CN106973631A - 一种自动化采摘系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化采摘系统，包括行走装置、采摘装置、识别定位装置、供电装置；采摘装置包括采摘机械手、驱动所述采摘机械手移动的采摘驱动机构、以及收集所述采摘机械手采摘的作物的收集机构；识别定位装置包括图像采集单元和图像处理单元。本发明的自动采摘系统通过识别定位装置能够精确的识别可以采摘的作物的位置，只针对可以采摘的作物进行采摘，而对于不可以采摘的作物以及作物的其它部位进行过滤，因此本发明的自动化采摘系统采摘的作物的质量高，杂质少。

Description

一种自动化采摘系统

技术领域

本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种采摘茶叶用的自动化采摘系统。

背景技术

现有技术中采摘茶叶用的自动化采摘机包括背负式单人采摘机和双人采摘机。这些采摘机所使用的刀具都是相互交错平移的整体式剪切刀具，这些采摘机在采摘茶叶时，将采摘机放到茶树的蓬面上，对茶叶整体剪切。而对于名优茶的采摘，名优茶要求在采摘过程中要有选择性，采摘的茶叶要求更加的严格。

现有采摘机的缺点如下：

1、由于茶叶的形态比较小，整体剪切存在将老梗、老叶一起采摘的问题，采用现有技术的采摘机采摘后的茶叶里杂质所占比例高达10％～15％。

2、由于现有技术的茶叶采摘机在采摘的过程中受到自身重量的影响容易导致刀头下沉，刀头下沉更容易将茶叶的梗一起剪切。

3、现有采摘机都是人为提拿，并由人在作物垄间进行行走采摘，这样劳动力成本较大，并且采摘效率低。

因此设计一种在茶叶采摘过程中减少对杂质的采摘，且效率高的采摘机尤为重要。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种自动化采摘系统，有选择的采摘作物，以解决现有技术中采摘的作物中的杂质含量高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的自动化采摘系统采用的技术方案是：包括行走装置、采摘装置、识别定位装置、供电装置；

该行走装置包括车架，该车架下端设置有行走机构；

该采摘装置设置在该车架的前端，包括采摘机械手、驱动该采摘机械手移动的采摘驱动机构、以及收集该采摘机械手采摘的作物的收集机构；

该识别定位装置用于获取作物的图像，识别并分析需要采摘的作物的图像及位置，并将需要采摘的作物的位置信息传输给上述采摘驱动机构，所述识别定位装置包括图像采集单元和图像处理单元；

该供电装置提供供电电源，与该行走机构、该采摘驱动机构、该收集机构、该图像采集单元和该图像处理单元电连接并供电。

进一步优选地，上述车架上设置有卫星定位天线以及卫星定位接收机。

进一步优选地，上述采摘驱动机构包括托架，该托架上装配有驱动上述采摘机械手上下移动的上下驱动组件、左右移动的左右驱动组件以及前后移动的前后驱动组件。

进一步优选地，上述上下驱动组件包括上下设置的第一丝杠以及驱动该第一丝杠转动的第一电机，该第一丝杠上旋设有第一滚珠螺母，上述采摘机械手设置在该第一滚珠螺母上，该左右驱动组件包括左右设置的第二丝杠以及驱动该第二丝杠转动的第二电机，该第二丝杠上旋设有第二滚珠螺母，该第一丝杠设置在该第二滚珠螺母上，该前后驱动组件包括前后设置在上述托架上的第三丝杠以及固设在该托架上的驱动该第三丝杠转动的第三电机，该第三丝杠上旋设有第三滚珠螺母，该第二丝杠设置在该第三滚珠螺母上。

进一步优选地，上述采摘机械手包括支架，该支架上铰接设置有采摘手指，该采摘手指的手指端相对设置有切片，该支架上设置有驱动该采摘手指相对靠近切割采摘和相对远离松开的机械手驱动组件。

进一步优选地，上述采摘手指设置成相对布设的两个，上述机械手驱动组件包括设置在位于该采摘手指的铰接点另一侧的采摘手指末端之间的凸轮，该支架上设置有驱动该凸轮转动的电机，该采摘手指末端之间连接设置有弹簧，该采摘手指处于松开位置时，该弹簧处于自然状态。

