CN108076831B - 一种自适应双筛选液控采摘装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应双筛选液控采摘装置，包括移动系统、定位系统、采摘系统、控制系统、蓄电池以及液压油箱；所述移动系统包括底座和履带组件；所述定位系统包括伸缩管柱、机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ和机械臂Ⅲ，所述伸缩管柱竖直设于底座上并与底座转动连接；所述采摘系统包括采摘机械爪、测量机械爪、一级驱动液压缸以及二级驱动液压缸；所述控制系统、蓄电池以及液压油箱均安装于底座上；所述控制系统同时与驱动电机、传感器识别装置、颜色识别装置、液压控制阀以及液压泵相连；所述蓄电池为各电气元件供电。本发明能够自动识别水果是否成熟，并且使用方便，从而提高采摘效率，以达到更高的经济产值。

Description

一种自适应双筛选液控采摘装置
技术领域
本发明涉及一种采摘装置，尤其涉及一种基于目标识别与工程测量技术双重筛选机制的自适应双筛选液控采摘装置。
背景技术
农业在人们生活中扮演着重要的角色，我国作为一个农业大国，随着社会经济的发展，我国水果的种植面积不断增加。水果的采摘大都靠人用手亲自采摘。由于劳动力有限，造成苹果、梨、橘子等水果的采摘效率低。而且在采摘过程中，树枝高处的水果采摘难度大，对采摘人的人身安全无法得到保障。现有的用于采摘水果的工具，大都使用不便，操作困难，并且不能自动判断水果是否成熟，因而不适合采摘的实际情况。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种自适应双筛选液控采摘装置，能够自动识别水果是否成熟，并且使用方便，从而提高采摘效率，以达到更高的经济产值。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：包括移动系统、定位系统、采摘系统、控制系统、蓄电池以及液压油箱；
所述移动系统包括底座和履带组件；所述履带组件为两副，对称安装于底座下方靠近两侧处，在底座下方还设有两驱动电机，所述驱动电机经传动轴与履带组件的驱动齿轮相连，通过驱动电机及履带组件能够带动底座移动；
所述定位系统包括伸缩管柱、机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ和机械臂Ⅲ，其中，所述机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ和机械臂Ⅲ均采用伸缩液压缸；所述伸缩管柱竖直设于底座上并与底座转动连接；所述机械臂Ⅰ竖直设于伸缩管柱内，其底端与伸缩管柱的下端固定连接，活塞杆与伸缩管柱的上端固定连接，通过该竖向伸缩液压缸能够带动伸缩管柱上下伸缩移动；在底座内对应机械臂Ⅰ的位置设有一旋转液压缸，所述旋转液压缸与伸缩管柱相连，通过该旋转液压缸能够带动伸缩管柱转动；所述机械臂Ⅱ的底端与伸缩管柱的上端转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅲ的底端转动连接；在伸缩管柱与机械臂Ⅱ之间设有转向定位液压缸Ⅰ，所述转向定位液压缸Ⅰ的底端与伸缩管柱转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅱ转动连接；在机械臂Ⅱ上设有转向定位液压缸Ⅱ，所述转向定位液压缸Ⅱ的底端与机械臂Ⅱ固定连接，其活塞杆经传动连杆后机械臂Ⅲ相连，其中，该传动连杆的两端分别与转向定位液压缸Ⅱ的活塞杆和机械臂Ⅲ转动连接；
