CN107926288A - 基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，包括车体、安装在车体上的末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、草莓收纳机构、控制机构；所述末端采摘机构为框体、切割一体式结构，安装在二自由度传动机构的末端，所述控制机构分别与末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、车体电连接，所述高架草莓无损采摘装置结构简单，操作方便，制造成本低；还公开了一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘方法，采用末端采摘机构捕捉及剪切草莓，避免在夹取时对草莓造成损伤，采摘后的草莓通过滑道滑入草莓收纳筐中，避免在收纳时碰伤草莓，实现高架草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率。

Description

基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及草莓采摘技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置及其实现方法。

背景技术

随着我国人均收入以及生活质量的提高，人们对于草莓的需求大幅度上涨，然而草莓的采摘技术依然落后，严重制约着我国草莓产业的发展。目前，没有真正意义上大规模投入使用的草莓采摘机，主要靠人工采摘，劳动强度大，效率低，采摘成本高，不能满足市场上对于草莓的需求。目前已经问世的草莓采摘机，末端采摘机构设计大部分采用夹具式，先通过夹具夹取草莓，再用刀具切断草莓茎，对于形状不同的草莓需要准确控制好夹取草莓时夹具所施加的力以及夹取的位置，否则采摘时会夹烂或者切到草莓造成损伤，因此采摘时对末端采摘机构的定位精度要求较高，从而需要采用高精度识别机构和采摘机构，导致技术难度增加，制造成本随之增加；另一方面，采摘过程分为夹取、剪切两步分别进行，并且为了提高采摘成功率，采摘时车体需要停止，导致作业效率低，并没有真正意义上提高采摘效率。

因此亟需提供一种新型的高架草莓采摘装置及无损采摘方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，结构简单、操作方便，并提供了一种采摘效率高的高架草莓无损采摘方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，包括车体、安装在车体上的末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、草莓收纳机构、控制机构；

所述视觉识别机构安装在车体一侧的中部，所述超声波测距机构安装在车体中部，所述二自由度传动机构安装在车体的另一侧，所述末端采摘机构为框体、切割一体式结构，安装在二自由度传动机构的末端，所述草莓收纳机构位于车体的下部，所述控制机构分别与末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、车体电连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述末端采摘机构主要包括依次连接的捕捉器、伺服驱动器、缓冲器、连接杆；

所述捕捉器包括捕捉筐、刀片，刀片安装在捕捉筐一侧设置的刀槽中，实现捕捉、切割草莓可同时进行；

所述伺服驱动器通过一U型机架安装在捕捉筐上，用于驱动捕捉器实现旋转；

所述缓冲器包括凸字型外壳、内置于凸字型外壳内的阻尼套、缓冲弹簧、定位板、双头螺纹杆，所述凸字型外壳包括小口端、大口端，连接杆置于小口端，双头螺纹杆依次穿过凸字型外壳小口端、连接杆、定位板、缓冲弹簧、阻尼套、凸字型外壳大口端，两端分别通过螺母固定在连接杆与U型机架上。当捕捉筐前端面与草莓田垄侧面发生碰撞时，通过缓冲器减小冲击，避免对机构的破坏。

在本发明一个较佳实施例中，所述二自由度传动机构主要包括第一同步带模组、第二同步带模组、固定底座，所述第一同步带模组通过固定底座固定安装在车体上，所述第二同步带模组通过固定底座垂直安装在第一同步带模组上。

进一步的，所述第一同步带模组与第二同步带模组的结构相同，均包括滑块、步进电机、同步带、同步带轮，滑块安装在同步带上，同步带轮安装在同步带的两端，步进电机安装在同步带的一端，用于驱动同步带的转动，所述第二同步带模组通过固定底座固定安装在第一同步带模组的滑块上，所述末端采摘机构通过固定底座固定安装在第二同步带模组的滑块上，实现末端采摘机构在竖直方向和水平方向上的移动。

在本发明一个较佳实施例中，所述视觉识别机构主要包括图像识别相机、相机固定架，图像识别相机通过相机固定架固定安装在车体上，用于对草莓进行拍照，确定草莓位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述超声波测距机构主要包括若干个超声波测距传感器、传感器固定架，至少一个超声波测距传感器安装在传感器固定架上，若干个传感器固定架并排固定在车体的中部，以准确测量车体侧面与草莓田垄侧面之间的距离。