进一步优选地，上述图像采集单元包括相对设置在上述托架左右两侧的摄像头。

进一步优选地，上述图像处理单元包括与上述摄像头进行通信连接的图像采集卡及与该图像采集卡进行通信连接的控制器。

进一步优选地，上述行走机构包括驱动轮以及驱动该驱动轮转动的动力组件。

进一步优选地，上述收集机构包括作物收集器和连接软管，该连接软管的一端连接在上述采摘手指处，该连接软管的另一端与该作物收集器连通，该作物收集器内设置有负压风机。

通过上述方案，本发明的有益效果是：本发明提供的自动化采摘系统，通过行走装置能够使整个采摘系统在作物的垄间进行行走，不需要现有技术中的人为手持采摘装置行走，保证了采摘系统采摘的稳定性。本发明的自动化采摘系统通过识别定位装置首先获得作物的图像，然后识别定位装置对获得的作物的图像进行颜色或形状或大小等进行识别，识别出可以采摘的作物，并计算可以采摘作物的三维位置。由采摘驱动机构驱动采摘机械手移动到可以采摘的作物的位置处进行采摘，再由收集机构对采摘的作物进行收集。本发明的自动采摘系统能够精确的识别可以采摘的作物的位置，只针对可以采摘的作物进行采摘，而对于不可以采摘的作物以及作物的其它部位进行过滤，因此本发明的自动化采摘系统采摘的作物的质量高，杂质少。

进一步优选地，设置的卫星定位天线，能够远程的对本发明的自动化采摘系统进行监控，方便自动化采摘系统的集中化管理。

进一步优选地，每个采摘机械手通过三组驱动组件对其上下、前后、左右运动方向分别进行控制，控制操作简单且移动位置精确。

进一步优选地，三组驱动组件均采用滚珠丝杠传动方式，传动效率高，定位精度高。

进一步优选地，采摘手指通过其前端相对设置的切片对作物的叶茎进行剪切，避免对作物本体在夹持拉拽过程中造成破坏，进一步保证了采摘作物的质量。

进一步优选地，图像采集单元采用两个摄像头进行图像的采集，从不同角度拍摄同一区域，模拟人类双眼获取景物，能够精确获取作物的三维空间位置。

附图说明

图1是本发明的自动化采摘系统的实施例的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1的自动化采摘系统的实施例中的采摘装置的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是图3的采摘装置的采摘机械手的结构示意图；

图6是本发明的自动化采摘系统的实施例的识别定位装置流程图；

图7是本发明的自动化采摘系统的实施例中的北斗定位天线的工作原理图。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

如图1～2所示，本发明提供的自动化采摘系统的实施例，包括行走装置、采摘装置、识别定位装置、供电装置。

行走装置包括车架1，车架1下端设置有行走机构3，为方便本实施例能够在作物垄间进行行走，车架1通过一门型支架2装配在行走机构3上，行走机构3包括并排设置的两组驱动轮，且分别连接在门型支架2的两侧壁的下端。其中，每组为两个驱动轮，每组的两个驱动轮之间设置有动力组件4，为了增大驱动轮对地面的抓持力，防止本实施例在软质地质行走时打滑，每组的两个驱动轮上装配有履带5，履带5能够保证使本实施例很顺利的在软质的作物垄间行走，防止了驱动轮打滑或趴窝。

进一步优选地，为方便工作人员对本实施例进行人工驾驶操控，以及对本实施例的工作状态进行监控及维护，在车架1的上方设置有驾驶室9。

进一步优选地，为了实现对本实施例的远程监控与调度，且方便对本实施例后期的维护，在驾驶室9的上方设置有卫星定位天线10以及与卫星定位天线10连接的卫星定位接收机，在本实施例中卫星定位天线10优选使用北斗定位天线10，北斗定位天线10向远程的总控室传输本实施例的实时位置，方便本实施例的集中化管理。