所述采摘系统包括采摘机械爪、测量机械爪、一级驱动液压缸以及二级驱动液压缸；所述一级驱动液压缸与机械臂Ⅲ的活塞杆相连，二级驱动液压缸与一级驱动液压缸的活塞杆相连；所述采摘机械爪套设并固定在一级液压缸上，其具有数根绕一级驱动液压缸一周均匀分布的采摘爪臂，且所述采摘爪臂通过连接杆与二级驱动液压缸转动连接，通过一级驱动液压缸能够带动二级驱动液压缸前后移动，并带动采摘爪臂开合；所述测量机械爪套设在二级液压缸上，其具有数根绕二级驱动液压缸一周均匀分布测量爪臂，在测量爪臂的内侧，设有传感器识别装置；在测量机械爪内侧设有一安装座，该安装座与二级驱动液缸的活塞杆相连，在该安装座上设有颜色识别装置；所述测量爪臂通过连接杆与该安装座转动连接；通过二级驱动液压缸能够带动安装座前后移动，并带动测量爪臂开合；
所述控制系统、蓄电池以及液压油箱均安装于底座上，其中，在液压油箱内设有一液压泵，所述液压泵经液压控制阀后与各液压缸相连；所述控制系统同时与驱动电机、传感器识别装置、颜色识别装置、液压控制阀以及液压泵相连；所述蓄电池为各电气元件供电。
进一步地，在底座的下方靠近前端处还设有转向轮，控制系统经转向控制器和转向电机后，与该转向轮相连。
进一步地，所述传感器识别装置为压敏电阻。
进一步地，所述颜色识别装置包括摄像头和绕摄像头一周分布的闪光灯。
进一步地，在采摘机械爪内壁设有压力传感器。
进一步地，所述控制系统的移动定位控制过程如下：
1）控制系统启动后，自检初始化；
2）控制系统根据输入的移动信号，驱动移动系统移动到果实附近；
3）控制系统根据输入的定位信号，驱动机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ、机械臂Ⅲ、以及转向定位液压缸Ⅰ和转向定位液压缸Ⅱ，使采摘机械爪移动到果实附近；
4）控制系统根据输入的定位信号，然后驱动采摘机械爪将果实包裹住，实现初步定位；
5）初步定位后，控制系统自动控制采摘机械爪夹紧，实现精准定位；
6）精准定位后，控制系统再控制测量机械爪，将果实夹住，实现测量定位。
进一步地，所述控制系统的双筛选定位控制过程如下：
1）果实精准定位完成后，控制系统开始进行筛选；
2）通过颜色识别装置采集果实图像，然后进行果实颜色分析；同时，通过传感器识别装置检测果实表面的压力；
3）根据果实颜色分析结果，判断果实是否成熟，若完全成熟，则控制采摘机械爪回程，实现果实采摘；若完全不成熟，则松开采摘机械爪和测量机械爪，并回程；待采摘机械爪和测量机械爪回程后，整个采摘装置初始化；
4）若颜色分析结果介于完全不成熟和完全成熟之间，则通过传感器识别装置检测到的压力值，并结合预存的压力值表，判断果实的成熟度；若成熟度大于设定值，则控制采摘机械爪回程，实现果实采摘；反之，则松开采摘机械爪和测量机械爪，并回程；待采摘机械爪和测量机械爪回程后，整个采摘装置初始化。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：提高了对水果熟度的识别正确率，同时可以修改相关参数，适用于不同种水果的采摘，具有较为广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为采摘装置的结构示意图。
图3为定位系统工作流程图。
图4为采摘系统控制流程图。
图中：1—底座，2—履带组件，3—转向轮，4—伸缩管柱，5—机械臂Ⅰ，6—机械臂Ⅱ，7—机械臂Ⅲ，8—转向定位液压缸Ⅰ，9—转向定位液压缸Ⅱ，10—采摘机械爪，11—测量机械爪，12—一级驱动液压缸，13—二级驱动液压缸，14—控制系统，15—蓄电池。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1、图2，一种自适应双筛选液控采摘装置，包括移动系统、定位系统、采摘系统、控制系统14、蓄电池15以及液压油箱。
