CN108323325A - 一种模仿人手型的草莓采摘机器及采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模仿人手型的草莓采摘机器及采摘方法，包括龙门支架、水平滑块、竖直杆、竖向滑块、定位导航装置、草莓采摘装置和果实收集装置。草莓采摘装置包括上部连杆、下部连杆和采摘钩爪；上部滑块、上部连杆、采摘钩爪、下部连杆和下部滑块形成一个四连杆机构；采摘钩爪上设有开口、弧形槽和球形孔；开口设置在采摘钩爪的顶端中部，弧形槽的一端与开口相连通，弧形槽的另一端与球形孔相连通；果实收集装置位于采摘钩爪的正下方，定位导航装置包括双目摄像机、DGPS接收机和天线。本发明以龙门支架为载体，通过图像信息反馈目标草莓并精确定位后，由伺服电机驱动连杆机构进而使采摘钩爪旋转将草莓摘下放入草莓收集装置。
Description
技术领域
本发明涉及农用机械技术领域，特别是一种模仿人手型的草莓采摘机器及采摘方法。
背景技术
近年来随着草莓采摘种植的推广，我们草莓栽培面积不断扩大。我国一般在温室中进行垄作草莓栽培，草莓收获一般完全依赖人工，劳动强度大，效率低，既浪费大量人力，又浪费了较多时间。因此，减轻劳动强度，降低劳动成本，成为草莓采摘的重中之重。
基于此，国内外学者均对草莓采摘机器进行了研制，并且针对高架栽培和垄作栽培草莓采摘均有一定的研究成果。然而，现有的草莓采摘机器在使用时有以下不足：
1：现有草莓采摘机器多以剪断茎的方法使果实脱落，但是由于草莓柔软多汁，在收集果实时茎会触碰到其他果实表皮使其被破坏，严重影响草莓品质。
2：国内外现有的大型采摘机器用于采摘草莓时，存在挤压力大等问题，而且大面积采摘时，还容易破坏草莓。因而，这些机器既贵重又不能高效采摘草莓。
3：我国垄作栽培的草莓垄沟狭窄，果实悬挂位置低矮，一些国内外现有的较大型复杂采摘机器无法在此工作环境下得到应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模仿人手型的草莓采摘机器，该模仿人手型的草莓采摘机器以龙门支架为载体，通过图像信息反馈目标草莓并精确定位后，由伺服电机驱动连杆机构进而使采摘钩爪旋转将草莓摘下放入草莓收集装置。另外，本发明结构简单，造价低廉。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种模仿人手型的草莓采摘机器，包括龙门支架、水平滑块、竖直杆、竖向滑块、定位导航装置、草莓采摘装置和果实收集装置。
龙门支架的数量与草莓垄的数量相等，龙门支架沿草莓垄的长度方向架设，一个草莓垄对应一个龙门支架。
每个龙门支架均包括位于草莓垄上方且沿草莓垄长度方向布设的水平导轨；水平滑块与水平导轨滑动连接，竖直杆的顶端与水平滑块固定连接。
竖向滑块滑动套装在竖直杆的外周，并能沿竖直杆的高度方向进行升降。
竖向滑块的一个侧面上设置有相互平行的上部滑块运动导槽和下部滑块运动导槽，且上部滑块运动导槽的长度方向与草莓垄的长度方向相垂直；上部滑块运动导槽中滑动连接有上部滑块，下部滑块运动导槽中滑动连接有下部滑块。
草莓采摘装置包括上部连杆、下部连杆和采摘钩爪；上部连杆的一端与上部滑块固定连接，上部连杆的另一端与采摘钩爪的顶端相铰接；下部连杆的一端与下部滑块固定连接，下部连杆的另一端与采摘钩爪的底端相铰接；上部滑块、上部连杆、采摘钩爪、下部连杆和下部滑块形成一个四连杆机构。
采摘钩爪上设置有开口、弧形槽和球形孔；开口设置在采摘钩爪的顶端中部，弧形槽的一端与开口相连通，弧形槽的另一端与球形孔相连通，弧形槽的宽度大于果茎的直径，但小于球形孔的直径。
果实收集装置位于采摘钩爪的正下方，且通过连接杆与竖向滑块底部相连接。
定位导航装置包括双目摄像机、DGPS接收机和天线；双目摄像机设置在朝向草莓垄一侧的竖向滑块上，DGPS接收机和天线设置在竖向滑块上。
还包括设置在竖向滑块上的工控机，工控机与定位导航装置相连接。
相邻两个龙门支架之间通过弧形过渡架相连接，弧形过渡架上设置有与水平导轨相连通的弧形导轨。
水平滑块沿水平导轨的水平滑移由水平滑块伺服电机所驱动，水平滑块伺服电机与工控机相连接。
上部滑块沿上部滑块运动导槽的滑移由上部滑块伺服电机所驱动，下部滑块沿下部滑动运动导槽的滑移由下部滑块伺服电机所驱动，上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机均与工控机相连接。
竖向滑块沿竖向杆的滑移由竖向滑块伺服电机所驱动，竖向滑块伺服电机与工控机相连接。
球形孔的内壁面以及果实收集装置的内壁面均设置有弹性材料层。