在本发明一个较佳实施例中，所述草莓收纳机构主要包括草莓收纳筐、滑道，所述草莓收纳筐放置于车体下部，所述滑道呈U型，位于草莓收纳筐的上部，两侧的挡板倾斜安装在车体上，使草莓通过滑道滑入草莓收纳筐中，避免碰伤草莓。

在本发明一个较佳实施例中，所述车体主要包括车架、履带式底盘、直流电机；所述车架位于履带式底盘的一侧，车架的端脚处均设置有加固角件；所述直流电机安装在履带的一侧，保持车体具有一定的移动速度。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在车体上。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘的实现方法，包括以下步骤：

首先确定草莓位置：通过视觉识别机构拍照确定草莓位置，以确定末端采摘机构每次动作的时间，以及通过超声波测距机构确定草莓田垄侧面与车体之间的距离，以确定末端采摘机构每次动作的行程；

然后进行草莓采摘：所述二自由度传动机构将末端采摘机构运动到草莓的正下方，所述末端采摘机构上升的过程中捕捉到草莓，草莓茎受到与根连接端的拉力自然下垂，从而被末端采摘机构切断，完成草莓采摘；

最后进行草莓收集：完成采摘后，所述二自由度传动机构复位，所述末端采摘机构恰好位于所述草莓收纳机构的上方，通过控制机构控制所述末端采摘机构旋转，将草莓滑入草莓收纳机构中。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述高架草莓无损采摘装置结构简单，操作方便，制造成本低，通过视觉识别机构识别草莓以确定草莓的位置，超声波测距以精确采摘行程，实现不间断采摘草莓，真正意义上提高了采摘效率；

(2)所述高架草莓无损采摘装置的末端采摘机构实现捕捉、剪切草莓一体化操作，无需考虑草莓形状对采摘的影响，利用简单的二自由度传动机构即可完成草莓的采摘，不同于传统的夹具式采摘装置有较高的精度要求和复杂的控制系统，技术难度大大降低；

(3)所述高架草莓无损采摘方法提供了一种无损采摘技术，采用末端采摘机构捕捉及剪切草莓，避免在夹取过程中对草莓造成损伤，采摘后的草莓通过滑道滑入草莓收纳筐中，避免在收纳过程中碰伤草莓，采摘作业不间断、流水化，实现高架草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率，减少了人力成本，具有广泛的推广价值。

附图说明

图1是本发明所述高架草莓无损采摘装置一较佳实施例的立体结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是所述捕捉筐的结构示意图；

图4是所述伺服驱动机的结构示意图；

图5是所述缓冲器的结构示意图；

图6是所述末端采摘机构的结构示意图；

图7是所述第一同步带模组的结构示意图；

图8是所述末端采摘机构与二自由度传动机构的结构示意图；

图9是所述视觉识别机构的结构示意图；

图10是所述超声波测距机构的结构示意图；

图11是所述视觉识别机构、超声波测距机构、草莓收纳机构和车体的安装示意图；

附图中各部件的标记如下：1、车体，11、车架，12、履带式底盘，13、直流电机，14、橡胶履带，15、加固角件，16、支撑杆，17、45°角件，18、135°角件，2、末端采摘机构，21、捕捉器，211、捕捉筐，2111、刀槽，2112、弧形槽，2113、圆形螺纹孔，212、刀片，22、伺服驱动器，23、缓冲器，231、凸字型外壳，2311、小口端，2312、大口端，232、阻尼套，233、缓冲弹簧，234、定位板，235、双头螺纹杆，24、连接杆，25、U型机架，26、法兰舵盘，3、二自由度传动机构，31、第一同步带模组，311、滑块，312、步进电机，313、同步带，314、同步带轮，32、第二同步带模组，33、固定底座，4、视觉识别机构，41、图像识别相机，42、相机固定架，5、超声波测距机构，51、超声波测距传感器，52、传感器固定架，6、草莓收纳机构，61、草莓收纳筐，62、滑道，621，挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，包括车体1、安装在车体1上的末端采摘机构2、二自由度传动机构3、视觉识别机构4、超声波测距机构5、草莓收纳机构6、控制机构。

