周航等：天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验（2020年第4期）
天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验
周 航，张顺路，翟毅豪，王 松，张春龙*，张俊雄，李 伟
（中国农业大学 工学院，北京 100083）
摘 要：自动化割胶不仅可以把胶工从繁重的体力劳动和恶劣的工作环境中解放出来，还能降低对胶工的技术依赖，极大地提高生产效率。实现非结构环境下作业信息自主获取及割胶位置伺服控制是割胶机器人的关键技术。针对工作环境复杂多变、作业信息叠加交互、目标背景特征相近、亚毫米级作业精度要求等技术难点，本研究以人工橡胶林中橡胶树为割胶对象研发割胶机器人，通过建立割胶轨迹的空间数学模型，规划机器人快速接近和远离操作空间的运动路径；采用双目立体视觉技术获取树干和割线结构参数，融合机器人运动学、机器视觉技术和多传感器反馈控制技术研制了割胶机器人模块化样机。割胶机器人主要由轨道式机器人移动平台、多关节机械臂、双目立体视觉系统和末端执行器等组成。在海南天然橡胶林进行的割胶试验结果表明，在割胶机器人切割1 mm厚的橡胶树皮时，耗皮量误差约为0.28 mm，切割深度误差约为0.49 mm。该研究可为探索天然橡胶树的自动化割胶作业提供技术参考。
关键词：天然橡胶；机器人；轨迹规划；图像处理；信息融合；视觉伺服控制
引文格式
周航, 张顺路, 翟毅豪, 王松, 张春龙, 张俊雄, 李伟. 天然橡胶割胶机器人视觉伺服控制方法与割胶试验[J]. 智慧农业(中英文): 56-64.
ZHOU Hang, ZHANG Shunlu, ZHAI Yihao, WANG Song, ZHANG Chunlong, ZHANG Junxiong, LI Wei. Vision servo control method and tapping experimentof natural rubber tapping robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2 (4): 56-64. (in Chinese with English abstract)
文章图片
图1 局部橡胶林树干
Fig.1 Part of rubber tree trunk
图2 橡胶树树干数学模型
Fig. 2 Mathematical model of rubber tree trunk
图 3 橡胶树树干与机械臂相对位姿
Fig. 3 Relative position and posture of rubber tree trunk and mechanical arm
图 4 割胶机器人作业流程图
Fig. 4 Flow chart of the rubber tapping robot
注：1. 轨道式机器人移动平台 2. 机械臂控制柜 3. 多关节机械臂 4.末端执行器 5.双目立体视觉系统 6.结构光源
图 5 割胶机器人硬件组成
Fig. 5 Hardware composition of rubber tapping robot
注：1.法兰 2.激光测距传感器 U2 3.激光测距传感器 U1 4.上测距 传感器支架 5.割胶刀 6.下测距传感器支架 7.下激光测距传感器 D1 8.手眼相机 9.相机支架 10.环光源
图6 割胶机器人末端执行器
Fig. 6 End-effector of the rubber tapping robot
（a）耗皮量1 mm时的切屑
（b）耗皮量2 mm时的切屑
图7 试验所得切屑样品
Fig. 7 Bark samples obtained from the experiment
（a）切屑宽度测量结果
（b）切屑厚度测量结果
图8 参数设置成（5，1）时的切屑测量结果
Fig.8 Bark measuring results under parameter setting（5，1）
（a）切屑宽度的测量结果
（b）切屑厚度的测量结果
图9 参数设置成（5，2）时的切屑测量结果
Fig.9 Bark measuring results under parameter setting（5，2）
来源：《智慧农业（中英文）》2020年第4期