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一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法

更新时间:2024-10-28
一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法 专利申请类型:发明专利;
地区:浙江-杭州;
源自:杭州高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202410220379.0

专利申请(专利权)人:浙江大学
权利人地址:浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号

专利发明(设计)人:周鸣川,刘传杰,曹兴,蒋焕煜,应义斌,张友超

专利摘要:本发明公开了一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法。本发明包括以下步骤:首先在机械臂末端安装有负压抓取机构,构建负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型;然后利用相机拍摄料盘上的待检测小麦种子,获得小麦种子图像并检测获得当前小麦种子的长宽及位置信息;然后将负压抓取机构在种子中心点上方竖直向下移动至预设高度,采集预设高度下负压吸嘴处压力传感器的数值;进而计算获得小麦种子的高度;由当前小麦种子的长宽以及高度组成小麦种子表型信息。本发明通过机器人的运动控制算法和多传感器的配合,可以实现物料的可靠抓取和长宽高三维表型信息获取,解决了基于相机的机械臂只能获取二维图像信息的不足,提升应用场景的普适性。

主权利要求:
1.一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,其特征在于,方法包括以下步骤:
步骤1:机械臂末端安装有负压抓取机构,构建负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型;
步骤2:利用相机拍摄料盘上的待检测小麦种子,获得小麦种子图像,再将小麦种子图像输入到深度学习网络模型中,检测获得当前小麦种子的长宽及位置信息;
步骤3:根据当前小麦种子的位置信息,驱动负压抓取机构到达当前小麦种子的上方;
步骤4:将负压抓取机构竖直向下移动至预设高度,采集预设高度下负压吸嘴处压力传感器的数值;
步骤5:根据预设高度下的负压抓取机构处压力传感器的数值和负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型计算获得吸嘴压缩高度,结合预设高度计算获得当前小麦种子的高度;
步骤6:由当前小麦种子的长宽以及高度组成小麦种子表型信息;
所述负压抓取机构包括安装件(1)、机器人安装座(2)、负压吸嘴(3)和驱动机构(7);机器人安装座(2)通过安装件(1)与机械臂末端固定连接,机器人安装座(2)中安装有负压吸嘴(3)和驱动机构(7),驱动机构(7)与负压吸嘴(3)相连,驱动机构(7)的驱动,控制负压吸嘴(3)绕自身的旋转轴旋转;
所述负压吸嘴(3)包括气管(6)、套筒(31)、轴承(32)、轴套(33)、密封环(34)、上连接轴(35)、空心压力传感器(36)、下连接轴(37)、压紧弹簧(38)和活动吸管(39);套筒(31)固定安装在机器人安装座(2)中,套筒(31)的上部与气管(6)连通,上连接轴(35)的上部通过轴承(32)同轴安装在套筒(31)内,上连接轴(35)的下部伸出机器人安装座(2)并且上连接轴(35)的下部外套设有第二齿轮,第二齿轮与驱动机构(7)连接;上连接轴(35)的下部中安装有空心压力传感器(36),空心压力传感器(36)下安装有下连接轴(37),下连接轴(37)中安装有活动吸管(39),活动吸管(39)在下连接轴(37)内上下运动,活动吸管(39)外设置有凸起缘,凸起缘上的活动吸管(39)外套设有压紧弹簧(38),压紧弹簧(38)的一端与下连接轴(37)的下端面接触,压紧弹簧(38)的另一端与凸起缘接触;套筒(31)、上连接轴(35)、空心压力传感器(36)、下连接轴(37)和活动吸管(39)均中空设置;
所述步骤1中,负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型的公式如下:
