基于立体视觉收获机器人障碍物感知及运动学分析

• 作 者: 孙海波
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 立体视觉 采摘机器人 障碍物感知 立体匹配 三维重建 结构设计 运动学分析

随着我国农业生产模式和新技术的发展与应用,农业生产的规模化、多样化和精确化,农业生产作业要求逐渐提高。工业生产的迅速发展,农村劳动力不断向其他产业转移,同时,随着人口的老龄化导致农业劳动力迅速减少,农业生产成本也相应提高。果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节,同时也是保证果品质量的重要阶段。如何提高水果采摘自动化程度,以降低水果收获成本,提升水果品质,增强产品市场竞争力,成为热点研究课题。国内的水果收获方式,基本以人工采摘为主,其费用约占成本的50%～70%。采摘机器人作为农业机器人的重要类型,能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和保证果实适时采收,因而具有很大发展潜力。文章研究了基于立体视觉技术收获机器人采摘过程中障碍物识别与定位,以及收获机器人的结构设计与运动学分析。主要研究内容和方法如下:　　
在对成熟柑橘、树叶、树枝等颜色信息提取分析的基础上,利用RGB系统中的色差分量|R-G|+|R-B|+|G-B|,|R-G|和|G-R|进行Ostu法自适应阈值分割可以识别枝干等障碍物。　　
利用双目立体视觉原理提取树枝空间信息,先采用区域匹配获取立体图像视差图。采用多线段拟合的方法将骨架图像中分枝点断开,形成简单的线图形,简化了树枝三维信息,同时提取树枝骨架图像中的特征点。然后结合视差图像计算树枝骨架特征点的空间坐标,再根据距离图像求取树枝半径信息。　　
介绍了关节型柑橘采摘机器人的结构设计,对关节式柑橘采摘机器人进行了运动学分析,建立了机器人操作臂的几何模型和运动学方程。通过运动学分析求出运动学正解和逆解。在此基础上,采用数值解法求解机器人的工作空间,对采摘机器人进行工作空间仿真分析。运动学方程正解和逆解的实现,为柑橘采摘机器人的精确运动控制奠定了基础。工作空间仿真结果表明设计开发的5自由度采摘机器人能够满足自然场景下柑橘的采摘要求,验证了结构设计的合理性。　　
研究采用立体视觉技术在障碍物的识别定位与重构方面取得了一定的进展,同时在综合考虑采摘作业场景的情况后,对水果采摘机器人的结构设计以及运动学分析方等面进行了深入的研究。研究成果为水果收获机器人实时无损采摘提供技术支持,为进一步研究打下理论基础。