一种树木几何整形修剪机器人系统及其作业方法技术方案

发明专利技术公开了一种树木几何整形修剪机器人系统及其作业方法，所述修剪机器人系统包括履带移动底盘、安装在履带移动底盘上的修剪机械臂和控制柜、用于驱动修剪机械臂的液压系统、感知导航系统以及布置在控制柜中的运算控制系统，修剪机器人可根据感知导航系统采集的周围环境与自身信息精准控制底盘的移动及修剪机械臂的姿态刀位，并实时追踪单树或树墙，一次或多次自适应调整姿态刀位环绕单树或树墙完成自动化修剪工作；本发明专利技术不仅适用于规范化果园、园林的统一树墙修剪作业，还适用于完成各种室外复杂环境下的非规则几何整形修剪任务，提高了作业效率并且大幅降低运营成本，同时保证了修剪作业的安全性。时保证了修剪作业的安全性。时保证了修剪作业的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种树木几何整形修剪机器人系统及其作业方法


[0001]本专利技术涉及自动化机器人的
，尤其是指一种树木几何整形修剪机器人系统及其作业方法。

技术介绍

[0002]树木修剪作业是果园生产或园林维护过程中最重要的环节及属于劳动密集型工作，修剪作业需求贯穿了整个树枝生长环节。通过合理的修剪，可展示树木的艺术效果及构建标准化果园或园林，也可调控树枝的生长速度和方向以及分枝数量和角度，从而改善其通风透光条件、使得成龄果树优质、高产、稳产。
[0003]目前，树木整形修剪工作大多数仍然靠着人工手握修剪刀或者背负电动、气动修剪机具进行，劳动强度较大并且存在一定安全隐患。大型标准化果园或园林的粗枝修剪则交付给搭载修剪机具的拖拉机上进行，修剪刀具常见为往复式刀条及圆盘锯片两种，虽然实现了机械化作业，但是由于拖拉机较为庞大的体积，需增加为其留出行驶的路径宽度，从而缩小了树木栽种面积，并且仍然需要人工辅助操作，且对于人工操作要求较高。全自动化的修剪作业在草坪修剪领域较为常见，但在树木修剪领域鲜见报道，树木修剪的作业场景为空间修剪，与草坪的平面修剪有本质区别。
[0004]专利技术专利201610221814.7提出了一种全自动树枝修剪机器人及修剪方法，在于双目视觉导航定位后采用抱住树干或树枝进行旋转切割的修剪作业，具有新颖性但是缺点是在室外环境下，如果仅靠相机视觉进行导航，环境光照很大程度上影响着导航质量，同时夹抱枝干的修剪形式不适于大规模作业。
[0005]专利技术专利201710079996.3提出了一种智能树木修剪机器人及设备，具体为一种搭载修剪刀具的四轴飞行器，具有一定便携性，但是以无人机作为移动载具存在着一定安全隐患，也不适用于大规模修剪作业。
[0006]专利技术专利201810271399.5提出了一种沿地线行走高压输电线路走廊树枝修剪机器人及控制方法，作业场景在于修剪高压输电路线走廊的树枝，以避免引起输电线路安全事故。该专利技术实用性强，修剪效率高，但仅限于在特定场景工作。
[0007]为提高修剪效率、降低人工劳动强度及运营成本，亟需设计一种适用于多场景、全自动、高效且可靠的树木整形修剪机器人。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种树木几何整形修剪机器人系统及其作业方法，在现场构建的局域地图信息下联动履带移动底盘与修剪机械臂协同作业，实现自动化作业，不仅能够提高作业效率并且大幅降低运营成本，同时也可保证修剪作业的安全性。
[0009]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种树木几何整形修剪机器人系统，包括修剪机器人以及与所述修剪机器人通讯连接的控制终端，所述修剪机器人包括履