式中,Fs为吸嘴末端下压力;θ为活动吸管(39)末端接触点的切线与水平线夹角;fs为活动吸管(39)与下连接轴(37)的动擦力;Fms为活动吸管(39)的重力;Ftan为压紧弹簧(38)的弹力;μxz为活动吸管(39)与下连接轴(37)的静摩擦系数;Fzc为活动吸管(39)与下连接轴(37)水平方向的支持力;k为压紧弹簧(38)的弹性系数;Δxtan为压紧弹簧(38)的变形量。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,其特征在于,所述预设高度为负压抓取机构的负压吸嘴接触料盘上表面并且负压抓取机构的压力传感器数值为零。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,其特征在于,所述步骤3中,利用改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构到达当前小麦种子的上方。
4.根据权利要求3所述的一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,其特征在于,所述步骤3中,改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构运动的过程满足以下公式:θe(t)=θd(t)‑θ(t)
K′p=Kp+ΔKp
K′i=Ki+ΔKi
其中,θ(t)为t时刻负压抓取机构的实际轨迹位置坐标;θd(t)为t时刻负压抓取机构的期望轨迹位置坐标;θe(t)为t时刻负压抓取机构的位置误差;Kp为更新前的比例系数;K′p为更新后的比例系数;Ki为更新前的积分系数;K′i为更新后的积分系数;ΔKp为比例系数变化量;ΔKi为积分系数变化量;
所述比例系数变化量ΔKp和积分系数变化量ΔKi是将负压抓取机构的位置误差输入到模糊控制器中,模糊控制器求解后获得的。
5.根据权利要求1所述的一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,其特征在于,所述驱动机构(7)包括第一齿轮(71)和步进电机(72);步进电机(72)固定安装在机器人安装座(2)中,步进电机(72)的输出轴与第一齿轮(71)同轴固连,第一齿轮(71)与负压吸嘴(3)连接。
6.一种存储介质,存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1~4任一所述的方法。
7.根据权利要求6所述的一种存储介质,其特征在于,其中所述的计算机程序为对应实现权利要求1~4任一所述方法的指令。 说明书 : 一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法技术领域[0001] 本发明涉及小麦种子表型信息计算领域的一种小麦种子表型信息获取方法,具体来说,涉及了一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法。背景技术[0002] 种子的发育受环境因子的调控,种子长度及千粒重均与种子的生长环境呈显著正相关关系,因此种子表型信息在植物种质资源研究中至关重要,但是高精度、高通量的获取小粒种子表型信息一直以来是种子研究的难点之一。传统的光学表型平台只能获取种子的二维平面信息,包括长度、宽度、周长、面积等,丢失了种子的高度信息,为解决此问题,部分科研人员采用对单粒小麦采集序列图像SMF三维重建、3D点云重建等方案获取种子三维信息,但是存在数据处理耗时长、硬件配置要求高等缺陷,制约了信息采集的效率。[0003] 因此,有必要设计一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,以解决上述问题。发明内容[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷与不足,提供一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法,本发明采用一种小型化、高精度的小尺寸负压抓取机构,可实现在物料的调整、搬运流程中对种子表型信息快速获取。[0005] 本发明采用的技术方案是:[0006] 一、一种基于机器人的小麦种子表型信息获取方法[0007] 步骤1:机械臂末端安装有负压抓取机构,构建负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型;[0008] 步骤2:利用相机拍摄料盘上的待检测小麦种子,获得小麦种子图像,再将小麦种子图像输入到深度学习网络模型中,检测获得当前小麦种子的长宽及位置信息;[0009] 步骤3:根据当前小麦种子的位置信息,驱动负压抓取机构到达当前小麦种子的上方;[0010] 步骤4:将负压抓取机构竖直向下移动至预设高度,采集预设高度下负压吸嘴处压力传感器的数值;[0011] 步骤5:根据预设高度下的负压抓取机构处压力传感器的数值和负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型计算获得吸嘴压缩高度,结合预设高度计算获得当前小麦种子的高度;[0012] 步骤6:由当前小麦种子的长宽以及高度组成小麦种子表型信息。