【文章內(nèi)容簡介】 析特征，能同時(shí)給出圖像信號(hào)的時(shí)域和頻域信息，能有效檢測(cè)圖像的邊緣，應(yīng)用前景較好。(2) 視覺傳感器與非視覺傳感器融合在采摘機(jī)器人視覺感知過程中，二維圖像的處理必然涉及視覺不適定問題的求解，引入非視覺傳感器的輔助支持是求解不適定問題的有力手段，如將視覺傳感器與PSD測(cè)距儀或超聲波測(cè)距儀結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的精確定位。通過視覺傳感器與非視覺傳感器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以大大提高采摘機(jī)器人的感知功能。(3) 采用主動(dòng)光源的視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)根據(jù)圖像采集的需要，自行發(fā)出具有特定特征的光源，可以在一定程度上改善圖像質(zhì)量。(4) 改變作物的培育模式日本在黃瓜采摘機(jī)器人研究項(xiàng)目中，采用傾斜的培育系統(tǒng)，將黃瓜和葉、莖分開，便于采摘機(jī)器人的視覺定位和采摘。通過降低作物生長環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和復(fù)雜性，提高采摘成功率，葡萄種植中也采用了類似的培育系統(tǒng)。(5) 采用開放式控制系統(tǒng)目前采摘機(jī)器人，甚至整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究都是沿襲工業(yè)機(jī)器人的研究思路。機(jī)器人采用專用的控制系統(tǒng)、專用編程語言和專用的機(jī)械結(jié)構(gòu)。專用控制系統(tǒng)基本是封閉式的，這種控制系統(tǒng)使機(jī)器人的可擴(kuò)展性、靈活性都受到很大的限制。采摘機(jī)器人采用開放式控制系統(tǒng)，使機(jī)器人具有良好的可擴(kuò)展性、靈活性和可重構(gòu)性。機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，不僅可以迅速構(gòu)建新的機(jī)器人系統(tǒng)，減少開發(fā)時(shí)間和成本，還可以減少對(duì)用戶的培訓(xùn)。 本文主要研究內(nèi)容及研究意義 本文主要研究內(nèi)容：(1) 研究果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，研究運(yùn)動(dòng)正解與反解建模方法。(2) 果樹采摘機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)果樹采摘機(jī)器人工作環(huán)境和作業(yè)特點(diǎn)，采用開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。在開放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)果樹采摘機(jī)器人硬件組成部分主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。(3) 采摘機(jī)器人傳感器設(shè)計(jì)。使用視覺傳感器捕獲圖像信息，通過圖像處理得出目標(biāo)果實(shí)的位置信息，為機(jī)器人提供控制信息；位置傳感器用于確定目標(biāo)果實(shí)相對(duì)于末端操作器的位置；設(shè)計(jì)了壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量末端操作器的抓取力，防止果實(shí)的損傷；在機(jī)械臂上安裝了避障傳感器，實(shí)時(shí)感知機(jī)械臂周圍障礙物信息。(4) 根據(jù)果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和機(jī)器人機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，提出在機(jī)器人采摘作業(yè)的初始階段，根據(jù)視覺傳感器獲取的環(huán)境信息，控制機(jī)器人腰部、大臂、小臂的關(guān)節(jié)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以消除攝像頭捕捉到的圖像中目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心與圖像中心的誤差，使機(jī)械臂末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)，實(shí)現(xiàn)初始定位功能。設(shè)計(jì)了PID視覺伺服控制器，實(shí)現(xiàn)果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂控制。分析、研究了關(guān)節(jié)型機(jī)械手避障方法，對(duì)果樹采摘機(jī)器人實(shí)時(shí)避障方法進(jìn)行了探討。(5) 建立了傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器的正確性。利用固高PANamp。TILT兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和實(shí)地拍攝的蘋果圖像，進(jìn)行機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。 本課題研究意義果蔬產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一，近幾十年來，我國果蔬產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)量有大幅度的增長，特別是中國加入WTO以來，增長速度更加明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1993年，我國水果總產(chǎn)量躍居世界第一位，到1996年，其中蘋果和梨的產(chǎn)量仍居世界首位。到2002年，果園面積達(dá)9098千公頃，總產(chǎn)量達(dá)萬噸，分別比年增長223%和456%。其中，蘋果產(chǎn)量2280萬噸，柑橘產(chǎn)量1278萬噸，梨產(chǎn)量974萬噸。中國水果產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的40%。進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，由于加入WTO，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨著世界各地的沖擊和挑戰(zhàn)；另一方面也給我國帶來了一次加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的絕好的機(jī)遇。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)?；?、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的成本必然迅速上升，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象也會(huì)日趨明顯，因而作為高科技的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域變得越來越現(xiàn)實(shí)，果園收獲作業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化成為廣大果農(nóng)們最為關(guān)注的熱點(diǎn)問題。