如图7所示北斗定位天线10的工作原理，n台本实施例均通过设置的北斗定位天线10以及卫星定位接收机与北斗卫星22进行连接，由卫星定位接收机进行精确定位，定位的信息通过地面的移动通信系统进行数据传输，，其中n≥1，主监控中心平台23用于接收和存储卫星定位接收机传输的本实施例的位置信息及工作状态，主监控工作站24负责对所有本实施例进行监控及管理。首先，个人用户21可以通过网络向主监控工作站24发送需求信息，其中，个人用户是指需要使用本实施例的用户，主监控工作站24根据主监控中心平台23发送的本实施例的位置信息及工作状态，控制需要接受任务的本实施例，然后将控制命令通过主监控中心平台23下发到对应的本实施例。接收到主监控工作站24下发的任务的本实施例供需求用户使用。卫星定位天线以及卫星定位接收机实现了本实施例的集中化管理，用户不再需要自备本实施例，需要时只需向主监控工作站24发送需求命令即可，降低用户自身的成本，同时能够及时满足用户的需求。

进一步优选地，为了使本实施例在天色较暗时也能正常进行工作，在驾驶室9的前端设置有补光灯11。

本实施例的采摘装置设置在车架1的前端，包括采摘机械手6、驱动采摘机械手6移动的采摘驱动机构7、收集采摘机械手6采摘的作物的收集机构8。在本实施例中，收集机构8包括作物收集器81和连接软管82，连接软管82的一端连接在采摘机械手6的位置处，连接软管82的另一端与作物收集器81连通，作物收集器81内设置有负压风机83。

如图3和图4所示，本实施例的采摘驱动机构7包括托架71，托架71上装配有驱动采摘机械手6上下移动的上下驱动组件、左右移动的左右驱动组件以及前后移动的前后驱动组件。

上下驱动组件包括上下设置的第一丝杠72以及驱动第一丝杠72转动的第一电机73，第一丝杠72上旋设有第一滚珠螺母(图中未示出)，采摘机械手6设置在该第一滚珠螺母上，第一电机73带动第一丝杠72转动，驱动第一滚珠螺母带动采摘机械手6上、下移动。左右驱动组件包括左右设置的第二丝杠74以及驱动第二丝杠74转动的第二电机75，第二丝杠74上旋设有第二滚珠螺母76，第一丝杠72设置在第二滚珠螺母76上，第二电机75带动第二丝杠74转动，第二丝杠74驱动第二滚珠螺母76左、右移动，第二滚珠螺母76带动整套的上下驱动组件移动，进而带动采摘机械手6左、右移动。前后驱动组件包括前后设置在托架71上的第三丝杠77以及固设在托架71上的驱动第三丝杠77转动的第三电机78，第三丝杠77上旋设有第三滚珠螺母79，第二丝杠74设置在第三滚珠螺母79上，第三电机78驱动第三丝杠77转动，第三丝杠77驱动第三滚珠螺母79转动，第三滚珠螺母79带动整套左右驱动组件和整套上下驱动组件一起前、后移动，进而带动采摘机械手6前、后移动。

上下驱动组件、左右驱动组件和前后驱动组件分别采用滚珠丝杠传动方式，因为滚珠丝杠的传动方式定位精确，传动平稳，且传递效率高，能够满足自动化采摘系统的位置移动的精度要求。

如图5所示，进一步优选地，采摘机械手6包括支架61，支架61上铰接设置有两个采摘手指62，采摘手指62的手指端相对设置有切片63，支架61上设置有驱动采摘手指62相对靠近切割采摘和相对远离松开的机械手驱动组件。机械手驱动组件包括设置在位于该采摘手指的铰接点另一侧的采摘手指的末端之间的凸轮64，支架61上设置有驱动凸轮64转动的电机(图中未示出)。凸轮64为椭圆形凸轮，凸轮64的中心点位于两个采摘手指连线的中心线上，椭圆形的凸轮64能够保证两个采摘手指转动的角度相同，对叶茎的剪切力相同，两个采摘手指同时运动剪切，剪切省力且剪切效率高。采摘手指62的末端之间连接设置有弹簧65，采摘手指62处于松开状态时，弹簧65处于自然状态，采摘手指62处于剪切状态时，弹簧65处于拉伸状态。采摘手指62通过其前端设置的切片63对作物的叶茎进行剪切，避免对作物本体在夹持拉拽过程中造成破坏，进一步保证了采摘作物的质量。驱动采摘机械手6的电机水平设置在支架61的后部，这样在采摘手指62剪切作物的叶茎时整个采摘机械手6占据空间位置较小。