所述视觉识别机构4安装在车体1一侧的中部，所述超声波测距机构5安装在车体1中部，所述二自由度传动机构3安装在车体1的另一侧，所述末端采摘机构2为框体、切割一体式结构，安装在二自由度传动机构3的末端，所述草莓收纳机构6位于车体1的下部，所述控制机构分别与末端采摘机构2、二自由度传动机构3、视觉识别机构4、超声波测距机构5、车体1电连接。

结合图11，所述车体1主要包括车架11、履带式底盘12、直流电机13，所述车架11及底盘12均采用铝型材制成，取材容易，成本低、质量轻，底盘12的下部安装有四个橡胶履带14，每个橡胶履带14的一侧安装有直流电机13，保持车体1具有一定的移动速度。所述车架11位于履带式底盘12的一侧，车架11的端脚处均设置有加固角件15，所述加固角件15采用20×20铸铝角件，通过螺栓与螺母固定在车架11上。车架11与底盘12之间通过支撑杆16构成一三角支撑，在支撑杆16与底盘12之间设置有一45°角件17进行加固，支撑杆16与车架11之间设置有一135°角件18进行加固。

所述草莓收纳机构6主要包括草莓收纳筐61、滑道62，所述草莓收纳筐61放置于车体1下部，四个侧面采用亚克力板穿插在车架11的铝型材间槽中，底面由20×20铸铝角件支撑固定，所述滑道62呈U型，倾斜安装在草莓收纳筐61的上部，两侧的挡板621通过T形螺栓和法兰螺母倾斜安装在车架11上，使草莓通过滑道62滑入草莓收纳筐61中，避免碰伤草莓。

结合图9，所述视觉识别机构4主要包括图像识别相机41、相机固定架42，图像识别相机41通过圆头螺栓和六角螺母固定在相机固定架42上，相机固定架42通过T形螺栓和法兰螺母安装在车架11左侧。图像识别相机41用于对草莓进行拍照，确定草莓位置。进一步的，图像识别相机41还可以对草莓进行图像分析，以确认采摘的是成熟草莓。

结合图10，所述超声波测距机构5主要包括若干个超声波测距传感51、传感器固定架52，每两个超声波测距传感器51安装在一个传感器固定架52上，三个传感器固定架52通过T形螺栓和法兰螺母并排固定在车架11的中部，以准确测量车体1侧面与草莓田垄侧面之间的距离。

请参阅图6，所述末端采摘机构2主要包括依次连接的捕捉器21、伺服驱动器22、缓冲器23、连接杆24。

结合图3，所述捕捉器21包括捕捉筐211、刀片212，捕捉筐211的一侧设置有刀槽2111，刀槽2111的中部开有弧形槽2112，另一侧开有五个圆形螺纹孔2113，用于固定伺服驱动器22，刀片212通过沉头螺栓与六角螺母安装在刀槽2111中，通过露出于弧形槽2112的刀片212进行切割草莓茎。所述捕捉器21可同时进行捕捉、切割草莓，不同于传统的夹具式采摘装置，无需考虑草莓形状对采摘的影响，捕捉筐211可对各种形状的草莓进行捕捉，并且避免了夹取草莓对草莓的损伤。

结合图4，所述伺服驱动器22通过一U型机架25安装在捕捉筐211上，用于驱动捕捉器21实现旋转。优选的，所述伺服驱动器22采用舵机，在U型机架上25开有与舵机前端面尺寸相同的方形孔，方形孔上下各开有两个圆形常规孔，均用于安装舵机，舵机通过圆头螺栓和六角螺母安装在U型机架25上、通过法兰舵盘26与捕捉筐211另一侧的五个圆形螺纹孔2113连接。

结合图5，所述缓冲器23包括凸字型外壳231、内置于凸字型外壳231内的阻尼套232、缓冲弹簧233、定位板234、双头螺纹杆235，所述凸字型外壳231包括小口端2311、大口端2312，优选的，所述连接杆24也采用铝型材，连接杆24的一端置于小口端2311、另一端与二自由度传动机构3连接。双头螺纹杆235依次穿过凸字型外壳小口端2311、连接杆24、定位板234、缓冲弹簧233、阻尼套232、凸字型外壳大口端2312，两端分别通过螺母固定在连接杆24与U型机架25上。为防止U型机架25发生旋转，凸字型外壳大口端2312与U型机架25之间用两个螺栓连接。当捕捉筐211前端面与草莓田垄侧面发生碰撞时，通过缓冲器23减小冲击，避免对机构的破坏。

