传感器测得的移动平台(3)与果树的距离信息、北斗或GPS定位模块获取的全局位置信息及电子罗盘模块的姿态信息，并依据获得的信息规划移动平台(3)的运动路径，控制移动平台(3)在果园行走；另一方面用于获取eye-to-hand摄像机(2)和eye-in-hand摄像机(8)的图像处理结果，对采摘机械臂(1)和采摘手(7)进行轨迹规划和运动控制，并控制真空采摘器动作，实现果蔬采摘；

控制方法包括以下步骤：

1)控制系统通过处理北斗或GPS定位模块获取的信息判断采摘机器人是否达到果树行尽头，若没有达到尽头，则利用识别测量装置(5)获取采摘机器人相对于果树的局部位置，融合电子罗盘模块的姿态信息实现移动平台(3)的行走控制，使采摘机器人运动；

2)当采摘机器人移至果树旁时，利用eye-to-hand摄像机(2)获取果蔬的分布情况及成熟度信息，对采摘顺序进行规划，并控制采摘机械臂(1)移动至当前需要采摘的果蔬附近；

3)利用eye-in-hand摄像机(8)获取当前果蔬的位姿信息，据此调整采摘手(7)的动平台的位姿，使采摘手(7)正对待采摘果蔬，打开真空采摘器完成果蔬采摘作业；

步骤3)中采摘手(7)的动平台的位姿由下式确定

r＝B_b(i)+l_a(i)·E_a(i)-R·M_m(i),i＝1,2,3

其中，B_b(i)＝R_b·(cosθ_i,sinθ_i,0)^T为定平台铰点在定坐标系下的位矢；R_b为定平台的半径；为点B_b(i),M_m(i)在定、动坐标系下的位置角；l_a(i),E_a(i)分别为主动支链i的杆长和单位矢量；

为动平台相对于定平台的旋转矩阵；M_m(i)＝R_m·(cosθ_i,sinθ_i,0)^T为动平台铰点在动坐标系下的位矢；R_m为动平台半径。