一种履带式自动割胶机器人控制系统及其使用方法

1.本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种履带式自动割胶机器人控制系统及其使用方法。


背景技术：

2.天然橡胶是一种重要的工业原料和战略资源，在交通、军用工业中尤为重要。天然橡胶的某些性能如高抗冲击、耐穿刺、抗撕裂性能是合成橡胶无法比拟的。目前国内外天然橡胶田间生产机械化程度低，综合机械化水平低于10％，尤其是采胶作业，目前仍属于技术性的纯手工作业，且割胶劳动强度大，愿意从事胶原管理的胶工越来越少。随着未来经济的不断发展，劳动力缺乏将成为常态，橡胶园面临着失管的窘境，已严重制约天然橡胶产业的健康发展。
3.综上所述，如何提供一种操作简单、响应时间快、控制性能稳定的自动割胶机器人控制系统，实现自动进刀和割胶作业，克服人工割胶的困难，已经成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种履带式自动割胶机器人控制系统，包括数据采集模块、导航循迹模块、中央控制单元4、和割胶机器人，所述数据采集模块用于采集外界障碍和割胶状态的信息；所述导航循迹模块用于所述割胶机器人的导航；所述中央控制单元4包括所述数据存储单元和数据处理模块，所述数据处理模块将所述数据采集模块采集的信号处理后发送至所述割胶机器人执行相应避障及割胶作业任务，所述数据存储单元用于将作业数据存储在所述数据存储模块中。
5.优选的，所述割胶机器人包括割胶机械臂、连接平台3、切割机构5和履带式移动底盘，所述割胶机械臂通过连接平台3与所述履带式移动底盘固定连接；所述数据处理模块固定在履带式移动底盘上；所述数据采集模块设置在割胶机械臂上并与所述数据处理模块连接；所述切割机构5设置在所述割胶机械臂末端，由所述割胶机械臂带动所述切割机构5在橡胶树上进行螺旋运动；所述切割机构5与数据处理模块连接，由数据处理模块控制切割机构5的运动。
6.优选的，所述割胶机械臂包括六自由度机械臂8、步进电机9和机械臂固定平台10，六自由度机械臂8与所述中央控制单元4连接，步进电机9用于调节切割轨迹，机械臂固定平台10用于固定六自由度机械臂8的位置；
7.所述切割机构5包括仿形割胶轨道501、齿条502、法兰盘503、舵机504、割胶刀505、连接支架508和减速电机509，所述仿形割胶轨道501与齿条502相嵌，法兰盘503与所述六自由度机械臂8非接触面机械连接所述切割机构5，舵机504用于控制割胶刀505与橡胶树树干中心轴线的距离，所述减速电机509设置于连接支架508下方并与所述中央控制单元4连接；减速电机509接受中央控制单元4指令后带动连接支架508沿着仿形割胶轨道501螺旋运动以实现所述割胶刀505沿着橡胶树螺旋形移动割胶；
8.所述履带式移动底盘包括履带底盘1和直流减速电机14，所述直流减速电机14包括左电机和右电机且分别设置在履带底盘1左右两侧，所述履带式移动底盘的内部安装有供电电池2，
9.所述中央控制单元4、割胶机器人均与供电电池2连接。
10.优选的，所述数据采集模块包括压力传感器506、线激光测距传感器507、双目相机6、信号转换电路和激光雷达11，压力传感器506设置在所述割胶刀505下方用于控制割胶耗皮量，线激光测距传感器507设置在所述割胶刀505右侧用于控制割胶深度；所述信号转换电路用于将传感器采集到的信息传输至数据处理模块内；所述激光雷达11和所述双目相机6用于辅助履带式移动底盘在林间行走，所述激光雷达11通过雷达支架12安装履带底盘1上，所述双目相机6通过相机支架7与所述法兰盘503相连。
11.优选的，所述割胶机器人还包括多个驱动器，直流减速电机14、步进电机9、减速电机509和舵机504由相应的驱动器进行控制；所述履带式移动底盘上设有用于在紧急情况时迅速断电使机器停止工作的急停开关13以保障作业安全。