開展果樹采摘機(jī)器人研究，不僅對(duì)于適應(yīng)市場(chǎng)需求、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效率有著一定的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)于跟蹤世界農(nóng)業(yè)新技術(shù)、促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大的歷史意義。第二章 果樹采摘機(jī)器人建模與分析本章主要研究果樹采摘機(jī)器人的相關(guān)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。首先，分析了果樹采摘機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)；其次，研究了攝像機(jī)投影模型和履帶式移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；最后，完成了果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解。 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)本論文是在國家“863”高技術(shù)項(xiàng)目“果樹采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下完成的，果樹采摘機(jī)器人主要包括兩部分：兩自由度的移動(dòng)載體部分和五自由度機(jī)械手部分。移動(dòng)載體為履帶式底盤，加裝了工控機(jī)、電源箱、采摘輔助裝置、多種傳感器；五自由度機(jī)械臂為自行設(shè)計(jì)，由相應(yīng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此開鏈連桿式關(guān)節(jié)型機(jī)器人，機(jī)械臂固定在履帶式行走機(jī)構(gòu)上，作業(yè)時(shí)直接與果實(shí)相接觸的末端操作器固連于機(jī)械臂末端，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 果實(shí)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械臂為PRRRP結(jié)構(gòu)，第一個(gè)自由度為升降自由度，中間三個(gè)自由度為旋轉(zhuǎn)自由度，第五個(gè)自由度為棱柱關(guān)節(jié)。第一個(gè)自由度主要是起抬升機(jī)械臂的作用；第二個(gè)自由度帶動(dòng)機(jī)械臂繞腰部旋轉(zhuǎn)；第三、四個(gè)自由度是旋轉(zhuǎn)軸，起升降末端操作器的作用，中間二、三、四自由度能夠?qū)崿F(xiàn)末端操作器在工作空間中朝向于任意方向；第五個(gè)自由度是伸長自由度，根據(jù)機(jī)器人控制指令，將末端操作器送到作業(yè)對(duì)象的位置，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。機(jī)械手的升降由氣泵驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)完成，能應(yīng)對(duì)采摘過程中遇到較高果樹作物的特殊情況；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、棱柱關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。主要參數(shù)如表21所示。表21 機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)主要參數(shù)關(guān)節(jié)參數(shù)升降臺(tái)腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)機(jī)棱柱關(guān)節(jié)目前越來越多的新型末端操作器應(yīng)用于農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)中，已經(jīng)開發(fā)出帶有手指、吸引器、桶狀、剪刀等各式各樣的末端操作器[1720]，以實(shí)現(xiàn)采摘、移栽、噴霧等生物生產(chǎn)作業(yè)過程。本課題主要研究蘋果采摘機(jī)器人，其作業(yè)對(duì)象單一為蘋果，根據(jù)蘋果的物理屬性和實(shí)際生產(chǎn)中采用掐斷果梗的方法收獲果實(shí)，設(shè)計(jì)了一種勺狀末端操作器，實(shí)際裝置如圖所示。其中，前端為勺狀?yuàn)A持裝置，由方形氣缸驅(qū)動(dòng)其開合，在夾持裝置的一側(cè)裝有旋轉(zhuǎn)切刀，由末端操作器后端的伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，切斷果柄。收獲果實(shí)時(shí)，首先由夾持機(jī)構(gòu)夾住蘋果，再采用旋轉(zhuǎn)刀具切斷果柄。圖22 末端操作器實(shí)物圖 攝像機(jī)投影模型(1) 攝像機(jī)成像原理攝像機(jī)是一種能夠攝取連續(xù)視頻圖像的設(shè)備，幾何成像主要分為三類：透視投影(或稱中心射影)成像、仿射投影與正射投影成像。透視投影[21]比較簡單、實(shí)用，已經(jīng)得到公認(rèn)并被普遍采納，本文采用的就是該模型。一般情況下，可以將透視投影中的成像設(shè)備—攝像機(jī)線性化，等效為小孔成像模型。從簡化的幾何光學(xué)出發(fā)，物體的正常透視投影成像如圖23所示。然而人們?yōu)榱擞?jì)算上的方便，在保持?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系不變的前提下，通常采用與場(chǎng)景同向的正立虛像成像平面幾何模型，在選取合適的坐標(biāo)系后，其計(jì)算模型如圖24所示。 圖 23 小孔成像系統(tǒng)模型 圖 24 成像系統(tǒng)計(jì)算模型圖24中的點(diǎn)為攝像機(jī)光心，軸為攝像機(jī)的光軸，它與成像平面垂直。軸和軸分別與圖像平面的軸和軸平行，光軸與圖像平面的交點(diǎn)即為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)。光心到焦平面的距離稱為焦距，圖中為空間點(diǎn)在圖像平面上的投影。(2) 圖像平面坐標(biāo)系設(shè)(u,v)是以像素為單位的以點(diǎn)為原點(diǎn)的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)，(x,y)是以物理單位(毫米)表示的圖像坐標(biāo)系，如圖25所示。在坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系以圖像內(nèi)某一點(diǎn)為原點(diǎn)，定義為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，軸分別與軸平行。每一個(gè)像素在x軸與y軸方向的物理尺寸為dx與dy（單位為mm/像素）。