[0013] 所述预设高度为负压抓取机构的负压吸嘴接触料盘上表面并且负压抓取机构的压力传感器数值为零。[0014] 所述步骤3中,利用改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构到达当前小麦种子的上方。[0015] 所述步骤3中,改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构运动的过程满足以下公式:[0016][0017] θe(t)=θd(t)‑θ(t)[0018] Kp′=Kp+ΔKp[0019] Ki′=Ki+ΔKi[0020] 其中,θ(t)为t时刻负压抓取机构的实际轨迹位置坐标;θd(t)为t时刻负压抓取机构的期望轨迹位置坐标;θe(t)为t时刻负压抓取机构的位置误差;Kp为更新前的比例系数;Kp′为更新后的比例系数;Ki为更新前的积分系数;Ki′为更新后的积分系数;ΔKp为比例系数变化量;ΔKi为积分系数变化量;[0021] 所述比例系数变化量ΔKp和积分系数变化量ΔKi是将负压抓取机构的位置误差输入到模糊控制器中,模糊控制器求解后获得的。[0022] 所述负压抓取机构包括安装件、机器人安装座、负压吸嘴和驱动机构;机器人安装座通过安装件与机械臂末端固定连接,机器人安装座中安装有负压吸嘴和驱动机构,驱动机构与负压吸嘴相连,驱动机构的驱动,控制负压吸嘴绕自身的旋转轴旋转。[0023] 所述驱动机构包括第一齿轮和步进电机;步进电机固定安装在机器人安装座中,步进电机的输出轴与第一齿轮同轴固连,第一齿轮与负压吸嘴连接。[0024] 所述负压吸嘴包括气管、套筒、轴承、轴套、密封环、上连接轴、空心压力传感器、下连接轴、压紧弹簧和活动吸管;套筒固定安装在机器人安装座中,套筒的上部与气管连通,上连接轴的上部通过轴承同轴安装在套筒内,上连接轴的下部伸出机器人安装座并且上连接轴的下部外套设有第二齿轮,第二齿轮与驱动机构连接;上连接轴的下部中安装有空心压力传感器,空心压力传感器下安装有下连接轴,下连接轴中安装有活动吸管,活动吸管在下连接轴内上下运动,活动吸管外设置有凸起缘,凸起缘上的活动吸管外套设有压紧弹簧,压紧弹簧的一端与下连接轴的下端面接触,压紧弹簧的另一端与凸起缘接触;套筒、上连接轴、空心压力传感器、下连接轴和活动吸管均中空设置。[0025] 所述步骤1中,负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型的公式如下:[0026][0027] 式中,Fs为吸嘴末端下压力;θ为活动吸管末端接触点的切线与水平线夹角;fs为活动吸管与下连接轴的动擦力;Fms为活动吸管的重力;Ftan为压紧弹簧的弹力;μxz为活动吸管与下连接轴的静摩擦系数;Fzc为活动吸管与下连接轴水平方向的支持力;k为压紧弹簧的弹性系数;Δxtan为压紧弹簧的变形量。[0028] 二、一种存储介质[0029] 所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法。[0030] 所述的计算机程序为对应实现所述方法的指令。[0031] 本发明的有益效果是:[0032] 1、本发明中的一种负压抓取机构体积小巧,可安装于多种结构形式机械臂,机构自身具备1维自由度,增加了机械臂的灵活性,提升应用场景的普适性。[0033] 2、本发明中的一种负压抓取机构末端机构通过机器人的运动控制算法和多传感器的融合,可以实现物料的可靠抓取和长宽高三维表型信息获取,解决了基于RGB相机的机械臂只能获取二维图像信息的不足。附图说明[0034] 图1为负压抓取机构的结构示意图。[0035] 图2为负压抓取机构的爆炸结构示意图。[0036] 图3为负压抓取机构的内部剖视图。[0037] 图4为负压抓取机构的流程图。[0038] 图5为机械臂运动控制算法示意图。[0039] 图6为负压吸嘴的力学示意图。[0040] 图7为负压吸嘴抓取时的种子力学示意图。[0041] 图8显示为本发明中的传感器工作范围内的位移‑压力传感器示数拟合线。[0042] 图中:1、安装件;2、机器人安装座;3、负压吸嘴;4、顶盖;5、相机安装孔;6、气管;7、驱动机构;11、安装板;12、连接块;31、套筒;32、轴承;33、轴套;34、密封环;35、上连接轴;36、空心压力传感器;37、下连接轴;38、压紧弹簧;39、活动吸管;71、第一齿轮;72、步进电机;73、旋钮。具体实施方式[0043] 下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。[0044] 如图1、图2和图3所示,负压抓取机构包括安装件1、机器人安装座2、负压吸嘴3和驱动机构7;机器人安装座2的侧面设置有相机安装孔5,相机安装孔5内还设置有相机,用于采集小麦种子的图像信息。