本发明还提供一种模仿人手型的草莓采摘方法，该模仿人手型的草莓采摘方法以龙门支架为载体，通过图像信息反馈目标草莓并精确定位后，由伺服电机驱动连杆机构进而使采摘钩爪旋转将草莓摘下放入草莓收集装置。另外，本发明结构简单，造价低廉。
一种模仿人手型的草莓采摘方法，包括如下步骤。
步骤1，水平滑块水平滑移：在水平滑块伺服电机的驱动下，水平滑块沿龙门支架上的水平导轨滑移。
步骤2，草莓成熟度识别：在步骤1水平滑块水平滑移的过程中，双目摄像机采集面对的草莓垄图像，并将草莓垄图像传递给工控机，工控机将接收的草莓垄图像中的草莓与存储的成熟的草莓图像进行对比比较，从而进行草莓成熟度的识别。
步骤3，成熟草莓位置定位：当步骤2中，判断为草莓已成熟后，工控机结合DGPS提供的定位信息，对成熟草莓进行位置定位，并计算各成熟草莓果实的质心在世界坐标系下的坐标值。
步骤4，成熟草莓采摘：假设采摘钩爪的长度为a，工控机通过调节竖向滑块将采摘钩爪的顶端移到水平和竖直方向与草莓果实的质心平齐，纵深方向与草莓果实的质心的距离为a的位置；然后采摘钩爪在上部连杆和下部连杆的控制下进行旋转运动，将草莓果茎从采摘钩爪的开口进入并引入至弧形槽中，接着，草莓果实逐渐进入球形孔中，随着旋转运动的进行，草莓果实与草莓果茎脱离。
步骤5，草莓收集：在上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机的控制下，采摘钩爪反转，利用惯性将草莓果实轻轻抛落至果实收集装置中。
步骤6，草莓重复采摘：采摘钩爪复位，进行下一次采摘。
本发明具有如下有益效果：
1.现有草莓采摘机器多以剪断茎的方法使果实脱落，在收集果实时茎会碰触到其他果实表皮，将其破坏。本发明充分模仿人工采摘方式，通过机械控制机械手旋转夹取草莓将其采摘，大大提高了采摘果实的品质。
2.其能够实现水平、竖直、纵深三个方向的精密导航运动，末端采摘钩爪在电机的调节下可做旋转运动并调节角度，在图像信息反馈设备辅助下能够精确定位并夹取草莓，实现果实的精确采摘。
3. 由于每一垄上的龙门支架可以连接起来，草莓采摘机器人能够在上连续移动，从而可实现垄作草莓的连续采摘。
附图说明
图1显示了本发明一种模仿人手型的草莓采摘机器的结构示意图。
图2显示了竖直杆与水平滑块的连接示意图。
图3显示了竖向滑块以及采摘装置的结构示意图。
图4显示了上部滑块的结构示意图。
图5显示了上部连杆与上部滑块的连接示意图。
图6显示了下部连杆的结构示意图。
图7显示了龙门支架及上导轨示意图。
图8显示了采摘钩爪采摘草莓时的结构示意图。
图9显示了采摘钩爪采摘草莓的侧视图。
图10显示了相邻两个垄上的龙门支架的连接示意图。
图中有：1为龙门支架，2为连接螺母，3为竖直杆，4为竖向滑块，5为上部滑块，6为下部滑块，7为采摘钩爪，71为开口；72为弧形槽；73为球形孔；8为上部连杆，9为竖向滑块伺服电机，10为上部滑块伺服电机，11为工控机，12为果实收集装置，13为双目摄像机，14为下部滑块伺服电机，15为上部滑块运动导槽，16为下部滑块运动导槽，17为连接杆，18为水平滑块伺服电机，19为水平滑块，20为水平导轨；21为弧形过渡架；30为草莓；31为草莓果实；32为草莓果茎。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种模仿人手型的草莓采摘机器，包括龙门支架1、水平滑块19、竖直杆3、竖向滑块4、定位导航装置、草莓采摘装置、工控机11和果实收集装置12。
龙门支架的数量与草莓垄的数量相等，龙门支架沿草莓垄的长度方向架设，一个草莓垄对应一个龙门支架。
进一步优选，相邻两个龙门支架之间通过弧形过渡架21相连接，如图10所示，弧形过渡架上设置有与水平导轨相连通的弧形导轨。这样，每一垄上的龙门支架可以连接起来，草莓采摘机器人能够在上连续移动，从而可实现垄作草莓的连续采摘。
如图7所示，每个龙门支架均包括位于草莓垄上方且沿草莓垄长度方向布设的水平导轨20；水平滑块与水平导轨滑动连接，水平滑块沿水平导轨的水平滑移优选由水平滑块伺服电机18所驱动，水平滑块伺服电机与工控机相连接。
如图2所示，竖直杆的顶端优选通过连接螺母2与水平滑块固定连接，从而形成一个整体。
竖向滑块滑动套装在竖直杆的外周，并能沿竖直杆的高度方向进行升降。竖向滑块沿竖向杆的滑移优选由竖向滑块伺服电机9所驱动，竖向滑块伺服电机与工控机相连接。
如图3所示，竖向滑块的一个侧面上设置有相互平行的上部滑块运动导槽15和下部滑块运动导槽16，且上部滑块运动导槽的长度方向与草莓垄的长度方向相垂直。
上部滑块运动导槽中滑动连接有如图4所示的上部滑块5，上部滑块沿上部滑块运动导槽的滑移优选由上部滑块伺服电机10所驱动.