所述移动系统包括底座1和履带组件2；所述履带组件2为两副，对称安装于底座1下方靠近两侧处，在底座1下方还设有两驱动电机，所述驱动电机经传动轴与履带组件2的驱动齿轮相连，通过驱动电机及履带组件2能够带动底座1移动。在底座1的下方靠近前端处还设有转向轮3，控制系统14经转向控制器和转向电机后，与该转向轮3相连。
所述定位系统包括伸缩管柱4、机械臂Ⅰ5、机械臂Ⅱ6和机械臂Ⅲ7，其中，所述机械臂Ⅰ5、机械臂Ⅱ6和机械臂Ⅲ7均采用伸缩液压缸。所述伸缩管柱4竖直设于底座1上并与底座1转动连接；所述机械臂Ⅰ5竖直设于伸缩管柱4内，其底端与伸缩管柱4的下端固定连接，活塞杆与伸缩管柱4的上端固定连接，通过该竖向伸缩液压缸能够带动伸缩管柱4上下伸缩移动。在底座1内对应机械臂Ⅰ5的位置设有一旋转液压缸，所述旋转液压缸与伸缩管柱4相连，通过该旋转液压缸能够带动伸缩管柱4转动。所述机械臂Ⅱ6的底端与伸缩管柱4的上端转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅲ7的底端转动连接。在伸缩管柱4与机械臂Ⅱ6之间设有转向定位液压缸Ⅰ8，所述转向定位液压缸Ⅰ8的底端与伸缩管柱4转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅱ6转动连接。在机械臂Ⅱ6上设有转向定位液压缸Ⅱ9，所述转向定位液压缸Ⅱ9的底端与机械臂Ⅱ6固定连接，其活塞杆经传动连杆后机械臂Ⅲ7相连，其中，该传动连杆的两端分别与转向定位液压缸Ⅱ9的活塞杆和机械臂Ⅲ7转动连接。
所述采摘系统包括采摘机械爪10、测量机械爪11、一级驱动液压缸12以及二级驱动液压缸13；所述一级驱动液压缸12与机械臂Ⅲ7的活塞杆相连，二级驱动液压缸13与一级驱动液压缸12的活塞杆相连。所述采摘机械爪10套设并固定在一级液压缸上，其具有数根绕一级驱动液压缸12一周均匀分布的采摘爪臂，且所述采摘爪臂通过连接杆与二级驱动液压缸13转动连接，通过一级驱动液压缸12能够带动二级驱动液压缸13前后移动，并带动采摘爪臂开合；在采摘机械爪10内壁设有压力传感器。所述测量机械爪11套设在二级液压缸上，其具有数根绕二级驱动液压缸13一周均匀分布测量爪臂，在测量爪臂的内侧，设有传感器识别装置；所述传感器识别装置为压敏电阻。在测量机械爪11内侧设有一安装座，该安装座与二级驱动液缸的活塞杆相连，在该安装座上设有颜色识别装置；所述颜色识别装置包括摄像头和绕摄像头一周分布的闪光灯。所述测量爪臂通过连接杆与该安装座转动连接；通过二级驱动液压缸13能够带动安装座前后移动，并带动测量爪臂开合；
所述控制系统14、蓄电池15以及液压油箱均安装于底座1上，其中，在液压油箱内设有一液压泵，所述液压泵经液压控制阀后与各液压缸相连；所述控制系统14同时与驱动电机、传感器识别装置、颜色识别装置、液压控制阀以及液压泵相连；所述蓄电池15为各电气元件供电。
参见图3，所述控制系统14的移动定位控制过程如下：
1）控制系统14启动后，自检初始化。
2）控制系统14根据输入的移动信号，驱动移动系统移动到果实附近。
3）控制系统14根据输入的定位信号，驱动机械臂Ⅰ5、机械臂Ⅱ6、机械臂Ⅲ7、以及转向定位液压缸Ⅰ8和转向定位液压缸Ⅱ9，使采摘机械爪移动到果实附近。
4）控制系统14根据输入的定位信号，然后驱动采摘机械爪10将果实包裹住，实现初步定位；其中，当整个采摘装置到位后，利用一级驱动液压缸12进行驱动，使采摘机械爪10将果实包裹并夹住。
5）初步定位后，控制系统14自动控制采摘机械爪10夹紧，实现精准定位；其中，当采摘机械爪10运行，开始接触水果时，采摘机械爪10通过压力传感器反馈回路开始有信号变化，当达到设定的阈值（DO）时，断电，采摘机械爪10停止运行，精准定位完成。
6）精准定位后，控制系统14再控制测量机械爪11，将果实夹住，实现测量定位。