相机安装孔5为圆柱形开孔,其开孔直径大于相机机身的直径0.5‑1mm;圆柱形开孔轴线与负压吸嘴3的旋转轴轴线相交,且与水平面呈80°的夹角。机器人安装座2通过安装件1与机械臂末端固定连接,具体地,安装板11与机器人安装座2固定连接,安装板11通过连接块12与机械臂末端固定连接;连接块为长方体结构12,前后方向有两条贯穿的M4的螺纹孔,两颗螺钉穿过安装板与其连接,左右方向有两条贯穿的M3的螺纹孔,分别由四颗螺钉穿过腔体的开孔与其连接,从而使安装板11、连接块12、腔体2三者形成稳固的整体。机器人安装座2中安装有负压吸嘴3和驱动机构7,机器人安装座2的顶部设置有顶盖4;驱动机构7与负压吸嘴3相连,驱动机构7的驱动,控制负压吸嘴3绕自身的旋转轴旋转,即负压吸嘴3沿吸取中心灵活转动,用于调整小麦种子位姿。[0045] 驱动机构7包括第一齿轮71、旋钮73和步进电机72;步进电机72固定安装在机器人安装座2中,步进电机72上安装有旋钮73,步进电机72的输出轴与第一齿轮71同轴固连,第一齿轮71与负压吸嘴3的上连接轴35外的第二齿轮啮合连接。[0046] 负压吸嘴3包括气管6、套筒31、轴承32、轴套33、密封环34、上连接轴35、空心压力传感器36、下连接轴37、压紧弹簧38和活动吸管39;套筒31固定安装在机器人安装座2中,套筒31的上部与气管6连通,上连接轴35的上部通过轴承32、轴套33和密封环34同轴安装在套筒31内,上连接轴35的下部伸出机器人安装座2并且上连接轴35的下部外套设有第二齿轮,第二齿轮与驱动机构7的第一齿轮啮合连接;上连接轴35的下部中安装有空心压力传感器36,空心压力传感器36下安装有下连接轴37,下连接轴37中安装有活动吸管39,活动吸管39在下连接轴37内上下运动,活动吸管39外设置有凸起缘,凸起缘上的活动吸管39外套设有压紧弹簧38,压紧弹簧38的一端与下连接轴37的下端面接触,压紧弹簧38的另一端与凸起缘接触;套筒31、上连接轴35、空心压力传感器36、下连接轴37和活动吸管39均中空设置,气管6与外置负压气源相连接,提供抓取所需负压力。[0047] 本发明提供了一种负压抓取机构,负压吸嘴用于吸取物料,驱动机构使用一对啮合的齿轮结构驱动抓取机构沿吸取中心灵活转动,内部安装小型相机,采集小麦种子图像信息。[0048] 如图4所示,在本实施例中,方法包括以下步骤:[0049] 步骤1:机械臂末端安装有负压抓取机构,构建负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型;[0050] 如图6所示,吸嘴末端下压力与压缩高度(弹簧变形量)力学模型的公式如下:[0051][0052] 式中,Fs为吸嘴末端下压力,N;θ为吸嘴末端接触点切线与水平线夹角,°;fs为活动吸管与下连接轴的动擦力,N;Fms为活动吸管的重力,N;Ftan为压紧弹簧的弹力,N;μxz为活动吸管与下连接轴的静摩擦系数;Fzc为活动吸管与下连接轴水平方向的支持力;k为压紧弹簧弹性系数;Δxtan为压紧弹簧的变形量。[0053] 可知 吸嘴末端下压力与压缩高度为线性关系;[0054] 步骤1中,负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型的求解公式如下:[0055] S=∑(aΔxi+b‑Fi)2[0056][0057][0058] 其中,S为压力残差,Δxi表示负压抓取机构在预设高度时吸嘴的第i个压缩高度,Fi表示吸嘴的第i个压缩高度下的压力传感器数值;a和b分别为第一结构系数和第二结构系数;[0059] 预设高度为料盘上不放置种子,负压抓取机构处的吸嘴刚好接触料盘上表面并且负压抓取机构的压力传感器数值为零。[0060] 具体实施中,负压抓取机构保持在预设高度,在吸嘴和料盘之间依次垫入1mm、2mm……、5mm的量块,将量块的高度作为压缩高度[Δx1、Δx2、……、Δx5],并分别记录对应的压力传感器数值,[F1、F2、…F5]。根据压缩高度[Δx1、Δx2、……、Δx5]和压力传感器数值,利用最小二乘法计算获得负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型的具体表达式,如图8所示。[0061] 步骤2:利用相机拍摄料盘上的待检测小麦种子,获得小麦种子图像,再将小麦种子图像输入到深度学习网络模型中,检测获得当前小麦种子的长宽、中心点以及位置信息;[0062] 步骤3:相机与机械臂之间已进行空间标定。根据当前小麦种子的中心点以及位置信息,驱动负压抓取机构到达当前小麦种子的上方,然后将负压抓取机构竖直向下移动至预设高度,采集预设高度下负压吸嘴处压力传感器的数值,并将当前小麦种子转移至目标位置;具体实施中,压力传感器数值会通过485通讯传送到机器人主控制器中,机器人主控制器对获取到的压力数据采取无迹卡尔曼滤波器UKF的方法计算获得当前压力值,达到减弱压力检测过程中噪声的干扰,更好地估计测量所得压力值的真实值的效果。