12.优选的，所述供电电池2采用2个12v串联的大容量锂聚合物电池组，组成24v供电电源；所述激光雷达11采用砝石激光雷达fsd-10；所述双目相机6采用usb免驱双目摄像头，型号为ov9732。
13.本发明的目的还在于提供一种履带式自动割胶机器人控制系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.步骤1，启动电源，中央控制单元4初始化，各电机开始复位；
15.步骤2，开启导航循迹模块，割胶机器人在胶林间自主行走并识别橡胶树和切割轨迹；
16.步骤3，开始割胶，完成一次割胶作业。
17.优选的，步骤2的具体步骤包括：
18.步骤21，启动电源，所述履带底盘1自主行走，激光雷达11在行走过程中采集周围信息，并将信息传输给数据处理模块，数据处理模块通过采集的信息控制直流减速电机14的转速和方向，辅助履带底盘1移动和避障，中央控制单元4发出开始指令进行初始化，完成割胶前的准备工作；
19.步骤22，双目相机6对橡胶树进行识别定位，履带底盘1根据扫描到的橡胶树位置进行移动，移动到橡胶树体前时双目相机6开始对切割轨迹的轮廓进行扫描，各电机根据扫描信息运动到割胶初始位置；
20.步骤23，完成一次割胶作业后，激光雷达11和双目相机6采集周围信号传输至所述中央控制单元4中，中央控制单元4根据采集信号构建局部三维点云图辅助履带式割胶机器人移动到下一个橡胶树的位置开始进行割胶作业。
21.优选的，一次割胶作业的过程包括：
22.步进电机9开始正转,控制六自由度机械臂8带动割胶刀505进行进刀动作，进刀的同时线激光测距传感器507开始工作，实时测量进刀深度的信息，并根据信号实时调整电机运行，当割胶刀505符合进到深度时继续工作，进刀动作完成；
23.进刀完成后六自由度机械臂8通过控制舵机504带动割胶刀505沿着仿形割胶轨道501进行螺旋运动，开始割胶工作，同时割胶刀505下方的压力传感器506开始工作，实时测
量进刀压力的信息，控制割胶耗皮量；
24.判断割胶刀505是否到达扫描的切割终点，当位于终点时，割胶刀505停止工作，步进电机9反转，割胶刀505进行退刀动作，各电机进行复位，完成一次割胶过程。
25.优选的，舵机504采用伺服无刷电机，运动角度为0
°
～180
°
。
26.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
27.1)本发明在一定程度上克服了人工割胶的困难，系统操作简单，控制稳定；
28.2)本发明采用激光雷达和双目相机建立局部三维点云图，辅助移动底盘进行胶园间行走、避障以及对橡胶树体割胶轨迹进行预扫描；
29.3)本发明采用压力传感器和线激光测距传感器对割胶过程进行进刀深度的pid路径修正，有助于割胶机器人控制精细化发展；
30.4)本发明采用履带式移动平台更加适应橡胶园崎岖的地形环境；
31.5)本发明能够减少割胶过程对胶工的依赖程度，有利于提高割胶作业效率，为后续研发割胶机器人提供了一种系统设计的方法。
附图说明
32.图1为本发明控制系统结构示意图；
33.图2为本发明控制系统的控制功能示意图；
34.图3为本发明的一种履带式自动割胶机器人的轴测图；
35.图4为本发明的一种履带式自动割胶机器人中割胶机构的轴测图；
36.图5为本发明的一种履带式自动割胶机器人的控制方法流程图；
37.图6为本发明的导航循迹模块的控制方法流程图；
38.图7为本发明的割胶模块的控制方法流程图。
39.图中附图标记为：
40.1-履带底盘，2-供电电池，3-连接平台，4-中央控制单元，5-切割机构，6-双目相机，7-相机支架，8-六自由度机械臂，9-步进电机，10-机械臂固定平台，11-激光雷达，12-雷达支架，13-急停开关，14-直流减速电机，501-仿形割胶轨道，502-齿条，503-法兰盘，504-舵机，505-割胶刀，506-压力传感器，507-线激光测距传感器，508-连接支架，509-减速电机。
