CN106856823A - 具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，包括车型移动平台、柔性机械手、装载箱、双图像采集系统、计数器，其在采摘果实过程中，通过双图像采集系统能较为精准地识别果实颜色、形状，进而自动完成采摘任务并且具有计数功能。本发明具有准确定位、精确识别、无损采摘和满足预定条件而自动返回指定地点特点，极大地提高了工作效率，节约了人力资源，降低了成本，而且装置结构简单小巧，实用性强。

Description

具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人

技术领域

本发明涉及机器人识别及果实采摘技术领域，尤其涉及一种具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，包括车型移动平台、柔性机械手、装载箱、双图像采集系统和计数器。

背景技术

我国是一个农业大国，瓜果蔬菜等农产品的种植和采摘需要大量的劳动力资源。然而随着我国经济持续稳步增长，劳动力价格也相应有所提高，这就很大程度上提高了劳动密集型企业的生产成本，从而使企业经济效益大幅下降。为了解决这个问题，用于农业生产的机器人应运而生，例如：大棚育苗机器人、花卉嫁接机器人等。这些机器人自动完成所需任务，从而极大的避免了人力资源的浪费。

有许多果树如苹果树树干高大，果实呈随机状态分布，导致分辨是否成熟及采摘比较困难，所以更适合引进带有成熟度自动检测和采摘的机器人。然而，这种机器人要集准确定位、精确识别、无损采摘和满足预定条件而自动返回指定地点等多功能于一体，尤其是为了实现无损采摘的功能要求机器人必须要有像人类手臂一样灵活的柔性机械手，这也是机器人研究的一大难点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是如何解决采摘机器人能具有集准确定位、精确识别、无损采摘和满足预定条件而自动返回指定地点且为了实现无损采摘的功能要求机器人必须要有像人类手臂一样灵活的柔性机械手的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是一种具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，包括车型移动平台、柔性机械手、装载箱、双图像采集系统、计数器，其中柔性机械手、苹果装载箱和双图像采集系统均安装在车型移动平台上，计数器安装在柔性机械手上，所述车型移动平台是一个带有四个橡胶轮胎的酷似小车的驱动平台，可以使机器人在凹凸不平的地面上自由行驶。四个轮子均用电机驱动，并配有一定线数的编码器，同时还具有确定的减速比，使得机器人在行动过程中能自动减速。

所述的柔性机械手包括以下组成部分：

关节臂：从下往上依次通过可做平行于水平面的旋转运动的关节转动轴相连；

剪刀手：装在最上面关节臂未端，刀片下装有缓冲垫；

关节传动机构：用于在关节臂之间传递动力；

关节驱动系统：由内部装有谐波减速器和失电制动器的直流伺服电机、编码器、制动器和光电开关组成，控制所述关节转动轴作水平或垂直旋转运动；

剪刀手气动装置：负责控制剪刀手的张开与闭合。

优选地，所述的关节转动臂数量为3个，底端的关节转动轴可做平行于水平面的旋转运动，中间位置的转动轴可做垂直于水平面的旋转运动，顶端的关节转动轴可做垂直于水平面的旋转运动。

优选地，所述关节转动轴上均设有限位片，底端的关节转动轴可做平行于水平面的旋转运动，运动角度范围为0°至180°，中间位置的转动轴可做垂直于水平面的旋转运动，运动角度范围为0°至120°，顶端的关节转动轴可做垂直于水平面的旋转运动，运动角度范围为0°至120°。

所有关节转动轴相互协作，使机器人的机械臂能自由伸缩达到成功摘取果实的目的。

所述双图像采集系统固定在车型移动平台上偏右侧，由两个相距一定距离的金属支架将两个高清摄像机支撑起距地面140cm左右的位置，高清摄像机通过数据采集卡与智能控制系统连接，两个高清摄像机均非正方向连接，均有一定角度的偏转使得其能在所述柔性机械手前方达到聚焦的目的，可获取果实图像并通过数据采集卡传送至PC处理端实现果实成熟度检测及发出采摘指令。

所述计数器为三位数值的同步加法计数器，数值上限为100，放置在柔性机械手上，以便为机器人设置采摘上限，而该采摘上限是可以通过软件方式设置的，每当采摘一个苹果，同步加法计数器获得一个来自机械臂的时钟脉冲，触发同步加法计数器的触发器，使其数值加一，当达到采摘上限100后机械臂则停止工作，机器人返回至指定地点。

