許 娜，周煒明

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

0 引言

機(jī)器人是人類(lèi)20世紀(jì)偉大的發(fā)明之一，隨著人口、食物供應(yīng)壓力的增加及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的不斷減少，“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”將是一種主流趨勢(shì)。而采摘機(jī)器人在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在“智慧農(nóng)業(yè)”中將是當(dāng)之無(wú)愧的主角?；谏鲜霈F(xiàn)狀，本文結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)與機(jī)械手的運(yùn)作控制技術(shù)，建立了一套具有速度快、準(zhǔn)確性高及可行性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)。

1 模式識(shí)別技術(shù)

模式識(shí)別以計(jì)算機(jī)平臺(tái)為主，借助概率和統(tǒng)計(jì)分析方法，深入研究模式的智能處理，一般將環(huán)境和對(duì)象統(tǒng)稱(chēng)為“模式”。隨著計(jì)算機(jī)、人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)研究的信息處理技術(shù)更加復(fù)雜，而信息處理的整個(gè)過(guò)程就是對(duì)模式的識(shí)別。

模式識(shí)別在智能控制領(lǐng)域，是指在環(huán)境的感知過(guò)程中，如利用攝像機(jī)獲取周邊環(huán)境的圖像信息，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行分析。智能控制的模式識(shí)別理論研究?jī)?nèi)容涵蓋較多，如獲取圖像、預(yù)處理、提取特征信息，以及將特征信息分類(lèi)訓(xùn)練和決策。模式識(shí)別的方法如圖1所示。

圖像采集是指在LED光源的輔助下，CCD攝像機(jī)在觸發(fā)信號(hào)的控制下，獲取目標(biāo)的信息；圖像預(yù)處理是指對(duì)采集到的圖像進(jìn)行增強(qiáng)、消除噪音及平滑等處理；預(yù)處理結(jié)束后，便是提取圖像特征信息，并進(jìn)行分類(lèi)選擇、訓(xùn)練學(xué)習(xí)和決策。特征信息主要有顏色、紋理和形狀等，一般對(duì)顏色和形狀的識(shí)別居多。在模式識(shí)別中，顏色及形狀識(shí)別流程如圖2所示。

圖1 模式識(shí)別的方法

圖2 模式識(shí)別顏色及形狀識(shí)別

模式識(shí)別系統(tǒng)主要由未知類(lèi)別模式分類(lèi)和分類(lèi)器設(shè)計(jì)上、下兩部分組成，上半部完成模式的分類(lèi)，下半部屬于分類(lèi)器設(shè)計(jì)的訓(xùn)練過(guò)程，利用樣品進(jìn)行訓(xùn)練，確定分類(lèi)器的具體參數(shù)，完成分類(lèi)器的設(shè)計(jì)。典型的模式識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與建模

采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)要根據(jù)采摘的對(duì)象進(jìn)行設(shè)定，本文選用多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制，需要根據(jù)機(jī)械手的空間結(jié)構(gòu)，搭建機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后對(duì)其進(jìn)行正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖3 典型模式識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

根據(jù)采摘機(jī)械手建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

建立采摘臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程其實(shí)就是利用齊次變換矩陣表示相鄰兩個(gè)連桿坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。建立采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程主要有以下幾個(gè)步驟：

1)設(shè)定各連桿坐標(biāo)系，列出相應(yīng)參數(shù)；

2)寫(xiě)出各連桿變化；

3)寫(xiě)出機(jī)械手變換矩陣和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

各連桿間的變換矩陣為

(1)

(2)

聯(lián)合式(1)～式(3)，可得末端執(zhí)行器位姿方程為

(3)

(4)

(5)

(6)

其中，(nx,ny,nz)為法線(xiàn)向量；(ox,oy,oz)為并和向量；(ax,ay,az)為接近向量；(px,py,pz)為末端執(zhí)行器的位置。

方程式(4)～式(6)給出了采摘機(jī)械手正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，完整地描述了采摘機(jī)械手相對(duì)于基坐標(biāo)的位置與方位。