请参阅图8，所述二自由度传动机构3主要包括第一同步带模组31、第二同步带模组32、固定底座33。

进一步的，结合图7，所述第一同步带模组31与第二同步带模组32的结构相同，均包括滑块311、步进电机314、同步带315、同步带轮316。滑块311安装在同步带315上，同步带轮316安装在同步带315的两端，用于驱动同步带315的转动，步进电机314安装在同步带315的一端，用于驱动同步带轮316的转动。所述第一同步带模组31通过固定底座33固定安装在车架11上，所述第二同步带模组32通过固定底座33垂直安装在第一同步带模组31的滑块311上，所述末端采摘机构2中的连接杆24通过固定底座33固定安装在第二同步带模组32的滑块上，实现末端采摘机构2在竖直方向和水平方向上的移动。所述固定底座33可采用角铁，在角铁内部设置有加强筋。

所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在车体上(图中未示出)。优选的，所述控制器可采用单片机，体积小，功能强大，实现对末端采摘机构2、二自由度传动机构3、视觉识别机构4、超声波测距机构5及车体1的控制。

所述高架草莓无损采摘装置还包括电源，分别为末端采摘机构2、二自由度传动机构3、视觉识别机构4、超声波测距机构5、草莓收纳机构6、控制机构、直流电机13供电。

所述高架草莓无损采摘装置结构简单，操作方便，制造成本低，通过视觉识别机构4识别草莓以确定草莓的位置，超声波测距以精确采摘行程，实现不间断采摘草莓，真正意义上提高了采摘效率；采用末端采摘机构2实现捕捉、剪切草莓一体化操作，无需考虑草莓形状对采摘的影响，利用简单的二自由度传动机构3即可完成草莓的采摘，不同于传统的夹具式采摘装置有较高的精度要求和复杂的控制系统，技术难度大大降低。

一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘的实现方法，包括以下步骤：

首先确定草莓位置：通过视觉识别机构4拍照确定草莓位置，以确定末端采摘机构2每次动作的时间，以及通过超声波测距机构5确定草莓田垄侧面与车体1之间的距离，以确定末端采摘机构2每次动作的行程；

由于图像识别相机41安装在车架11的左侧，且与捕捉器21水平方向上的距离一定，故可得出草莓与捕捉器21水平方向上的距离，当车体1自左向右以恒定的速度移动时，可计算出车体1行驶多长时间后，末端采摘机构2开始工作，且每次拍照得出的草莓位置不同，因而可确定出末端采摘机构2每次动作的时间。

所述末端采摘机构2每次作业后都复位到相同位置，因此确定了垄面与超声波测距传感器51的距离也就确定了末端采摘机构2接下来的行程。

然后进行草莓采摘：所述二自由度传动机构3将末端采摘机构2运动到草莓的正下方，所述末端采摘机构2上升的过程中捕捉到草莓，草莓茎受到与根连接端的拉力自然下垂，从而被末端采摘机构2切断，完成草莓采摘；

当完成对草莓的测距工作后，首先第二同步带模组32开始动作，其滑块带动末端采摘机构2运动到最底端，然后第一同步带模组31开始动作，带动末端采摘机构2向正对草莓方向运动，当末端采摘机构2的捕捉筐211运动到草莓的正下方时，第二同步带模组32再带动末端采摘机构2向上运动，将草莓装入捕捉筐211中，并继续向上移动，草莓茎受到与根连接端的拉力自然下垂，被位于捕捉筐211弧形槽2112处的刀片212切断，进而完成草莓采摘。

在采摘过程中，捕捉筐211前端面与草莓田垄侧面之间可能发生碰撞，通过缓冲器23可减小冲击，避免对机构的破坏。当捕捉筐211与田垄侧面发生碰撞时，连接杆24由于惯性将向正对田垄方向运动，从而压缩缓冲弹簧233，有效防止了因为接触应力过大对机构造成破坏。

最后进行草莓收集：完成采摘后，所述二自由度传动机构3复位，所述末端采摘机构2恰好位于所述草莓收纳机构6的上方，通过控制机构控制所述末端采摘机构2旋转，将草莓滑入草莓收纳机构6中。

