[發明專利]一種橡膠樹的起割點檢測系統及檢測方法

有效

• 申請號: 202110278349.1
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113063349B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 張春龍;周航;張順路;翟毅豪;張俊雄;李偉
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;B25J9/16
• 代理公司: 北京中安信知識產權代理事務所(普通合伙) 11248
• 代理人: 徐林

1.一種利用橡膠樹的起割點檢測系統進行橡膠樹的起割點檢測的檢測方法，其中，

橡膠樹的起割點檢測系統，用于對橡膠樹(1)的起割點進行檢測；在橡膠樹(1)的起割點P_s和中割點P_m處沿著割線豎直布置起割點標記(2)和中割點標記(3)；所述起割點檢測系統包括末端執行器(4)、機械臂本體(5)、底座(6)、激光定位燈(7)和下攝像頭(8)；

所述機械臂本體(5)通過底座(6)安裝在移動車體上；移動車體上安裝有工控機；底座(6)為移動式，能夠在多棵橡膠樹(1)之間移動，承載機械臂本體(5)并為其提供動力；

末端執行器(4)通過法蘭(402)與機械臂本體(5)的末端連接；

末端執行器(4)包括上激光測距傳感器(401)、法蘭(402)、下激光測距傳感器(403)、刀片(404)和眼攝像頭(405)；上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)分別安裝在刀片(404)的上方和下方，上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)的激光的發射方向垂直于法蘭(402)的法蘭面向外；上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)的激光點和刀片(404)的刀尖點在豎直方向上三點共線；上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)檢測深度信息，即末端執行器(4)的進刀量f；眼攝像頭(405)安裝在刀片(404)的運動方向的前方，眼攝像頭(405)的光軸與刀片(404)的刀尖點位于同一水平線上；

激光定位燈(7)安裝在機械臂本體(5)的第二關節中心線上，指向機械臂本體(5)前方，即橡膠樹(1)的方向；下攝像頭(8)布置在機械臂本體(5)的位于第二關節上方的第三關節上，向下俯視30°，其高度能夠捕捉到橡膠樹割線，即橡膠樹割線位置在下攝像頭(8)的有效視野范圍內；

其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1)底座(6)在工控機的控制下移動至橡膠樹(1)的正前方，機械臂本體(5)對準橡膠樹(1)，激光定位燈(7)對準橡膠樹(1)的中心軸線；在開始割膠作業前，人工測量橡膠樹(1)的樹干周長C；根據公式1計算樹干半徑R和割線導程P；

其中，R為樹干半徑，單位為mm；C為樹干周長，單位為mm；γ為割線斜度，單位為°；P為割線導程，單位為mm；

為了減少樹干表面的不良影響，提高檢測效率，分別在橡膠樹(1)的起割點P_s和中割點P_m處沿著割線與橡膠樹(1)的軸線平行布置起割點標記(2)和中割點標記(3)；

2)開始割膠作業時，底座(6)上的機械臂本體(5)處于豎直零位姿態；在所述豎直零位姿態，上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)處于水平狀態，激光點對準橡膠樹(1)；激光定位燈(7)處于水平狀態，對準橡膠樹(1)；下攝像頭(8)向下俯視30°，捕捉割線位置；激光定位燈(7)發出豎線激光，與橡膠樹(1)的軸線重合，與割線的交點即為中割點P_m；中割點P_m表示割線的中間點；下攝像頭(8)采集中割點P_m圖像，并在工控機中與預設的圖像處理模板比較，進行特征點匹配；以中割點P_m坐標來表征橡膠樹(1)的空間位置；對中割點P_m進行眼到手變換，將中割點P_m由相機坐標系轉換到機械臂基坐標系下；

根據在橡膠樹幾何模型中建立的中割點P_m與起割點P_s的幾何位置關系，計算出起割點P_s的估計位置(X_s,Y_s,Z_s)；

式中，R為樹干半徑，單位為mm；d為刀片（ 404） 與橡膠樹（ 1） 表面的安全距離，單位為mm；P為割線導程，單位為mm；X_m,Y_m,Z_m分別為中割點P_m的X坐標、Y坐標和Z坐標，單位為mm；

3)由工控機規劃機械臂本體(5)軌跡，末端執行器(4)在機械臂本體(5)的帶動下移動至靠近起割點P_s的估計位置(X_s,Y_s,Z_s)處；眼攝像頭(405)記錄起割點P_s處圖像；對起割點P_s坐標進行眼在手變換，將起割點P_s的空間位置坐標由相機坐標系轉換到機械臂末端坐標系下；為了準確測量刀片(404)與起割點P_s的相對偏差，同時避免末端執行器(4)在尋找起割點時剮蹭樹皮甚至與樹干發生碰撞，先檢測圖像中的實際刀尖點，再通過設立虛擬刀尖點替代實際刀尖點來進行起割點P_s的檢測；同時由上激光測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)的檢測值來控制末端執行器(4)和橡膠樹(1)的徑向距離；

實際刀尖點的檢測通過檢測刀片(404)的下邊緣直線和右邊緣直線得到；刀片(404)的下邊緣直線和右邊緣直線的直線方程為：

其中：x₁、y₁、x₂、y₂為常數；u_d,v_d為刀片(404)的下邊緣直線上點的亞像素坐標，u_r,v_r為刀片(404)的右邊緣直線上點的亞像素坐標，單位均為pixel；

刀片(404)的下邊緣直線和右邊緣直線的直線方程的交點即為實際刀尖點的亞像素坐標(u_k,v_k)；虛擬刀尖點的設置為實際刀尖點正前方10mm；

在圖像中，虛擬刀尖點與實際刀尖點的相對位置固定；先手動控制實際刀尖點與起割點重合，再控制機械臂本體(5)帶動末端執行器(4)沿機械臂基座坐標系的X軸正方向移動10mm，將圖像中此時的起割點作為虛擬刀尖點，坐標為(u_k’,v_k’)；

計算虛擬刀尖點和起割點P_s的相對偏差Δ，不斷調整機械臂本體(5)的位姿，減小相對偏差Δ；起割點P_s的坐標是(u_s,v_s)；則

其中，u_k’,v_k’分別為虛擬刀尖點的橫坐標和縱坐標，單位為mm；u_s,v_s分別為起割點P_s的橫坐標和縱坐標，單位為mm；Δ為虛擬刀尖點和起割點P_s的相對偏差，單位為mm；

同時控制上測距傳感器(401)和下激光測距傳感器(403)檢測到的深度信息即進刀量f在精度范圍內，確保刀片(404)貼近橡膠樹(1)；

4)當虛擬刀尖點和起割點P_s重合并且深度信息即進刀量f在精度范圍內時，起割點檢測完成；獲得起割點P_s的精確位置；以當前位姿作為機械臂本體(5)進行割膠螺旋運動的起始位姿，更新螺旋軌跡參數。