[0063] 步骤3中,利用改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构到达当前小麦种子的上方。[0064] 步骤3中,如图5所示,改进的前馈‑反馈控制方法控制负压抓取机构的过程满足以下公式:[0065][0066] θe(t)=θd(t)‑θ(t)[0067] K′p=Kp+ΔKp[0068] K′i=Ki+ΔKi[0069] 其中,θ(t)为t时刻负压抓取机构的实际轨迹位置坐标;θd(t)为t时刻负压抓取机构的期望轨迹位置坐标;θe(t)为t时刻负压抓取机构的位置误差;Kp为更新前的比例系数;K′p为更新后的比例系数;Ki为更新前的积分系数;K′i为更新后的积分系数;ΔKp为比例系数变化量;ΔKi为积分系数变化量;[0070] 比例系数变化量ΔKp和积分系数变化量ΔKi是将负压抓取机构的位置误差输入到模糊控制器中,模糊控制器求解后获得的。[0071] 具体实施中,如图7所示,由于吸嘴末端的移动存在误差Δl,往往无法与物料的重心竖直方向重合,且物料表面存在一定倾角时,过大的下压力可能导致物料偏移,下压力Fsmax临界力学模型的公式如下:[0072][0073] 式中,Fs为吸嘴末端下压力;Fm为物料受到的重力;Fn为料盘提供的支持力;θ为吸嘴末端接触点切线与水平线夹角;f为料盘与种子的静摩擦力;μ为料盘与种子间的静摩擦系数。[0074] 为确保吸嘴与种子密切贴合且不会发生物料偏移,压力阈值应取0.5‑0.7Fsmax。[0075] 机械臂的运动受压力阈值和位置双重约束,机械臂初始坐标距离料盘平面高度H=12.5mm,机械臂会以初速度v0=1mm/s向下匀速运动5s,随后以加速度a=‑1mm/s的减速运动,直至数值到达程序设定的压力阈值或机械臂竖直方向运动速度减为零,机械臂距离料盘位置时刻关系为:[0076][0077] 数值到达程序设定的压力阈值时,机械臂可靠接触到种子,机械臂竖直方向运动速度减为零时,表明机械臂未能可靠接触到种子,此时负压抓取机构吸嘴刚好与料盘相接触,保障了机械臂运行的安全性,做到效率与精度的兼顾。[0078] 步骤4:根据预设高度下的负压抓取机构处压力传感器的数值和负压抓取机构的吸嘴压缩‑力学模型计算获得吸嘴压缩高度,结合预设高度计算获得当前小麦种子的高度;由当前小麦种子的长宽以及高度组成小麦种子表型信息。[0079] 具体实施中,所测量出的小麦种子高度可以表示为:[0080] hseed=Zh+Δx[0081] 对于尺寸表型机器人末端机构位移‑压力进行校准,机械臂精度为10μm量块精度为0.45μm,图8显示为本发明的抓取控制方法于传感器工作范围内的位移‑压力传示数拟合线。[0082] 由最小二乘法计算得到吸嘴压缩‑力学模型为:[0083] Δx=0.0073Fs‑4.075,580[0084] 经检验,吸嘴压缩‑力学模型拟合线与实际测量数据相关系数R2=0.9798,位移‑压力传示数两变量之间存在强正相关关系。[0085] 随机选取小麦种子放置于料盘,测量其估计高度信息,同时与用千分尺(精度0.001mm)所测量得到的种子高度真实值进行对比,得到数据如表1所示:[0086] 表1为本发明测量的种子高度值与种子高度真实值的对比表[0087]编号 估计高度 实际高度 误差(%)1 2.9694 3.021 0.01712 2.5606 2.581 0.00793 3.4366 3.514 0.02204 2.7285 2.921 0.06595 2.9183 2.76 0.05746 3.0132 2.978 0.01187 2.6482 2.872 0.07798 2.838 2.952 0.03869 2.8869 3.014 0.042210 2.9694 2.998 0.009511 2.9475 3.234 0.088612 3.203 3.262 0.018113 3.3344 3.562 0.063914 3.3541 3.59 0.0657平均误差(%) 0.0419[0088] 由此可见,本发明对比小麦种子真实高度值,其平均估计误差仅为4.19%,具有较高的精度,同时具有较快速的检测速度,能够很好地满足高度方向上对种子表型的需求。[0089] 最后所应说明的是,以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

专利地区:浙江

专利申请日期:2024-02-28

专利公开日期:2024-09-03

专利公告号:CN118089549B


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