具体实施方式
41.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
42.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的一个宽泛实施例中，一种履带式自动割胶机器人控制系统，包括数据
采集模块、导航循迹模块、中央控制单元4、和割胶机器人，所述数据采集模块用于采集外界障碍和割胶状态的信息；所述导航循迹模块用于所述割胶机器人的导航；所述中央控制单元4包括所述数据存储单元和数据处理模块，所述数据处理模块将所述数据采集模块采集的信号处理后发送至所述割胶机器人执行相应避障及割胶作业任务，所述数据存储单元用于将作业数据存储在所述数据存储模块中。
45.优选的，所述割胶机器人包括割胶机械臂、连接平台3、切割机构5和履带式移动底盘，所述割胶机械臂通过连接平台3与所述履带式移动底盘固定连接；所述数据处理模块固定在履带式移动底盘上；所述数据采集模块设置在割胶机械臂上并与所述数据处理模块连接；所述切割机构5设置在所述割胶机械臂末端，由所述割胶机械臂带动所述切割机构5在橡胶树上进行螺旋运动；所述切割机构5与数据处理模块连接，由数据处理模块控制切割机构5的运动。
46.优选的，所述割胶机械臂包括六自由度机械臂8、步进电机9和机械臂固定平台10，六自由度机械臂8与所述中央控制单元4连接，步进电机9用于调节切割轨迹，机械臂固定平台10用于固定六自由度机械臂8的位置；
47.所述切割机构5包括仿形割胶轨道501、齿条502、法兰盘503、舵机504、割胶刀505、连接支架508和减速电机509，所述仿形割胶轨道501与齿条502相嵌，法兰盘503与所述六自由度机械臂8非接触面机械连接所述切割机构5，舵机504用于控制割胶刀505与橡胶树树干中心轴线的距离，所述减速电机509设置于连接支架508下方并与所述中央控制单元4连接；减速电机509接受中央控制单元4指令后带动连接支架508沿着仿形割胶轨道501螺旋运动以实现所述割胶刀505沿着橡胶树螺旋形移动割胶；
48.所述履带式移动底盘包括履带底盘1和直流减速电机14，所述直流减速电机14包括左电机和右电机且分别设置在履带底盘1左右两侧，所述履带式移动底盘的内部安装有供电电池2，
49.所述中央控制单元4、割胶机器人均与供电电池2连接。
50.优选的，所述数据采集模块包括压力传感器506、线激光测距传感器507、双目相机6、信号转换电路和激光雷达11，压力传感器506设置在所述割胶刀505下方用于控制割胶耗皮量，线激光测距传感器507设置在所述割胶刀505右侧用于控制割胶深度；所述信号转换电路用于将传感器采集到的信息传输至数据处理模块内；所述激光雷达11和所述双目相机6用于辅助履带式移动底盘在林间行走，所述激光雷达11通过雷达支架12安装履带底盘1上，所述双目相机6通过相机支架7与所述法兰盘503相连。
51.优选的，所述割胶机器人还包括多个驱动器，直流减速电机14、步进电机9、减速电机509和舵机504由相应的驱动器进行控制；所述履带式移动底盘上设有用于在紧急情况时迅速断电使机器停止工作的急停开关13以保障作业安全。
52.优选的，所述供电电池2采用2个12v串联的大容量锂聚合物电池组，组成24v供电电源；所述激光雷达11采用砝石激光雷达fsd-10；所述双目相机6采用usb免驱双目摄像头，型号为ov9732。
53.本发明的目的还在于提供一种履带式自动割胶机器人控制系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
54.步骤1，启动电源，中央控制单元4初始化，各电机开始复位；
