CN110651686A - 一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统 - Google Patents

一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统。所述割胶方法包括：利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息；根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标；根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹；根据所述切割轨迹进行割胶。采用本发明所提供的割胶方法及系统能够降低人工割胶的劳动强度以及提高割胶生产率。

Description

一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统
技术领域
本发明涉及自动割胶领域，特别是涉及一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统。
背景技术
割胶是橡胶生产中最重要的环节，割胶指把橡胶树的外皮和韧皮部割开，使胶乳流出来，橡胶树割胶长达30-40年，割胶的劳动投入占整个橡胶生产劳动总投入的60％以上。割胶技术和割胶制度的好坏，不仅影响橡胶树的产量，甚至影响橡胶树产胶寿命；同时，橡胶树产量与立地环境中的温度、湿度和光照有密切关系，为了保证产胶量，割胶通常都在凌晨进行，繁重的体力加上工作环境的恶劣，导致胶工短缺成为整个天然橡胶产业发展的新常态，严重制约天然橡胶发展，人工割胶的劳动强度大且割胶生产率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统，以解决现有的人工割胶的劳动强度大且割胶生产率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于割胶机械臂的割胶方法，包括：
利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息；
根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；
在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标；
根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹；
根据所述切割轨迹进行割胶。
可选的，所述根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置，具体包括：
根据所述标签位置，利用逆运动学解算确定所述割胶机械臂每个关节的转动角度；
根据所述转动角度控制所述割胶机械臂运动到割胶位置。
可选的，所述在所述割胶位置处，利用深度相机提取橡胶树上刀痕坐标，具体包括：
在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标。
可选的，所述在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标之后，还包括：
利用所述标签以及所述深度相机对所述刀痕坐标进行修正，确定修正后的刀痕坐标。
一种基于割胶机械臂的割胶系统，包括：
标签及标签位置获取模块，用于利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息；
运动模块，用于根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；
刀痕坐标提取模块，用于在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标；
切割轨道构建模块，用于根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹；
割胶模块，用于根据所述切割轨迹进行割胶。
可选的，所述运动模块具体包括：
转动角度确定单元，用于根据所述标签位置，利用逆运动学解算确定所述割胶机械臂每个关节的转动角度；
运动单元，用于根据所述转动角度控制所述割胶机械臂运动到割胶位置。
可选的，所述刀痕坐标提取模块具体包括：
刀痕坐标提取单元，用于在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标。
可选的，还包括：
刀痕坐标提取子单元，用于利用所述标签以及所述深度相机对所述刀痕坐标进行修正，确定修正后的刀痕坐标。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统，根据标签张贴的位置，控制割胶机械臂运动到指定的位置，只需按照需求张贴标签而无需其他改动即可适应不同的割胶需求，在此过程中，仅需人工张贴标签，大大降低了人工割胶的劳动强度；同时，利用深度相机检测刀痕，能适应不同状态树的切割需求，从而有效的提高了割胶劳动的生产率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于割胶机械臂的割胶方法流程图；
图2为本发明所提供的割胶机械臂运动轨迹示意图；
图3为本发明所提供的投影关系示意图；
图4为本发明所提供的基于割胶机械臂的割胶系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于割胶机械臂的割胶方法及系统，能够降低人工割胶的劳动强度以及提高割胶生产率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于割胶机械臂的割胶方法流程图，如图1所示，一种基于割胶机械臂的割胶方法，包括：
步骤101：利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息。
深度相机实时采集彩色图像，计算机根据图像快速准确识别出标签位置并计算出标签相对于相机的位姿；本发明使用的标签为AprilTag标签，是由april实验室开发的一种开源人造特征；april实验室同样提供了位姿解算的方法，此位姿解算精度极高约为0.1mm级别。
步骤102：根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；所述割胶机械臂上设有深度相机。
将固定于机械臂上的深度相机伺服运动到相对于标签的指定位姿(如正前方40cm处)，此运动控制过程可以描述如下：
对机械臂进行伺服控制，需要的信号有，1.机械臂每个关节的转动角度，利用正运动学可用末端操作器相对于基座的位姿表示(ξE)；2.指定的相对位姿(运动的终点，相对于标签的位姿如标签正前方40cm)
Figure BDA0002230745610000041
3.末端操作器与相机的位姿变换关系4.标签相对于相机的位姿关系