2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

采摘機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解有很多種，本文研究采用代數(shù)方法求解。根據(jù)式(2)可以得到采摘機(jī)械手的逆矩陣為

(7)

第1步,求θ1，由式(7)得

-s1px+c1ps=d2

(8)

將式(9)與結(jié)合式(1)、式(2)聯(lián)立可得

s1px-c1py=0

(9)

利用三角代換，解出θ1，即

(10)

第2步，求θ2，則

(11)

第3步，求θ3，則

(12)

分別求出θ4和θ5，最后求出θ6，即

θ6=tan2(s5,c6)

(13)

以上式子就是采摘機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

3 采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)械手的控制，本文基于圖像處理的模式識(shí)別技術(shù)，獲取環(huán)境和目標(biāo)對(duì)象的信息。系統(tǒng)通過(guò)獲取的圖像信息，然后由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，去控制機(jī)械手臂和末端執(zhí)行器與目標(biāo)果實(shí)之間的相對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。其中，處理器采用采用TI公司Sitara系列的AM5728處理器；攝像頭采用SONY公司XC-56系列的CCD攝像機(jī)；舵機(jī)由直流電機(jī)、減速齒輪組、電位器和控制電路組成。采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械手在作業(yè)中，系統(tǒng)首先通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)獲取周?chē)h(huán)境和目標(biāo)果實(shí)的圖像信息，由圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理，然后由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)由CCD相機(jī)、圖像處理器、視頻邏輯卡、AM5728處理器、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，其框架如圖7所示。采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)主控板布局如圖8所示。

圖6 采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)采摘機(jī)械手的控制調(diào)試，基于QT開(kāi)發(fā)了采摘機(jī)械手動(dòng)作調(diào)試上位機(jī)。該上位機(jī)是一種圖形化編程的軟件，通過(guò)軟件可以對(duì)機(jī)械臂的單個(gè)舵機(jī)或全體進(jìn)行統(tǒng)一的參數(shù)更改，如更改舵機(jī)的角度或執(zhí)行時(shí)間，然后生成動(dòng)作組，保存到控制器中。控制器通過(guò)動(dòng)作組調(diào)用指令，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手各個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行。采摘機(jī)械手上位機(jī)框架如圖9所示。上位機(jī)串口設(shè)置窗口如圖10所示。上位機(jī)調(diào)試界面如圖11所示。

圖9 上位機(jī)設(shè)計(jì)框架圖

圖10 上位機(jī)串口設(shè)置窗口

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證采摘機(jī)械手的定位精度、采摘速度和成功率，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。試驗(yàn)在某蘋(píng)果種植園進(jìn)行，采摘對(duì)象為蘋(píng)果果實(shí)。試驗(yàn)中，采摘機(jī)械手對(duì)一個(gè)蘋(píng)果樹(shù)上的果實(shí)進(jìn)行實(shí)際采摘作業(yè)，試驗(yàn)一共測(cè)試3組，每次采摘目標(biāo)是100個(gè)蘋(píng)果。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在3次采摘試驗(yàn)中，100個(gè)采摘目標(biāo)，采摘機(jī)械手正確采摘數(shù)超過(guò)89個(gè)，正確采摘率在89%以上，平均采摘一個(gè)果實(shí)耗時(shí)9s。試驗(yàn)結(jié)果表明：該采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確采摘，正確采摘率為89%，采摘一個(gè)蘋(píng)果耗時(shí)9s，證明該系統(tǒng)的有效性、準(zhǔn)確性和可行性。

5 結(jié)論

闡述了模式識(shí)別技術(shù)的概念和特點(diǎn)并從正、逆運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與建模，最后基于模式識(shí)別中的圖像處理技術(shù)，進(jìn)行控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確采摘，正確采摘率為89%，采摘一個(gè)蘋(píng)果耗時(shí)9s，證明該系統(tǒng)的有效性、準(zhǔn)確性和可行性。