55.步骤2，开启导航循迹模块，割胶机器人在胶林间自主行走并识别橡胶树和切割轨迹；
56.步骤3，开始割胶，完成一次割胶作业。
57.优选的，步骤2的具体步骤包括：
58.步骤21，启动电源，所述履带底盘1自主行走，激光雷达11在行走过程中采集周围信息，并将信息传输给数据处理模块，数据处理模块通过采集的信息控制直流减速电机14的转速和方向，辅助履带底盘1移动和避障，中央控制单元4发出开始指令进行初始化，完成割胶前的准备工作；
59.步骤22，双目相机6对橡胶树进行识别定位，履带底盘1根据扫描到的橡胶树位置进行移动，移动到橡胶树体前时双目相机6开始对切割轨迹的轮廓进行扫描，各电机根据扫描信息运动到割胶初始位置；
60.步骤23，完成一次割胶作业后，激光雷达11和双目相机6采集周围信号传输至所述中央控制单元4中，中央控制单元4根据采集信号构建局部三维点云图辅助履带式割胶机器人移动到下一个橡胶树的位置开始进行割胶作业。
61.优选的，一次割胶作业的过程包括：
62.步进电机9开始正转,控制六自由度机械臂8带动割胶刀505进行进刀动作，进刀的同时线激光测距传感器507开始工作，实时测量进刀深度的信息，并根据信号实时调整电机运行，当割胶刀505符合进到深度时继续工作，进刀动作完成；
63.进刀完成后六自由度机械臂8通过控制舵机504带动割胶刀505沿着仿形割胶轨道501进行螺旋运动，开始割胶工作，同时割胶刀505下方的压力传感器506开始工作，实时测量进刀压力的信息，控制割胶耗皮量；
64.判断割胶刀505是否到达扫描的切割终点，当位于终点时，割胶刀505停止工作，步进电机9反转，割胶刀505进行退刀动作，各电机进行复位，完成一次割胶过程。
65.优选的，舵机504采用伺服无刷电机，运动角度为0
°
～180
°
。
66.下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
67.如图1、图2所示，本发明提供一种履带式自动割胶机器人控制系统，其包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储单元、执行部件和供电电池2，数据采集模块用于采集外界障碍和割胶状态的信息，数据处理模块将所述数据采集模块采集的信号处理后发送至执行部件执行相应避障及割胶作业任务，并将作业数据存储在数据存储单元中，供电电池2用于给各模块供电。其中：
68.如图3、图4所示，履带式自动割胶机器人包括割胶机械臂、切割机构5和履带式移动底盘。割胶机械臂和数据处理模块固定在履带式移动底盘上，供电电池2设置在履带式移动底盘内部，数据采集模块设置在割胶机械臂上，并与数据处理模块连接，数据采集模块将接收的信号传输至所述数据处理模块中进行处理，并传输至所述数据存储单元中存储，数据处理模块根据接收到的测量信号控制所述割胶机械臂运动轨迹，切割机构5设置在割胶机械臂末端，由割胶机械臂带动切割机构5在橡胶树上进行螺旋运动，且切割机构5与数据处理模块连接，由数据处理模块控制切割机构5的运动，割胶机械臂包括六自由度机械臂8、步进电机9、和机械臂固定平台10，六自由度机械臂8与所述中央控制单元4连接，通过控制步进电机9调节切割轨迹，机械臂固定平台10用于固定六自由度机械臂8的位置。
69.切割机构5包括仿形割胶轨道501、齿条502、法兰盘503、舵机504、割胶刀505、连接支架508和减速电机509，仿形割胶轨道501与齿条502相嵌，法兰盘503与六自由度机械臂8非接触面机械连接所述切割机构5，舵机504用于控制割胶刀505与橡胶树树干中心轴线的距离，割胶刀505用于沿着橡胶树螺旋形移动进行割胶，减速电机509设置于连接支架508下方并与中央控制单元4连接；减速电机509接受中央控制单元4指令后带动连接支架508沿着仿形割胶轨道501螺旋运动。
