CN108207332B - 柔性草莓采摘器及应用此采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车 - Google Patents

柔性草莓采摘器及应用此采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低成本柔性草莓采摘器及全自动草莓采摘蜘蛛车,包括底座,底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构;四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成;指段的末端向下延伸成为夹持端,三个指段的夹持端相向设置;主臂上端铰接在底座上,副臂与底座之间设置弹性张紧装置;主臂与底座之间设置拉绳驱动装置。采摘器上设置摄像头自动识别,设置超声定位装置确定位置,可以自动识别成熟草莓并确定距离。夹持端可以同步柔性合拢与张开,也作为缓冲装置防止夹坏草莓且成本低廉。夹持端为平夹装置,防止夹漏且控制简单;采摘器设置在delta机械臂和行走装置上,可以自动行走并移动。

Description

柔性草莓采摘器及应用此采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车
技术领域
本发明属于草莓采摘领域,具体涉及一种柔性草莓采摘器及应用此采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车。
背景技术
国内草莓种植面积和产量有逐年增加的趋势,但是由于采摘环节落后的人工作业方式,制约了草莓种植业的发展。目前有相关研究针对我国常见的温室里高垄畦作栽培的草莓,初步建立了草莓采摘机器人实验系统,在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。还有跨垄作业4个自由度的草莓收获机器人设备。该机器人采用两个俯视地面的CCD摄像机获取草莓的图像,计算出草莓的方位,用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离;采用气动机械手爪抓取草莓果柄,并用剪切式切刀切断果柄。但这仅仅只是一个草莓采收实验装置,体积比较庞大,且没有驱动装置,成本高,无法进行大规模、产业化应用。
草莓采摘器即草莓采摘机械手末端执行器,是用来采摘草莓的机构。草莓的外表比较脆弱,采摘时候容易损伤。为了解决这个问题,常使用的办法是设置柔性爪子或者采用刚柔混合机构。这种机构往往比较复杂,而且成本高、控制复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本柔性草莓采摘器及应用此采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车。
本发明的目的是以下述方式实现的: 一种柔性草莓采摘器,其特征在于:包括底座,底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构;四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成;指段的末端向下延伸成为夹持端,三个指段的夹持端相向设置;主臂上端铰接在底座上,副臂与底座之间设置弹性张紧装置;主臂与底座之间设置拉绳驱动装置。
四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形,使夹持端运动过程中只平移、角度不变,三个夹持端构成平夹状态。
拉绳驱动装置指:每个主臂与底座铰接处设置销轴,销轴的主臂上设置主臂绳孔,销轴对应的底座上设置底座绳孔,底座绳孔到销轴的距离与主臂绳孔到销孔的距离相同;在底座上设置转动盘,在主臂绳孔、底座绳孔,转动盘之间设置绳子,绳子的一端固定在转动盘上,另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔、主臂绳孔最后固定,将三个主臂与对应的底座通过绳子串联在一起;驱动装置驱动转动盘转动带动绳子收紧使夹持端向内合拢。
转动盘为舵机带动的舵盘,绳子两端相隔180度固定在舵盘上。
弹性张紧装置为扭簧,扭簧中心设置在副臂与底座的铰接轴上,扭簧一端设置在副臂上,扭簧另一端设置在底座连接对应四连杆机构的副臂与主臂的侧边上。
弹性张紧装置为一端设置在副臂上、另一端设置在销轴上的弹性绳或者压缩弹簧。
底座的底部外表面设置摄像头和超声波测距器,所述摄像头和超声波测距器均与控制器连接。
一种全自动草莓采摘蜘蛛车,包括柔性草莓采摘器,在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖,底座上盖连接三个移动自由度的机械臂,底座上盖作为机械臂的动平台,机械臂的静平台上的驱动电机与控制器连接。
在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖,指底座上盖上固定电机,电机输出轴通过底座中心轴位置且与底座固定。
机械臂的静平台设置在行走机构上,行走机构包括四个轮子和其上支架并驱动机构。。
本发明的有益效果是:采摘器上设置摄像头自动识别,设置超声定位装置确定位置,可以自动识别成熟草莓并确定距离;副臂与底座之间设置弹性张紧装置,主臂与底座之间设置拉绳驱动装置,使夹持端可以同步柔性合拢与张开,也作为缓冲装置防止夹坏草莓且成本低廉。夹持端为平夹装置,防止夹漏且控制简单;旋转电机带动底座旋转,可以拧掉夹持住的草莓。采摘器设置在delta机械臂和行走装置上,可以自动行走并移动。
附图说明
图1采摘器结构图。图2为采摘器四连杆机构示意图(弹性张紧装置为扭簧)。图3为采摘器四连杆机构示意图(弹性张紧装置为橡皮筋)。图4为采摘器轴测图。图5为机械臂与采摘器示意图。图6为草莓采摘蜘蛛车示意图。
其中1为采摘器,3为Delta机械臂,5为行走机构,6为电机,7为轴承,10为超声波测距器,11为底座,12主臂,13为指段,14为副臂,15为弹性张紧装置,16为销轴,17为转动盘,18为绳子,19为摄像头,31为底座上盖,32为静平台。33为驱动臂,34为平行四边形从动支链,35为驱动电机,51为驱动轮,52为支架,53为横杆,54为篮子,61为输出轴,111为底座绳孔,121为主臂绳孔,131为夹持端,151为扭簧,152为橡皮筋。