所述装载箱是一个固定在车型移动平台后方的一个容器，与车身同宽，用于盛放采摘下来的果实。

本发明的整个工作过程：

在机器人工作之前，先给计数器设置一个采摘上限，对智能控制系统进行初始化处理，完成后将启动双图像采集系统，以获得待处理的图像，图像获取成功后对图像进行一系列的处理以便机器人能清晰地分辨出待采摘的果实。当经过图像处理后，机器人没有发现目标，车型移动平台会进行位置移动，所述的位置移动，即对车轮采用差速旋转的方法旋转一定角度，双图像采集系统重新获取图像来寻找目标，若依然找不到目标，移动平台则反复移动自身位置，直到找到目标为止。若一次搜寻到很多目标，则采用就近原则，计算出距离最近的目标的三维坐标，并反馈给柔性机械手执行采摘指令并将摘掉的果实平稳的放入装载箱中，在柔性机械手成功采摘果实的同时，关节臂上的计数器获得触发指令数值加一，直到达到采摘上限，机器人停止工作，返回至指定位置。若移动平台在一个地方旋转一周后没有发现目标，移动平台则前进一小段距离，继续执行上述操作。

采用本发明的技术方案带来的有益效果：

与现有技术相比较，本发明采用双图像采集系统和车型移动平台相结合，并带有三自由度的柔性机械手，经过对图像自动分析，更能较为精准地识别果实颜色、形状，进而完成采摘任务。而且能够自动计数，达到预定上限自行返回，极大地提高了工作效率，节约了人力资源，降低了成本，而且装置结构简单小巧，实用性强，具有很广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的柔性机械手的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，但并不是对本发明的限定。

如图1所示，为本发明整体结构示意图，由包括车型移动平台1、柔性机械手2、装载箱3、双图像采集系统4、计数器5组成。

车型移动平台1的前进方向为正方向，两个图像采集系统一前一后安装在移动平台上偏右侧，柔性机械手安装在移动平台上偏左侧，并处于两图像采集系统的中间部位，柔性机械手上安装有同步加法计数器，以计算已经采摘的果实数量，装载箱则安装在移动平台正后方。

车型移动平台1带有四个橡胶轮子，每个轮子均有一个相应的电机驱动，保证其能在凹凸不平的果园里灵活转动，当有运动指令发来时，电机控制器能根据CAN总线协议指令对所处位置做出相应的调整，车型移动平台1采用的转动方式为差速转动，即通过左边车轮和右边车轮转动角度的差来实现转动，若车型移动平台1需要向右转动时，左边车轮的转动角度大于右边车轮的转动角度即可，相反，若车型移动平台1需要向左转动时，右边车轮的转动角度大于左边车轮的转动角度即可。

柔性机械手2包括以下组成部分：

关节臂，从下往上依次通过可做平行于水平面的旋转运动的关节转动轴相连；

剪刀手，装在最上面关节臂未端，刀片下装有缓冲垫；

关节传动机构，用于在关节臂之间传递动力；

关节驱动系统，由内部装有谐波减速器和失电制动器的直流伺服电机、编码器、制动器和光电开关组成，控制所述关节转动轴作水平或垂直旋转运动；

剪刀手气动装置，负责控制剪刀手的张开与闭合。

装载箱3是一个固定在车型移动平台后方的一个容器，与车身同宽，用于盛放采摘下来的果实。

双图像采集系统4固定在车型移动平台上偏右侧，由两个相距一定距离的金属支架将两个高清摄像机支撑起距地面140cm左右的位置，高清摄像机通过数据采集卡与智能控制系统连接，两个高清摄像机均非正方向连接，均有一定角度的偏转使得其能在所述柔性机械手前方达到聚焦的目的，可获取果实图像并通过数据采集卡传送至PC处理端实现果实成熟度检测及发出采摘指令。

计数器5为三位数值的同步加法计数器，数值上限为100，放置在柔性机械手上，以便为机器人设置采摘上限，而该采摘上限是可以通过软件方式设置的，每当采摘一个苹果，同步加法计数器获得一个来自机械臂的时钟脉冲，触发同步加法计数器的触发器，使其数值加一，当达到采摘上限100后机械臂则停止工作，机器人返回至指定地点。

如图2示出了柔性机械手的结构图。

柔性机械手2设有关节臂21、关节臂22、关节臂23，关节臂之间通过关节转动轴211、关节转动轴221、关节转动转动轴231相连, 关节臂23通过关节转动转动轴241和剪刀手24相连，关节臂21上设有底座212并安装有计数器213，底座212通过螺丝固定在车型移动平台1上；

关节臂21、关节臂22、关节臂23上分别设有关节电机、关节电机222、关节电机232及关节传动机构223、关节传动机构233，用于在关节臂21、关节臂22、关节臂23之间传递动力；

关节转动轴211在关节电机的驱动下做平行于地面的水平旋转运动，在关节转动轴211上还有能控制旋转关节臂21复位的第一关节复位光电开关和开关挡片，开关挡片的作用是挡住光线时关节臂21一直转动，直到开关挡片达不到挡光的目的，关节关节臂21才会停止转动。另外，为了防止机械手转动过多的角度，关节转动轴211上还设有限位片214，关节转动轴211下连关节臂21，上连关节转动轴221。