70.上述各实例中，履带式移动底盘包括履带底盘1、供电电池2、激光雷达11和直流减速电机14，以履带底盘1为主体，激光雷达11通过雷达支架12安装履带底盘1上，减速电机509包括左电机和右电机，设置在履带底盘1左右两侧，供电电池2安装在履带式移动底盘的内部，中央控制单元4、执行部件均与供电电池2连接。
71.上述各实例中，割胶机械臂和履带式移动底盘通过连接平台3进行固定连接。
72.上述各实例中，履带式移动底盘上设有急停开关13用于在紧急情况时迅速断电，使机器停止工作，保障作业安全。
73.数据采集模块包括压力传感器506、线激光测距传感器507、双目相机6和激光雷达11，在割胶刀505下方设置有压力传感器506用于控制割胶耗皮量，在所述割胶刀505右侧设置有线激光测距传感器507用于控制割胶深度，双目相机6安装在相机支架7上并通过法兰盘503与所述六自由度机械臂8接触面机械连接。
74.上述实例中，数据采集模块还包括信号转换电路，将传感器采集到的信息传输至数据处理模块内。供电电池2采用2个12v串联的大容量锂聚合物电池组，组成24v电压。
75.上述各实例中，本发明还包括蜂鸣器预警模块，该模块与中央控制单元4连接，中央控制单元4将信号传入蜂鸣器，报警模块根据避障预警指令进行响铃预警。
76.上述各实例中，本发明还包括终端触摸屏采用aubope型号屏，触摸屏与中央控制单元4连接，由触摸屏向中央控制单元4发送信号指令。触摸屏上设有启动、急停、复位、pid参数修正等按键。
77.如图5所示，本发明还提供一种自动割胶机器人控制系统的使用方法，其包括以下步骤：
78.1)启动电源，控制器初始化，电机开始复位；2)割胶机器人开启导航循迹模块，在胶林间自主行走并识别橡胶树和切割轨迹；3)扫描到橡胶切割轨迹后进入割胶模块，开始割胶，完成一次割胶作业；
79.上述各实例中，控制系统的导航循迹模块功能的执行包括以下步骤：
80.1)启动电源，履带底盘1能够自主行走，激光雷达11在行走过程中采集周围信息，并将信息传输给数据处理模块，数据处理模块通过采集的信息控制直流减速电机14的转速和方向，辅助履带底盘1移动和避障，直流减速电机14包括左电机和右电机，中央控制单元4发出开始指令，各电机、传感器和数据存储单元进行初始化，完成割胶前的准备工作；
81.2)电机和初始数据复位后，由安装在相机支架7上的双目相机6对橡胶树进行识别定位，履带底盘1根据扫描到的橡胶树位置进行移动，移动到橡胶树体前时双目相机6开始对切割轨迹的轮廓进行扫描，各电机根据扫描信息运动到割胶初始位置；
82.3)完成一次割胶作业后，激光雷达11和双目相机6采集周围信号传输至所述中央控制单元4中，中央控制单元4根据采集信号构建局部三维点云图辅助履带式割胶机器人移
动到下一个橡胶树的位置开始进行割胶作业；
83.其中，激光雷达11采用砝石激光雷达fsd-10，双目相机6采用usb免驱双目摄像头，型号为ov9732。
84.上述各实例中，控制系统的割胶模块的功能包括以下步骤：
85.1)步进电机9开始正转,控制六自由度机械臂8带动割胶刀505进行进刀动作，进刀的同时割胶刀505右侧的线激光测距传感器507开始工作，实时测量进刀深度的信息，并根据信号实时调整电机运行，当割胶刀505符合进到深度时继续工作，进刀动作完成进入步骤2)；
86.2)进刀完成后六自由度机械臂8通过控制舵机504带动割胶刀505沿着仿形割胶轨道501进行螺旋运动，开始割胶工作，同时割胶刀505下方的压力传感器506开始工作，实时测量进刀压力的信息，控制割胶耗皮量；
87.3)判断割胶刀505是否到达扫描的切割终点，当位于终点时，割胶刀505停止工作，步进电机9反转，割胶刀505进行退刀动作，各电机进行复位，完成一次割胶过程。
88.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。