如图1、图2和图6所示，本实施例的识别定位装置用于获取作物的图像，识别并分析需要采摘的作物的图像及三维位置，并将需要采摘的作物的位置信息传输给采摘驱动机构7。识别定位装置包括图像采集单元和图像处理单元。图像采集单元包括相对设置在托架71左右两侧的摄像头12。图像处理单元包括与摄像头12进行通信连接的图像采集卡32，以及与图像采集卡32进行通信连接的控制器，该控制器包括控制计算机33和单片机34。

本实施例的识别定位装置的原理，如图6所示，摄像头12在光源提供照明的条件下拍摄采摘对象31，并将其转化为图像信号，并传输给图像采集卡32，由图像采集卡32收集图像信号并转化成数字信号，然后传输给控制计算机33进行图像分析处理，图像分析处理包括对作物的颜色、大小、完整度及三维位置进行分析，控制计算机33将处理后的一系列的采摘点的三维位置信息传输给单片机34，单片机34控制采摘驱动机构7运动进行采摘。

采用双摄像头进行图像采集的原理是双目标定技术，双目标定技术是计算机视觉技术的一个重要分支，能够模拟人类双眼获取景物。该技术是通过两个摄像头从不同角度拍摄同一区域，确定图像像素坐标和图像位置坐标，获取点的在三维空间的位置信息。

如图1所示，本实施例的供电装置包括电箱13，电箱13存储电能，对行走机构3的动力组件4、采摘驱动机构7的第一电机73、第二电机75、第三电机78、收集机构8的负压风机83、图像采集单元以及图像处理单元供电。

进一步优选地，车架9上设置有太阳能电池板14，该太阳能电池板14与电箱13电连接，太阳能电池板14将太阳能转换成电能存储到电箱13内，用于供电。采用太阳能电池板14进行蓄电，节能环保。

本实施例的采摘过程为：通过工作人员在驾驶室9内操控动力组件4驱动驱动轮带动履带5进行行走，实现本实施例在作物垄间进行行走。控制本实施例到达需要采摘作物的位置，同时北斗定位天线10对本实施例进行实时的监控，监控本实施例所在的地理位置，以及地理位置实时的变化情况。本实施例到达采摘位置时，由本实施例的摄像头12获取探视范围内的采摘目标的图像信息，并通过数据线把获取的图像传入到图像采集卡，在这里图像传输是通过数据线实现的，当然还可以采用无线通讯的方式进行图像传输，由图像采集卡采集摄像头12传输的所有图像，并将图像转换为数字图像，然后再传输给控制计算机，控制计算机经过计算分析，并对作物的颜色、大小、完整度进行识别，获得一组需要采摘的作物的坐标信息，然后由控制计算机计算得到需要采摘作物的采摘序列，然后控制计算机将排序后的一系列采摘作物的坐标信息传输给单片机，单片机根据各个采摘作物的采摘序列控制采摘驱动机构7进行运动。当采摘驱动机构7驱动采摘机械手6到达指定的采摘点时，启动收集机构8的负压风机83，使收集器81和连接软管82的内腔均形成负压状态，由电机控制凸轮64转动，使凸轮由其小直径两端位于采摘手指62之间的状态转动成其大直径两端分别抵触在两个采摘手指62之间的状态，即使采摘机械手6的采摘手指62由张开状态变成闭合状态对采摘目标的叶茎进行裁切，裁切掉的作物被收集机构8收集到作物收集器81内，采摘机械手6完成对该点作物的采摘。采摘驱动机构7继续驱动采摘机械手6到达下一个指定的采摘点，使采摘机械手6重复上述的采摘过程，直至该摄像头探视范围内的作物完全采摘完毕，动力组件4继续驱动本实施例进行前进，继续下一个摄像头探测范围内的作物的采摘，直至全部区域的采摘完毕为止。