采摘完成后，第一同步带模组31、第二同步带模组32同时工作，降低高度同时向背离垄面方向移动，当二自由度传动机构3完成复位时，捕捉筐211底面位于滑道62的顶端，舵机通过法兰舵盘26带动捕捉筐211旋转100°，将草莓倒入滑道62上，草莓最终沿滑道62滑入草莓收纳筐61中。

所述高架草莓无损采摘方法提供了一种无损采摘技术，采用末端采摘机构2捕捉及剪切草莓，避免在夹取过程中对草莓造成损伤，采摘后的草莓通过滑道62滑入草莓收纳筐61中，避免在收纳过程中碰伤草莓，采摘作业不间断、流水化，实现高架草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率，减少了人力成本，具有广泛的推广价值。

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或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，包括车体、安装在车体上的末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、草莓收纳机构、控制机构；

所述视觉识别机构安装在车体一侧的中部，所述超声波测距机构安装在车体中部，所述二自由度传动机构安装在车体的另一侧，所述末端采摘机构为框体、切割一体式结构，安装在二自由度传动机构的末端，所述草莓收纳机构位于车体的下部，所述控制机构分别与末端采摘机构、二自由度传动机构、视觉识别机构、超声波测距机构、车体电连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述末端采摘机构主要包括依次连接的捕捉器、伺服驱动器、缓冲器、连接杆；

所述捕捉器包括捕捉筐、刀片，刀片安装在捕捉筐一侧设置的刀槽中；

所述伺服驱动器通过一U型机架安装在捕捉筐上；

所述缓冲器包括凸字型外壳、内置于凸字型外壳内的阻尼套、缓冲弹簧、定位板、双头螺纹杆，所述凸字型外壳包括小口端、大口端，连接杆置于小口端，双头螺纹杆依次穿过凸字型外壳小口端、连接杆、定位板、缓冲弹簧、阻尼套、凸字型外壳大口端，两端分别通过螺母固定在连接杆与U型机架上。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述二自由度传动机构主要包括第一同步带模组、第二同步带模组、固定底座，所述第一同步带模组通过固定底座固定安装在车体上，所述第二同步带模组通过固定底座垂直安装在第一同步带模组上。

4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述第一同步带模组与第二同步带模组的结构相同，均包括滑块、步进电机、同步带、同步带轮，滑块安装在同步带上，同步带轮安装在同步带的两端，步进电机安装在同步带的一端，用于驱动同步带的转动，所述第二同步带模组通过固定底座固定安装在第一同步带模组的滑块上，所述末端采摘机构通过固定底座固定安装在第二同步带模组的滑块上。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述视觉识别机构主要包括图像识别相机、相机固定架，图像识别相机通过相机固定架固定安装在车体上。

6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述超声波测距机构主要包括若干个超声波测距传感器、传感器固定架，至少一个超声波测距传感器安装在传感器固定架上，若干个传感器固定架并排固定在车体的中部。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述草莓收纳机构主要包括草莓收纳筐、滑道，所述草莓收纳筐放置于车体下部，所述滑道呈U型，位于草莓收纳筐的上部，两侧的挡板倾斜安装在车体上。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述车体主要包括车架、履带式底盘、直流电机；所述车架位于履带式底盘的一侧，车架的端脚处均设置有加固角件；所述直流电机安装在履带的一侧。

9.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置，其特征在于，所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在车体上。

10.基于权利要求1所述基于机器视觉的高架草莓无损采摘装置的实现方法，包括以下步骤：

首先确定草莓位置：通过视觉识别机构拍照确定草莓位置，以确定末端采摘机构每次动作的时间，以及通过超声波测距机构确定草莓田垄侧面与车体之间的距离，以确定末端采摘机构每次动作的行程；

然后进行草莓采摘：所述二自由度传动机构将末端采摘机构运动到草莓的正下方，所述末端采摘机构上升的过程中捕捉到草莓，草莓茎受到与根连接端的拉力自然下垂，从而被末端采摘机构切断，完成草莓采摘；

最后进行草莓收集：完成采摘后，所述二自由度传动机构复位，所述末端采摘机构恰好位于所述草莓收纳机构的上方，通过控制机构控制所述末端采摘机构旋转，将草莓滑入草莓收纳机构中。