具体实施方式
如图1-4所示,一种柔性草莓采摘器1,包括底座11,底座11上沿周向设置至少2个结构相同的四连杆机构。四连杆机构由主臂12、指段13、副臂14、底座11依次铰接而成。指段13的末端向下延伸成为夹持端131,三个指段13的夹持端131相向设置。主臂12上端铰接在底座11上,副臂14与底座11之间设置弹性张紧装置15。主臂12与底座11之间设置拉绳驱动装置。通过四连杆机构的运动使夹持端131合拢或分开。
四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形,使夹持端131运动过程中只平移、角度不变,三个夹持端131构成平夹状态。指段13和底座11两个铰接点的连线为互相平行,底座11是固定的,方向不会发生变化,所以夹持端131角度也不会改变,仅仅在四连杆机构所在平面内平移。这样夹持草莓时,夹持更方便、准确,不容易夹漏。控制上也比较简单,误差小。)
拉绳驱动装置指:每个主臂12与底座11铰接处设置销轴16,销轴16任意一侧的主臂12上设置主臂绳孔121,在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。底座绳孔111到销轴16的距离与主臂绳孔121到销轴16的距离相等,如图2所示。在底座11上设置转动盘17,在主臂绳孔121、底座绳孔111,转动盘17之间设置绳子18。绳子18的一端固定在转动盘17上,另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔111、主臂绳孔121最后固定,将三个主臂12与对应的底座11通过绳子18串联在一起。驱动装置驱动转动盘17转动带动绳子18收紧使夹持端131向内合拢。绳子18具有一定的弹性,是一种弹性绳。 绳子18收紧到夹持端131触碰到草莓时,因为绳子18的弹性及变形,起到一定的缓冲作用,使夹持端从触碰到夹紧草莓的过程中不会损伤草莓。底座绳孔111、销轴16、主臂绳孔121之间夹角优选为锐角,方便受力。每个主臂12上都设置主臂绳孔121,并在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。这样,转动盘17旋转时,绳子18收紧,使臂绳孔121和底座绳孔111之间距离逐渐变小,直到重合。几个主臂12可以同步转动,带动夹持端131同步合拢。反向旋转时,绳子18放松,主臂12在副臂14与底座11之间弹性张紧装置15的弹力下被拉回到原位,夹持端131分开。本实施例中,转动盘17为舵机带动的舵盘,绳子18两端相隔180度固定在舵盘上。以销轴16为支点,主臂12为一个杠杆,主臂12位于销轴16的两端分别为杠杆的长边、短边;主臂12的短边的小的位移可以转化为主臂12长边的大的位移。这样,驱动装置处比较大的驱动力可以转换为夹持端131比较小的夹持力,避免损伤草莓。
如图2所示,弹性张紧装置15为扭簧151,扭簧151中心设置在副臂14与底座11的铰接轴上,扭簧151一端设置在副臂14上,扭簧151另一端设置在底座11连接对应四连杆机构的副臂14与主臂12的侧边上。平常状态下,由于扭簧151的存在,副臂14向底座11靠拢,带动指段13的夹持端131向外分开。
如图3所示,弹性张紧装置15为一端设置在副臂14上、另一端设置在销轴16上的弹性绳或者压缩弹簧。弹性绳可以为橡皮筋152,价格低廉。橡皮筋152的另一端也可以设置在底座11上,只要能拉动副臂14向上即可。平常状态下,弹簧或者弹性绳带动副臂14向上使夹持端分开。
如图4所示,底座11的底部外表面设置摄像头19和超声波测距器10。摄像头19位于底面的中心位置。摄像头19和超声波测距器10均与控制器连接。利用视觉分辨出成熟的草莓。超声波测距器10通过发出和接收超声波测出草莓的距离。
如图5-6所示,一种应用前面所述柔性草莓采摘器1的全自动草莓采摘蜘蛛车,包括柔性草莓采摘器,柔性草莓采摘器的底座11上设置底座上盖31,底座上盖31连接3个移动自由度的机械臂,可以为DELTA机械臂3,底座上盖31作为DELTA机械臂3的动平台。机械臂3的静平台上的驱动电机与控制器连接。DELTA机械臂3由静平台32、动平台即底座上盖31、3根驱动臂33、3个平行四边形从动支链34组成。静平台32的三边通过三条相同的运动链分别连接到动平台的三条边上。每条运动链中有一个由四个球铰与杆件组成的平行四边形从动支链34,平行四边形从动支链34再与一个带转动关节的驱动臂33相串联,驱动臂33的一端固定在静平台32上,在驱动电机35的驱动下作一定角度的反复摆动。这三条运动链决定了动平台的运动特性。动平台不能绕任何轴线旋转,但可以在直角坐标空间沿x,y,z三个方向平移运动,即具有三个自由度。DELTA机械臂3带动采摘器1在一定空间内移动。
底座11上设置底座上盖31,指底座上盖31上固定电机6,电机输出轴61通过底座11中心轴位置且与底座11固定。底座11与底座上盖31之间可以通过轴承7相连。这样采摘器1的夹持端131夹持住草莓后,电机输出轴61带动采摘器3旋转拧下草莓,底座上盖31不旋转。
DELTA机械臂3的静平台32设置在行走机构5上,行走机构5包括包括四个驱动轮51和其上支架52DELTA机械臂3可搭载其他工具,做到土地检测、施肥、割茎等。支架52的横杆53上设置采摘蓝54,用来放置采摘后的草莓。驱动轮51上带有编码器减速电机。
具体实施时,通过haar小波进行机器学习,对预先准备好的草莓的样本进行训练,使系统可以分辨成熟的草莓。行走机构5带动Delta机械臂3及采摘器1在草莓中行走。采摘器1采用俯视地面的摄像头19获取草莓的图像,计算出草莓的方位,用超声波测距器10测量采摘器1到草莓的距离。然后Delta机械臂3带动采摘器1到达草莓上方的位置。转动盘17旋转带动绳子18拉紧,使夹持端131合拢夹持住草莓,电机6转动,带动采摘器1和草莓旋转,拧下草莓。然后Delta机械臂3移动采摘器1使其夹持端131到篮子54上方,使草莓落入篮子54。