带移动底盘、安装在履带移动底盘上的修剪机械臂、控制柜和用于驱动修剪机械臂的液压系统，该修剪机器人系统还包括感知导航系统以及布置在控制柜中的运算控制系统，所述感知导航系统包括双目视觉相机、激光雷达、超声波雷达、GNSS惯性组合导航仪及编码器，所述双目视觉相机和激光雷达通过支架安装在控制柜上，两者配合检测修剪机器人的周围环境信息，所述超声波雷达安装在履带移动底盘处，用于补充检测区域及避障，所述GNSS惯性组合导航仪安装在修剪机器人处，用于输出修剪机器人的绝对定位坐标、角速度、加速度及航向角，所述编码器有多个分别安装在修剪机械臂和履带移动底盘处，用于感知修剪机械臂和履带移动底盘的状态，所述运算控制系统分别与感知导航系统和液压系统通讯连接，能够根据采集感知导航系统的周围环境信息和修剪机器人的自身状态信息控制履带移动底盘的移动及修剪机械臂的姿态刀位。
[0010]进一步，所述运算控制系统集成有工控机、单片机、供电电源与配电系统以及收发电台；所述单片机设置有传感器数据采集模组，所述传感器数据采集模组与感知导航系统通讯连接，负责采集感知导航系统的信息；所述工控机与传感器数据采集模组通讯连接，且其设置有同步定位与建图模组、无线数传模组及运动规划和动作控制模组；所述同步定位与建图模组与传感器数据采集模组通讯连接，用于实现修剪机器人的自主定位和导航并建造增量式地图；所述无线数传模组与控制终端通讯连接，用于输入控制终端设定的树木修剪几何形状并输出修剪机器人的信息到控制终端；所述运动规划和动作控制模组分别与修剪机械臂和履带移动底盘通讯连接，用于对修剪机械臂和履带移动底盘进行动作规划和动作控制。
[0011]进一步，所述修剪机械臂包括活动式机械节臂、刀架和圆盘锯，所述活动式机械节臂的一端固定在履带移动底盘上，其另一端安装有所述刀架，所述圆盘锯有多个安装在刀架内，并通过同步带实现相互连接，用于实现转矩传递和同步转速，所述活动式机械节臂和刀架分别与液压系统连接，由液压系统驱动活动式机械节臂的运动与圆盘锯的转动。
[0012]一种上述树木几何整形修剪机器人系统的作业方法，包括以下步骤：
[0013]S1、设置修剪机器人的跟随方式，并在控制终端输入修剪树木的目标几何形状，通过无线数传将该目标几何形状传输至修剪机器人系统的运算控制系统中；
[0014]S2、若修剪机器人在已知环境地图下作业，则直接进行步骤S3；若修剪机器人在未知环境地图下作业，则通过修剪机器人系统的感知导航系统进行行驶通道感知，并通过修剪机器人系统的运算控制系统进行路径规划和动作控制，使修剪机器人跟随规划的路线移动；
[0015]在修剪机器人跟随规划的路线移动过程中，修剪机器人系统的感知导航系统感知周围树木环境和障碍物，修剪机器人系统的运算控制系统融合多传感信息构建增量式三维地图，即构建局域地图，最后修剪机器人沿着规划的路线回到起点，完成对作业环境的感知；
[0016]S3、根据设定修剪的目标几何形状和增量式三维地图，规划修剪机械臂的修剪次数和各次修剪次数的姿态刀位，驱动修剪机械臂到初始姿态刀位及驱动修剪机械臂的圆盘锯准备修剪，再根据修剪机械臂的运动规划作业需求重新规划路线，并控制修剪机器人跟随重新规划的路线行驶在行驶通道内；
[0017]S4、修剪机器人跟随途经的树木变化姿态刀位及其对应的行驶路径，在行驶通道
内折返移动直至完成修剪工作。
[0018]进一步，在步骤S1中，所述修剪机器人的跟随方式为基于超宽带定位技术的自动跟随或使用控制终端的遥控跟随。
[0019]进一步，在步骤S2中，具体为：
[0020]若修剪机器人在未知环境地图下作业，则通过修剪机器人系统的双目视觉相机及激光雷达共同配合和冗余感知用警示桩标记的行驶通道，并实时通过修剪机器人系统的运算控制系统的运动规划和动作控制模组进行迭代式修剪机器人行驶路径规划，从而驱动并控制修剪机器人跟随规划的路线移动；