下部滑块运动导槽中滑动连接有下部滑块6，下部滑块沿下部滑动运动导槽的滑移优选由下部滑块伺服电机14所驱动。
上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机均与工控机相连接。
草莓采摘装置包括上部连杆8、下部连杆和采摘钩爪7。
如图5所示，上部连杆的一端与上部滑块固定连接，上部连杆的另一端与采摘钩爪的顶端相铰接。
如图6所示，下部连杆的一端与下部滑块固定连接，下部连杆的另一端与采摘钩爪的底端相铰接。
上述上部滑块、上部连杆、采摘钩爪、下部连杆和下部滑块形成一个四连杆机构。
如图8和图9所示，采摘钩爪上设置有开口71、弧形槽72和球形孔73；开口设置在采摘钩爪的顶端中部，弧形槽的一端与开口相连通，弧形槽的另一端与球形孔相连通，弧形槽的宽度大于果茎的直径，但小于球形孔的直径。上述弧形槽从顶端（也即首端）往中部槽宽渐窄至无槽，且球形孔铸造在在弧形槽的末端（也即底端）。
果实收集装置位于采摘钩爪的正下方，且通过连接杆17与竖向滑块底部相连接。
定位导航装置与工控机相连接，定位导航装置包括双目摄像机13、DGPS接收机和天线；双目摄像机设置在朝向草莓垄一侧的竖向滑块上，DGPS接收机和天线设置在竖向滑块上。
DGPS接收机的输入端连接天线，DGPS接收机的输出端与工控机相连。当双目摄像机13检测到移动平台前无成熟草莓时，机器人系统采用DGPS导航方式。当双目摄像机13检测到移动平台前有成熟草莓时，机器人导航系统通过前双目摄像机13检测草莓相对移动平台位置信息，工控机根据以上信息进行采摘路径规划，进而完成采摘过程。采摘结束后，机器人导航系统转为DGPS导航方式。
进一步，上述球形孔的内壁面以及果实收集装置的内壁面均优选设置有弹性材料层。
一种模仿人手型的草莓采摘方法，包括如下步骤。
步骤1，水平滑块水平滑移：在水平滑块伺服电机的驱动下，水平滑块沿龙门支架上的水平导轨滑移。
步骤2，草莓成熟度识别：在步骤1水平滑块水平滑移的过程中，双目摄像机采集面对的草莓垄图像，并将草莓垄图像传递给工控机，工控机将接收的草莓垄图像中的草莓与存储的成熟的草莓图像进行对比比较，从而进行草莓成熟度的识别。
步骤3，成熟草莓位置定位：当步骤2中，判断为草莓已成熟后，工控机结合DGPS提供的定位信息，对成熟草莓进行位置定位，并计算各成熟草莓果实的质心在世界坐标系下的坐标值。
步骤4，成熟草莓采摘：假设采摘钩爪的长度为a，工控机通过调节竖向滑块将采摘钩爪的顶端移到水平和竖直方向与草莓果实的质心平齐，纵深方向与草莓果实的质心的距离为a的位置；然后采摘钩爪在上部连杆和下部连杆的控制下进行旋转运动，将草莓果茎从采摘钩爪的开口进入并引入至弧形槽中，接着，草莓果实逐渐进入球形孔中，随着旋转运动的进行，草莓果实与草莓果茎脱离。
步骤5，草莓收集：在上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机的控制下，采摘钩爪反转，利用惯性将草莓果实轻轻抛落至果实收集装置中。
步骤6，草莓重复采摘：采摘钩爪复位，进行下一次采摘。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：包括龙门支架、水平滑块、竖直杆、竖向滑块、定位导航装置、草莓采摘装置和果实收集装置；
龙门支架的数量与草莓垄的数量相等，龙门支架沿草莓垄的长度方向架设，一个草莓垄对应一个龙门支架；
每个龙门支架均包括位于草莓垄上方且沿草莓垄长度方向布设的水平导轨；水平滑块与水平导轨滑动连接，竖直杆的顶端与水平滑块固定连接；
竖向滑块滑动套装在竖直杆的外周，并能沿竖直杆的高度方向进行升降；
竖向滑块的一个侧面上设置有相互平行的上部滑块运动导槽和下部滑块运动导槽，且上部滑块运动导槽的长度方向与草莓垄的长度方向相垂直；上部滑块运动导槽中滑动连接有上部滑块，下部滑块运动导槽中滑动连接有下部滑块；