則兩個(gè)坐標(biāo)系存在如下關(guān)系： (21) 若取兩原點(diǎn)重合，則有： ， (22) 圖26 圖像平面變換(3) 攝像機(jī)模型我們將攝像機(jī)線性化，等效為小孔成像模型，根據(jù)前面的成像系統(tǒng)計(jì)算模型知，若空間點(diǎn)坐標(biāo)為P(X,Y,Z)，圖像平面投影點(diǎn)坐標(biāo)為p(x,y)，則兩者存在如下關(guān)系： (23) 由(21)(23)可建立以像素為單位的圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，即： (24)其中Mf代表像素與空間長度的轉(zhuǎn)換因子，單位為像素/mm。 履帶式移動(dòng)平臺(tái)模型本課題所研究的移動(dòng)車體由剛性車體和剛性履帶組成，移動(dòng)車體的左右兩邊的履帶模型可以簡化為兩輪模型，且車體模型在忽略了一些如延遲、變形等作用的情況下，作了如下假設(shè)：1) 剛性車體在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)2) 車體的運(yùn)動(dòng)速度較低，低于3) 忽略車體的縱向滑動(dòng)4) 車胎受到的橫向力垂直于其縱向負(fù)載在對(duì)果樹采摘機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，即為移動(dòng)平臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)彎的情況；當(dāng)時(shí)，則移動(dòng)平臺(tái)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)彎；當(dāng)=時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)。因此，這里以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)彎的情況為例，具體分析如下：移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)可以由三個(gè)參數(shù)確定：移動(dòng)平臺(tái)中心的坐標(biāo)位置和移動(dòng)平臺(tái)的航向角。,：左右輪轉(zhuǎn)過的角度；：左右兩輪間的距離； ，：左右輪從到達(dá)點(diǎn)所走的距離；：移動(dòng)平臺(tái)從到達(dá)點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑；：中心點(diǎn)到下一點(diǎn)距離；：車輪的半徑；其他符號(hào)如圖26所示。在圖26中，左右輪走過的弧長分別為： (25)通過幾何關(guān)系我們可以得到： (26) 圖26 移動(dòng)平臺(tái)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)示意圖其中為左右兩輪之間的距離，r,如圖 26所示。由上，可得： (27) (28) (29)由如圖所示的幾何關(guān)系可得： (210) (211) (212) 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析果樹采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)以及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)問題，它們之間的關(guān)系如圖 27所示，本文根據(jù)果樹采摘機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，采用幾何算法求解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。圖27 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 在采摘作業(yè)中，采摘機(jī)器人首先要確定目標(biāo)果實(shí)位置信息與機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)系，這個(gè)環(huán)節(jié)有兩部分組成：首先確定目標(biāo)果實(shí)3D坐標(biāo)與其在攝像機(jī)平面上的2D坐標(biāo)之間的關(guān)系；其次確定攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系。圖28所示為機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)系，采摘機(jī)器人的攝像機(jī)采用eyeinhand方式安裝，攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸相互平行，假設(shè)目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為，其在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為。由攝像機(jī)成像基本原理得到目標(biāo)在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的3D坐標(biāo)與其在攝像機(jī)成像平面上的2D坐標(biāo)之間的關(guān)系可有式(24)得出。 圖28 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系可由圖29所示的幾何解法求得[22]：圖29 采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)幾何關(guān)系 (213) (214) (215)式中 、分別為腰部、大臂、小臂的長度；、分別為機(jī)械手臂第二、三、四自由度關(guān)節(jié)角度。在此，設(shè)小臂延伸部分在機(jī)器人初期尋找目標(biāo)果實(shí)過程中是收縮回小臂內(nèi)的。由式(213)、(214)、(215)可以得到目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系的坐標(biāo)與果實(shí)在攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)之間的關(guān)系：=X ， =Y ，=Z (216) 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建立 采用移動(dòng)平臺(tái)的采摘機(jī)器人之所以得到廣泛應(yīng)用，很大的原因是它的靈活性好，可以到達(dá)的空間比較大，當(dāng)單獨(dú)的機(jī)械手不能到達(dá)指定的位置時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)可以通過向x，y方向的混合移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)末端操作器的運(yùn)動(dòng)。因此在知道移動(dòng)平臺(tái)的位移時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)偏移角就是已知的，在進(jìn)行果樹采摘機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解時(shí)，只考慮機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。根據(jù)式（214）可得： (217) 由（215）得： (218)將式（217）、（218）帶入式（213）并平方得： (219)整理（219）得： (220)所以： (221)由（218）得： (222)