Figure BDA0002230745610000043
如图2表示。
欲使相机运动到相对于标签的指定位姿，实质上可以归结为将末端运动到一个对应的位姿，此位姿可用
Figure BDA0002230745610000044
表示，此位姿可由上述提到的四个信号按照下面的公式计算得到：
Figure BDA0002230745610000045
此位姿将由计算机按照逆运动学解算为每个关节的转动角度，以便于机械臂执行。
步骤103：在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标。
深度相机到达指定位置后，继续采集刀痕的彩色图像；计算机根据图像，利用刀痕识别算法，提取构成刀痕的所有像素点的二维像素坐标。
本发明中所使用的刀痕识别方法的步骤如下：
1.应用颜色阈值分割法对图像做二值化。
2.对得到的二值图像进行radon变换，以寻找竖直刀痕和斜刀痕，将两直线的交叉点作为粗略的起刀点位置。
3.利用边缘检测，细化起刀点位置。
4.根据起刀点位置，和斜刀痕斜率使用图像形态学方法提取斜刀痕即最终刀痕。
步骤104：根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹。
根据提取到的二维像素坐标，按照投影关系，读取深度相机测得的深度数据，获得刀痕的一系列三维坐标。所述投影关系为三维物体所反射的光线通过镜头在二维平面上成像过程的数学描述；略去公式推导后，可得图片中一点的像素坐标和其三维空间中的位置(三维坐标)可以写作：
Figure BDA0002230745610000051
式中u，v为像素坐标，f是相机镜头焦距，dx，dy是相机像素大小，u0，v0指像素平面的初始坐标，R，t分别代表相机在世界坐标系下的旋转和位置，xw，yw，zw是三维坐标。
其中除zw外，其他数据均已知数据，其本身可读取深度相机的深度数据获得，求解上述方程即可得到三维坐标。
根据实时测得的标签相对于相机的位姿，对步骤4中获取的三维坐标中的深度值进行修正，利用修正后的三维坐标值构建机械臂末端(切割刀具)切割轨迹。
修正过程可以简述如下：
本发明使用了标签解算位姿和深度相机读取两种方法来获取深度，其中，标签解算位姿的精度高于深度相机的测量精度。
因此，可由相机移动距离及起刀点像素坐标，获得标签中心与起刀点的像素距离(Δp)，根据上述所述投影关系确定三维物体距离在二维平面上的投影距离(Δd)，以此深度值(D)与深度相机读取深度值求均值即为修正后深度值，如图3所示。
步骤105：根据所述切割轨迹进行割胶。
割胶机械臂根据所述切割轨迹，完成割胶作业任务。
图4为本发明所提供的基于割胶机械臂的割胶系统结构图，如图4所示，一种基于割胶机械臂的割胶系统，包括：
标签及标签位置获取模块401，用于利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息。
运动模块402，用于根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；所述割胶机械臂上设有深度相机。
所述运动模块402具体包括：转动角度确定单元，用于根据所述标签位置，利用逆运动学解算确定所述割胶机械臂每个关节的转动角度；运动单元，用于根据所述转动角度控制所述割胶机械臂运动到割胶位置。
刀痕坐标提取模块403，用于在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标。
所述刀痕坐标提取模块403具体包括：刀痕坐标提取单元，用于在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标。
切割轨道构建模块404，用于根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹。
割胶模块405，用于根据所述切割轨迹进行割胶。
本发明还包括：刀痕坐标提取子单元，用于利用所述标签以及所述深度相机对所述刀痕坐标进行修正，确定修正后的刀痕坐标。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于割胶机械臂的割胶方法，其特征在于，包括：
利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息；
根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；
在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标；
根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹；
根据所述切割轨迹进行割胶。
2.根据权利要求1所述的基于割胶机械臂的割胶方法，其特征在于，所述根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置，具体包括：
根据所述标签位置，利用逆运动学解算确定所述割胶机械臂每个关节的转动角度；
根据所述转动角度控制所述割胶机械臂运动到所述割胶位置。
3.根据权利要求1所述的基于割胶机械臂的割胶方法，其特征在于，所述在所述割胶位置处，利用深度相机提取橡胶树上刀痕坐标，具体包括：
在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标。
4.根据权利要求3所述的基于割胶机械臂的割胶方法，其特征在于，所述在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标之后，还包括：
利用所述标签以及所述深度相机对所述刀痕坐标进行修正，确定修正后的刀痕坐标。
5.一种基于割胶机械臂的割胶系统，其特征在于，包括：
标签及标签位置获取模块，用于利用深度相机，获取橡胶树上的标签及标签位置；所述标签为编号信息；
运动模块，用于根据所述标签位置，控制所述割胶机械臂运动到割胶位置；
刀痕坐标提取模块，用于在所述割胶位置处，利用所述深度相机提取橡胶树上刀痕坐标；
切割轨道构建模块，用于根据所述刀痕坐标以及所述标签构建切割轨迹；
割胶模块，用于根据所述切割轨迹进行割胶。
6.根据权利要求5所述的基于割胶机械臂的割胶系统，其特征在于，所述运动模块具体包括：
转动角度确定单元，用于根据所述标签位置，利用逆运动学解算确定所述割胶机械臂每个关节的转动角度；
运动单元，用于根据所述转动角度控制所述割胶机械臂运动到割胶位置。
7.根据权利要求5所述的基于割胶机械臂的割胶系统，其特征在于，所述刀痕坐标提取模块具体包括：
刀痕坐标提取单元，用于在所述割胶位置处，利用刀痕识别算法提取橡胶树上刀痕坐标。
8.根据权利要求7所述的基于割胶机械臂的割胶系统，其特征在于，还包括：
刀痕坐标提取子单元，用于利用所述标签以及所述深度相机对所述刀痕坐标进行修正，确定修正后的刀痕坐标。
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