草莓采摘装置包括上部连杆、下部连杆和采摘钩爪；上部连杆的一端与上部滑块固定连接，上部连杆的另一端与采摘钩爪的顶端相铰接；下部连杆的一端与下部滑块固定连接，下部连杆的另一端与采摘钩爪的底端相铰接；上部滑块、上部连杆、采摘钩爪、下部连杆和下部滑块形成一个四连杆机构；
采摘钩爪上设置有开口、弧形槽和球形孔；开口设置在采摘钩爪的顶端中部，弧形槽的一端与开口相连通，弧形槽的另一端与球形孔相连通，弧形槽的宽度大于果茎的直径，但小于球形孔的直径；
果实收集装置位于采摘钩爪的正下方，且通过连接杆与竖向滑块底部相连接；
定位导航装置包括双目摄像机、DGPS接收机和天线；双目摄像机设置在朝向草莓垄一侧的竖向滑块上，DGPS接收机和天线设置在竖向滑块上。
2.根据权利要求1所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：还包括设置在竖向滑块上的工控机，工控机与定位导航装置相连接。
3.根据权利要求1所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：相邻两个龙门支架之间通过弧形过渡架相连接，弧形过渡架上设置有与水平导轨相连通的弧形导轨。
4.根据权利要求2所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：水平滑块沿水平导轨的水平滑移由水平滑块伺服电机所驱动，水平滑块伺服电机与工控机相连接。
5.根据权利要求2所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：上部滑块沿上部滑块运动导槽的滑移由上部滑块伺服电机所驱动，下部滑块沿下部滑动运动导槽的滑移由下部滑块伺服电机所驱动，上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机均与工控机相连接。
6.根据权利要求2所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：竖向滑块沿竖向杆的滑移由竖向滑块伺服电机所驱动，竖向滑块伺服电机与工控机相连接。
7.根据权利要求1所述的模仿人手型的草莓采摘机器，其特征在于：球形孔的内壁面以及果实收集装置的内壁面均设置有弹性材料层。
8.一种模仿人手型的草莓采摘方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，水平滑块水平滑移：在水平滑块伺服电机的驱动下，水平滑块沿龙门支架上的水平导轨滑移；
步骤2，草莓成熟度识别：在步骤1水平滑块水平滑移的过程中，双目摄像机采集面对的草莓垄图像，并将草莓垄图像传递给工控机，工控机将接收的草莓垄图像中的草莓与存储的成熟的草莓图像进行对比比较，从而进行草莓成熟度的识别；
步骤3，成熟草莓位置定位：当步骤2中，判断为草莓已成熟后，工控机结合DGPS提供的定位信息，对成熟草莓进行位置定位，并计算各成熟草莓果实的质心在世界坐标系下的坐标值；
步骤4，成熟草莓采摘：假设采摘钩爪的长度为a，工控机通过调节竖向滑块将采摘钩爪的顶端移到水平和竖直方向与草莓果实的质心平齐，纵深方向与草莓果实的质心的距离为a的位置；然后采摘钩爪在上部连杆和下部连杆的控制下进行旋转运动，将草莓果茎从采摘钩爪的开口进入并引入至弧形槽中，接着，草莓果实逐渐进入球形孔中，随着旋转运动的进行，草莓果实与草莓果茎脱离；
步骤5，草莓收集：在上部滑块伺服电机和下部滑块伺服电机的控制下，采摘钩爪反转，利用惯性将草莓果实轻轻抛落至果实收集装置中；
步骤6，草莓重复采摘：采摘钩爪复位，进行下一次采摘。
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