Claims (3)

1.一种柔性草莓采摘器,其特征在于:包括底座,底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构;四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成;指段的末端向下延伸成为夹持端,三个指段的夹持端相向设置;主臂上端铰接在底座上,副臂与底座之间设置弹性张紧装置;主臂与底座之间设置拉绳驱动装置;
所述四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形,使夹持端运动过程中只平移、角度不变,三个夹持端构成平夹状态;
所述拉绳驱动装置指:每个主臂与底座铰接处设置销轴,销轴的主臂上设置主臂绳孔,销轴对应的底座上设置底座绳孔,底座绳孔到销轴的距离与主臂绳孔到销孔的距离相同;在底座上设置转动盘,在主臂绳孔、底座绳孔,转动盘之间设置绳子,绳子的一端固定在转动盘上,另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔、主臂绳孔最后固定,将三个主臂与对应的底座通过绳子串联在一起;驱动装置驱动转动盘转动带动绳子收紧使夹持端向内合拢;以销轴为支点,主臂为一个杠杆,主臂位于销轴的两端分别为杠杆的长边、短边;主臂的短边的小的位移可以转化为主臂长边的大的位移;驱动装置处大的驱动力可以转换为夹持端小的夹持力,避免损伤草莓;
所述底座的底部外表面设置摄像头和超声波测距器,所述摄像头和超声波测距器均与控制器连接;
所述弹性张紧装置为扭簧,扭簧中心设置在副臂与底座的铰接轴上,扭簧一端设置在副臂上,扭簧另一端设置在底座连接对应四连杆机构的副臂与主臂的侧边上或者所述弹性张紧装置为一端设置在副臂上、另一端设置在销轴上的弹性绳或者压缩弹簧。
2.根据权利要求1所述柔性草莓采摘器,其特征在于:所述转动盘为舵机带动的舵盘,绳子两端相隔180度固定在舵盘上。
3.一种采用权利要求1所述柔性草莓采摘器的全自动草莓采摘蜘蛛车,其特征在于:包括柔性草莓采摘器,在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖,底座上盖连接三个移动自由度的机械臂,底座上盖作为机械臂的动平台,机械臂的静平台上的驱动电机与控制器连接;
所述在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖,指底座上盖上固定电机,电机输出轴通过底座中心轴位置且与底座固定;采摘器的夹持端夹持住草莓后,电机输出轴带动采摘器旋转拧下草莓,底座上盖不旋转;
所述机械臂的静平台设置在行走机构上,行走机构包括四个轮子和其上支架并驱动机构。
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