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申请/专利权人：海南大学

摘要：本发明提供了一种天然橡胶树割胶机器人及其使用方法，该割胶机器人包括割胶末端执行器、视觉模块、六自由度机械臂和无人林间移动小车，割胶末端执行器、视觉模块和六自由度机械臂均装载到无人林间移动小车上；无人林间移动小车用于实现所述割胶机器人在林间的运动，在视觉模块的辅助下，六自由度机械臂控制割胶末端执行器进行割胶作业。本发明采用FCN深度神经网络识别与分割天然橡胶树树干和天然橡胶树已割面，分割精度和鲁棒性高；应用边缘检测算法从已割面提取已有割胶轨迹、已割面左右边线，并计算其中线，使已有割胶轨迹沿中线方向下移一定的距离来产生新割胶轨迹，具有定位精度高的特点。

主权项：1.一种天然橡胶树割胶机器人，包括割胶末端执行器6、视觉模块、六自由度机械臂8和无人林间移动小车4，其特征在于，割胶末端执行器6、视觉模块和六自由度机械臂8均装载到无人林间移动小车4上；无人林间移动小车4用于实现所述割胶机器人在林间的运动，在视觉模块的辅助下，六自由度机械臂8控制割胶末端执行器6进行割胶作业；所述无人林间移动小车4包括上平台31、下平台29、四个驱动电机28、四个车轮32和四个支撑柱30，四个驱动电机28均匀固接于下平台29下表面上，四个驱动电机28与四个车轮32一一对应设置，驱动电机28的输出端均与相应的车轮32同轴固定连接，车轮32在驱动电机28的驱动下实现无人林间移动小车4的转向与行走；四个支撑柱30均匀安装在上平台31与下平台29之间并形成一定的空间以用于放置控制柜与220v蓄电池组5；所述割胶末端执行器6包括连接机构、进退刀机构和振动机构，振动机构包括振动底座18、舵机23、联轴器25、凸轮26、凸轮连接件27和割刀连接件14，连接机构包括法兰盘12、钢管13和U型固定座17，其中，法兰盘12用于连接钢管13和六自由度机械臂8，U型固定座17固定设置于钢管13的前端；进退刀机构包括步进电机22、电动推杆20、推杆连接件19、安装底座21、两个滑块24和两个滑轨16，安装底座21固定在U型固定座17的后侧内壁上，步进电机22和电动推杆20固定在安装底座21的前侧壁上，两个滑轨16分别固定在U型固定座17的上下端内壁上，两个滑块24分别固定在振动底座18的上下端外壁上，电动推杆20的前端通过推杆连接件19连接到振动底座18的后侧外壁上，两个滑块24分别滑动设置于相应的滑轨16中，实现振动机构的伸缩，从而实现进退刀以控制天然橡胶树割胶的割深；舵机23固定在振动底座18的后侧外壁上，舵机23的输出端穿过振动底座18的后侧外壁并通过联轴器25与凸轮26刚性连接，凸轮26限位于凸轮连接件27的内部，凸轮26的外壁与凸轮连接件27的内壁滑动配合；凸轮连接件27滑动穿过振动底座18的一端侧壁并与割刀连接件14相接，割刀连接件14上固接有割刀15，舵机23驱动凸轮26做回转运动，进而实现割刀15的直线往复微振运动，从而使割刀15处于前后微振状态，实现割胶的目的；所述视觉模块包括Kinect2相机1、相机支架、笔记本电脑11和电脑罩9，相机支架包括相机安装座7、方管2和锥形座3，锥形座3固定在上平台31的上侧壁上，锥形座3的上端固定有方管2，相机安装座7固定于方管2的顶端，Kinect2相机1固定于相机安装座7的一侧；电脑罩9安装在上平台31的上侧壁上；笔记本电脑11放置于电脑罩9内，用于运行识别定位相关程序，笔记本电脑11通过串口与六自由度机械臂8进行通信；220v蓄电池组5为笔记本电脑11与Kinect2相机1供电；基于天然橡胶树割胶机器人的使用方法包括下述步骤：步骤1，采用Kinect2相机1进行图像采集，利用视觉模块识别天然橡胶树已有割胶轨迹并定位新割胶轨迹，计算新割胶轨迹的位置和姿态信息；视觉模块通过坐标转换功能将Kinect2相机坐标系下的新割胶轨迹位置和姿态信息转换为六自由度机械臂8坐标系下的新割胶轨迹位置和姿态信息，并通过串口将数据传输给六自由度机械臂8；步骤2，六自由度机械臂8控制割胶末端执行器6运动至新割胶轨迹起点处，控制电动推杆20伸出天然橡胶树割胶的割深距离，实现割刀15的进刀作业；控制舵机23使割刀15处于直线往复微振状态，再通过控制六自由度机械臂8使割刀15沿着规划的新割胶轨迹位姿运动，直至新割胶轨迹终点处；最后，控制舵机23停止工作，控制电动推杆20缩进天然橡胶树割胶的割深距离，实现割刀15的退刀作业；步骤3，动作结束后，六自由度机械臂8复位，无人林间移动小车4移动至下一棵天然橡胶树旁，开始下一次割胶动作；步骤1中，利用视觉模块识别天然橡胶树已有割胶轨迹并定位新割胶轨迹的具体步骤包括:采用Kinect2相机1采集RGB和深度图像，用Kinect2相机1的RGB和红外相机的内参矩阵和外参矩阵对RGB和深度图像进行配准，使RGB图像分辨率调整为512×424像素；应用FCN深度卷积神经网络从RGB图像中识别与分割天然橡胶树树干和天然橡胶树已割面；应用边缘检测算法从天然橡胶树已割面中提取已割面的左、右边缘线和下边缘线，并且以提取已割面的下边缘线作为已有割胶轨迹；基于提取的已割面左、右边线计算其中线，并使已有割胶轨迹沿中线方向下移一定的距离来产生新割胶轨迹；利用深度图像和Kinect2相机1的内参，通过透视投影变换法计算天然橡胶树树干和天然橡胶树新割胶轨迹的三维点云；因天然橡胶树树干呈类圆柱形，应用水平集划分和椭圆拟合相结合的方法提取树干点云的骨架点；以新割胶轨迹的三维点云作为天然橡胶树新割胶轨迹的位置信息；基于获取的树干骨架点位置信息和新割胶轨迹位置信息，采用几何变换算法计算割刀15位于新割胶轨迹每一位置时的姿态信息，以计算出的割刀15的姿态信息作为天然橡胶树新割胶轨迹的姿态信息。

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