参见图4，所述控制系统14的双筛选定位控制过程如下：
1）果实精准定位完成后，控制系统14开始进行筛选。
2）通过颜色识别装置采集果实图像，然后进行果实颜色分析；同时，通过传感器识别装置检测果实表面的压力。其中，摄像头和闪光灯采用集成电路和蓝硅晶体管组成的光敏控制电路，当采摘装置运行到位后，发送信号给颜色目标识别装置，由内部单片机处理信号，然后发送信号指令给摄像头，同时摄像头上的闪光同步触点接通闪光电路，使得闪光灯在极短的时间能产生脉冲电压，通过闪光管的触发极使闪光管内氮气电离并导通，电容上储存的电能瞬间通过闪光灯管放电转化为光能，完成闪光。记录下来的图片信息传输至计算机；通过机器学习的方法，结合灰色预测及遗传算法对机器进行训练，以达到通过图像大致区分水果熟度的能力。由于颜色目标识别仍然具有较大的错误率，因此，同时在测量机械爪11内壁设置传感器识别装置，传感器识别装置在测量机械爪11的带动下伸出并开始收容。并开始接触目标物体，压力传感器的电阻开始变化，当达到设定的抓紧阈值（D1）时，开始采集数据，同时测量机械爪11开始收容一个可以调定的位移值（SA），到达设定的位移重点，停止收容，同时记录此时的数值（D2）。两数值的差值（ΔD）通过电路相应指标的换算即可得到压力值，利用统计学的压力值表，来判断水果的熟度。结合颜色目标识别装置的结果，输入特定权重，即可得知是否可以采摘此水果的结论，同时将结果传输给采摘装置。
3）根据果实颜色分析结果，判断果实是否成熟，若完全成熟，则控制采摘机械爪10回程，实现果实采摘；若完全不成熟，则松开采摘机械爪10和测量机械爪11，并回程；待采摘机械爪10和测量机械爪11回程后，整个采摘装置初始化。具体判断是利用灰色预测和BP神经网络来计算的，最后规定输出五个值，分别为1、2、3、4、5；如果输出的值是1就代表完全不可以采摘，如果输出的值是5就代表完全可以采摘，如果输出值是2、3、4，那就是判断不清楚。
4）若颜色分析结果介于完全不成熟和完全成熟之间；即步骤3）输出值为2、3、4，则通过传感器识别装置检测到的压力值，并结合预存的压力值表，判断果实的成熟度；若成熟度大于设定值，则控制采摘机械爪10回程，实现果实采摘；反之，则松开采摘机械爪10和测量机械爪11，并回程；待采摘机械爪10和测量机械爪11回程后，整个采摘装置初始化。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：包括移动系统、定位系统、采摘系统、控制系统、蓄电池以及液压油箱；
所述移动系统包括底座和履带组件；所述履带组件为两副，对称安装于底座下方靠近两侧处，在底座下方还设有两驱动电机，所述驱动电机经传动轴与履带组件的驱动齿轮相连，通过驱动电机及履带组件能够带动底座移动；
所述定位系统包括伸缩管柱、机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ和机械臂Ⅲ，其中，所述机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ和机械臂Ⅲ均采用伸缩液压缸；所述伸缩管柱竖直设于底座上并与底座转动连接；所述机械臂Ⅰ竖直设于伸缩管柱内，其底端与伸缩管柱的下端固定连接，活塞杆与伸缩管柱的上端固定连接，通过该竖向伸缩液压缸能够带动伸缩管柱上下伸缩移动；在底座内对应机械臂Ⅰ的位置设有一旋转液压缸，所述旋转液压缸与伸缩管柱相连，通过该旋转液压缸能够带动伸缩管柱转动；所述机械臂Ⅱ的底端与伸缩管柱的上端转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅲ的底端转动连接；在伸缩管柱与机械臂Ⅱ之间设有转向定位液压缸Ⅰ，所述转向定位液压缸Ⅰ的底端与伸缩管柱转动连接，其活塞杆与机械臂Ⅱ转动连接；在机械臂Ⅱ上设有转向定位液压缸Ⅱ，所述转向定位液压缸Ⅱ的底端与机械臂Ⅱ固定连接，其活塞杆经传动连杆后与机械臂Ⅲ相连，其中，该传动连杆的两端分别与转向定位液压缸Ⅱ的活塞杆和机械臂Ⅲ转动连接；