[0021]修剪机器人系统的双目视觉相机及激光雷达共同配合和冗余感知周围树木环境，修剪机器人系统的超声波雷达覆盖在行驶过程中激光雷达与双目视觉相机对前后端障碍物的检测盲区，以实现自动避障，再调用运算控制系统的同步定位与建图模组，根据修剪机器人移动位置和地图进行自身定位，并在该自身定位的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种树木几何整形修剪机器人系统，包括修剪机器人以及与所述修剪机器人通讯连接的控制终端，所述修剪机器人包括履带移动底盘、安装在履带移动底盘上的修剪机械臂、控制柜和用于驱动修剪机械臂的液压系统，其特征在于：还包括感知导航系统以及布置在控制柜中的运算控制系统，所述感知导航系统包括双目视觉相机、激光雷达、超声波雷达、GNSS惯性组合导航仪及编码器，所述双目视觉相机和激光雷达通过支架安装在控制柜上，两者配合检测修剪机器人的周围环境信息，所述超声波雷达安装在履带移动底盘处，用于补充检测区域及避障，所述GNSS惯性组合导航仪安装在修剪机器人处，用于输出修剪机器人的绝对定位坐标、角速度、加速度及航向角，所述编码器有多个分别安装在修剪机械臂和履带移动底盘处，用于感知修剪机械臂和履带移动底盘的状态，所述运算控制系统分别与感知导航系统和液压系统通讯连接，能够根据采集感知导航系统的周围环境信息和修剪机器人的自身状态信息控制履带移动底盘的移动及修剪机械臂的姿态刀位。2.根据权利要求1所述的一种树木几何整形修剪机器人系统，其特征在于：所述运算控制系统集成有工控机、单片机、供电电源与配电系统以及收发电台；所述单片机设置有传感器数据采集模组，所述传感器数据采集模组与感知导航系统通讯连接，负责采集感知导航系统的信息；所述工控机与传感器数据采集模组通讯连接，且其设置有同步定位与建图模组、无线数传模组及运动规划和动作控制模组；所述同步定位与建图模组与传感器数据采集模组通讯连接，用于实现修剪机器人的自主定位和导航并建造增量式地图；所述无线数传模组与控制终端通讯连接，用于输入控制终端设定的树木修剪几何形状并输出修剪机器人的信息到控制终端；所述运动规划和动作控制模组分别与修剪机械臂和履带移动底盘通讯连接，用于对修剪机械臂和履带移动底盘进行动作规划和动作控制。3.根据权利要求1所述的一种树木几何整形修剪机器人系统，其特征在于：所述修剪机械臂包括活动式机械节臂、刀架和圆盘锯，所述活动式机械节臂的一端固定在履带移动底盘上，其另一端安装有所述刀架，所述圆盘锯有多个安装在刀架内，并通过同步带实现相互连接，用于实现转矩传递和同步转速，所述活动式机械节臂和刀架分别与液压系统连接，由液压系统驱动活动式机械节臂的运动与圆盘锯的转动。4.一种权利要求1
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3任意一项所述的树木几何整形修剪机器人系统的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设置修剪机器人的跟随方式，并在控制终端输入修剪树木的目标几何形状，通过无线数传将该目标几何形状传输至修剪机器人系统的运算控制系统中；S2、若修剪机器人在已...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慰祖，黄朝炜，杨洲，李君，段洁利，蔡德轩，陈星，王艳飞，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：