关节臂21设置的加法计数器213为一个三位计数器，当柔性机械手2采摘苹果的信号通过CAN总线触发加法器后，加法器数值加一，直到达到预设上限，则所述机器人停止工作。

关节转动轴221垂直与水平面转动，转动角度为120°，与关节转动轴211相同，关节转动轴221也有限位片224和光电复位开关以及开关挡片，并且作用均与关节臂21光电复位开关和挡片相同。关节臂22上有采摘导气管固定座225，主要作用是用来固定导气管。

关节转动转动轴231垂直于水平面转动，运动角度为120°，关节转动轴231通过关节传动机构233与关节电机232以及关节臂22相连。其中在关节电机232内设有谐波减速器。关节臂23设有导气管固定座234，且关节转动轴231上设有限位片235，作用依然是防止关节转动轴231转过多角度，关节转动轴231依然有关节光电复位开关和开关挡片，当开关挡片挡住光线时，关节转动轴231开始并一直转动，当开关挡片不挡光时，关节转动轴231停止转动。关节转动轴231连接关节臂23通过关节转动转动轴241与剪刀手24相连。各旋转轴协调作用，控制气动剪刀手24在空间中自由运动。

设有刀片的气动剪刀手24需要与气泵和导气管相连，然后通过气动系统提供的压力剪掉果实根部，夹住果实根部，最后放置到装载箱里。

在机器人工作之前，先给计数器设置一个采摘上限，对智能控制系统进行初始化处理，完成后将启动双图像采集系统，以获得待处理的图像，图像获取成功后对图像进行一系列的处理以便机器人能清晰地分辨出待采摘的果实。当经过图像处理后，机器人没有发现目标，车型移动平台会进行位置移动，所述的位置移动，即对车轮采用差速旋转的方法旋转一定角度，双图像采集系统重新获取图像来寻找目标，若依然找不到目标，移动平台则反复移动自身位置，直到找到目标为止。若一次搜寻到很多目标，则采用就近原则，计算出距离最近的目标的三维坐标，并反馈给柔性机械手执行采摘指令并将摘掉的果实平稳的放入装载箱中，在柔性机械手成功采摘果实的同时，关节臂上的计数器获得触发指令数值加一，直到达到采摘上限，机器人停止工作，返回至指定位置。若移动平台在一个地方旋转一周后没有发现目标，移动平台则前进一小段距离，继续执行上述操作。

本发明的技术方案采用双图像采集系统和车型移动平台相结合，并带有三自由度的柔性机械手，经过对图像自动分析，更能较为精准地识别果实颜色、形状，进而完成采摘任务。而且能够自动计数，达到预定上限自行返回，极大的提高了工作效率，节约了人力资源，降低了成本，而且装置结构简单小巧，实用性强，具有很广泛的应用前景。

以上结合附图对本发明的实施方式作出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，包括：

车型移动平台，为带有轮胎的移动平台，可在地面上移动行驶；

柔性机械手，可使机器人采摘果实；

装载箱，用于盛放采摘下来的果实；

所述柔性机械手、装载箱均安装在所述车型移动平台上，其特征在于：还包括安装在所述车型移动平台上双图像采集系统，所述双图像采集系统设有高清摄像机通过数据采集卡与智能控制系统连接，可获取果实图像并通过数据采集卡传送至PC处理端实现果实成熟度检测及发出采摘指令。

2.如权利要求1所述的具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，其特征在于：所述柔性机械手包括以下组成部分：

关节臂：从下往上依次通过可做平行于水平面的旋转运动的关节转动轴相连；

剪刀手：装在最上面关节臂未端，刀片下装有缓冲垫；

关节传动机构，用于在关节臂之间传递动力；

关节驱动系统：由内部装有谐波减速器和失电制动器的直流伺服电机、编码器、制动器和光电开关组成，控制所述关节转动轴作水平或垂直旋转运动；

剪刀手气动装置：负责控制剪刀手的张开与闭合。

3.如权利要求2所述的具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，其特征在于：所述关节转动臂数量为3个，底端的关节转动轴可做平行于水平面的旋转运动，中间位置的转动轴可做垂直于水平面的旋转运动，顶端的关节转动轴可做垂直于水平面的旋转运动。

4.如权利要求3所述的具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，其特征在于：所述关节转动轴上均设有限位挡片，底端的关节转动轴可做平行于水平面的旋转运动的范围为0°至180°，中间位置的转动轴可做垂直于水平面的旋转运动的范围为0°至120°，顶端的关节转动轴可做垂直于水平面的旋转运动的范围为0°至120°。

5.如权利要求1至4任一项所述的具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，其特征在于：还包括安装在所述柔性机械手上的计数器，所述计数器可对已经采摘的果实数量进行计数。

6.如权利要求4所述的具有成熟度检测及计数功能的采摘机器人，其特征在于：所述计数器为三位数值的同步加法计数器，数值上限为100。