所述采摘系统包括采摘机械爪、测量机械爪、一级驱动液压缸以及二级驱动液压缸；所述一级驱动液压缸与机械臂Ⅲ的活塞杆相连，二级驱动液压缸与一级驱动液压缸的活塞杆相连；所述采摘机械爪套设并固定在一级驱动液压缸上，其具有数根绕一级驱动液压缸一周均匀分布的采摘爪臂，且所述采摘爪臂通过连接杆与二级驱动液压缸转动连接，通过一级驱动液压缸能够带动二级驱动液压缸前后移动，并带动采摘爪臂开合；所述测量机械爪套设在二级驱动液压缸上，其具有数根绕二级驱动液压缸一周均匀分布测量爪臂，在测量爪臂的内侧，设有传感器识别装置；在测量机械爪内侧设有一安装座，该安装座与二级驱动液缸的活塞杆相连，在该安装座上设有颜色识别装置；所述测量爪臂通过连接杆与该安装座转动连接；通过二级驱动液压缸能够带动安装座前后移动，并带动测量爪臂开合；
所述控制系统、蓄电池以及液压油箱均安装于底座上，其中，在液压油箱内设有一液压泵，所述液压泵经液压控制阀后与各液压缸相连；所述控制系统同时与驱动电机、传感器识别装置、颜色识别装置、液压控制阀以及液压泵相连；所述蓄电池为各电气元件供电。
2.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：在底座的下方靠近前端处还设有转向轮，控制系统经转向控制器和转向电机后，与该转向轮相连。
3.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：所述传感器识别装置为压敏电阻。
4.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：所述颜色识别装置包括摄像头和绕摄像头一周分布的闪光灯。
5.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：在采摘机械爪内壁设有压力传感器。
6.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：所述控制系统的移动定位控制过程如下：
1）控制系统启动后，自检初始化；
2）控制系统根据输入的移动信号，驱动移动系统移动到果实附近；
3）控制系统根据输入的定位信号，驱动机械臂Ⅰ、机械臂Ⅱ、机械臂Ⅲ、以及转向定位液压缸Ⅰ和转向定位液压缸Ⅱ，使采摘机械爪移动到果实附近；
4）控制系统根据输入的定位信号，然后驱动采摘机械爪将果实包裹住，实现初步定位；
5）初步定位后，控制系统自动控制采摘机械爪夹紧，实现精准定位；
6）精准定位后，控制系统再控制测量机械爪，将果实夹住，实现测量定位。
7.根据权利要求1所述的一种自适应双筛选液控采摘装置，其特征在于：所述控制系统的双筛选定位控制过程如下：
1）果实精准定位完成后，控制系统开始进行筛选；
2）通过颜色识别装置采集果实图像，然后进行果实颜色分析；同时，通过传感器识别装置检测果实表面的压力；
3）根据果实颜色分析结果，判断果实是否成熟，若完全成熟，则控制采摘机械爪回程，实现果实采摘；若完全不成熟，则松开采摘机械爪和测量机械爪，并回程；待采摘机械爪和测量机械爪回程后，整个采摘装置初始化；
4）若颜色分析结果介于完全不成熟和完全成熟之间，则通过传感器识别装置检测到的压力值，并结合预存的压力值表，判断果实的成熟度；若成熟度大于设定值，则控制采摘机械爪回程，实现果实采摘；反之，则松开采摘机械爪和测量机械爪，并回程；待采摘机械爪和测量机械爪回程后，整个采摘装置初始化。
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