本实施例通过行走装置能够在作物的垄间进行行走，不需要现有技术中人为手持采摘装置行走，保证了采摘系统采摘的稳定性，本发明的自动化采摘系统通过识别定位装置首先获得作物的图像，然后对获得的作物的图像、颜色、完整度进行识别和分析，识别出可以采摘的作物，计算可以采摘作物的三维位置，由采摘驱动机构驱动采摘机械手移动到可以采摘的作物的位置处进行采摘，再由收集机构对采摘的作物进行收集。本发明的自动采摘系统能够精确的识别可以采摘的作物的位置，只针对可以采摘的作物进行采摘，而对于不可以采摘的作物以及作物的其它部位进行过滤，因此本发明的自动化采摘系统实现了对作物有选择性的采摘，采摘的作物的质量高，杂质少。因此本发明更适用于对采摘的作物的质量要求较高的场所，比如名优茶的采摘等。

上述的实施例只是描述了包含一组采摘机械手的结构，在其它的实施例中，在车架1的前端还可以设置成多组采摘机械手，每组采摘机械手可以跟随一组识别定位装置，每组采摘机械手负责采摘自己负责的采摘区域内的作物，这样多组采摘机械手采摘的效率更高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动化采摘系统，其特征在于，包括行走装置、采摘装置、识别定位装置、供电装置；

所述行走装置包括车架，所述车架下端设置有行走机构；

所述采摘装置设置在所述车架的前端，包括采摘机械手、驱动所述采摘机械手移动的采摘驱动机构、以及收集所述采摘机械手采摘的作物的收集机构；

所述识别定位装置用于获取所述作物的图像，识别并分析需要采摘的所述作物的图像及位置，并将需要采摘的所述作物的位置信息传输给所述采摘驱动机构，所述识别定位装置包括图像采集单元和图像处理单元；

所述供电装置提供供电电源，与所述行走机构、所述采摘驱动机构、所述收集机构、所述图像采集单元和所述图像处理单元电连接并供电。

2.根据权利要求1所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述车架上设置有卫星定位天线及卫星定位接收机。

3.根据权利要求2所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述采摘驱动机构包括托架，所述托架上装配有驱动所述采摘机械手上下移动的上下驱动组件、左右移动的左右驱动组件以及前后移动的前后驱动组件。

4.根据权利要求3所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述上下驱动组件包括上下设置的第一丝杠以及驱动所述第一丝杠转动的第一电机，所述第一丝杠上旋设有第一滚珠螺母，所述采摘机械手设置在所述第一滚珠螺母上，所述左右驱动组件包括左右设置的第二丝杠以及驱动所述第二丝杠转动的第二电机，所述第二丝杠上旋设有第二滚珠螺母，所述第一丝杠装配在所述第二滚珠螺母上，所述前后驱动组件包括前后设置在所述托架上的第三丝杠以及固设在所述托架上的驱动所述第三丝杠转动的第三电机，所述第三丝杠上旋设有第三滚珠螺母，所述第二丝杠装配在所述第三滚珠螺母上。

5.根据权利要求4所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述采摘机械手包括支架，所述支架上铰接设置有采摘手指，所述采摘手指的手指端相对设置有切片，所述支架上设置有驱动所述采摘手指相对靠近切割采摘和相对远离松开的机械手驱动组件。

6.根据权利要求5所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述采摘手指设置成相对布设的两个，所述机械手驱动组件包括设置在位于所述采摘手指的铰接点另一侧的采摘手指末端之间的凸轮，所述支架上设置有驱动所述凸轮转动的电机，所述采摘手指末端之间连接设置有弹簧，所述采摘手指处于松开位置时，所述弹簧处于自然状态。

7.根据权利要求6所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述图像采集单元包括相对设置在所述托架左右两侧的摄像头。

8.根据权利要求7所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述图像处理单元包括与所述摄像头进行通信连接的图像采集卡及与所述图像采集卡进行通信连接的控制器。

9.根据权利要求8所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述行走机构包括驱动轮以及驱动所述驱动轮转动的动力组件。

10.根据权利要求9所述的自动化采摘系统，其特征在于，所述收集机构包括作物收集器和连接软管，所述连接软管的一端连接在所述采摘手指处，所述连接软管的另一端与所述作物收集器连通，所述作物收集器内设置有负压风机。