CN108575318A - 一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置及方法，包括：移动装置、承载装置、采摘装置和控制系统；车架安装在移动装置上，储藏室设置于车架上；采摘装置包括多个自由度的机械臂机构和柔性机械手，机械臂机构设置有信号接收端，柔性机械手设置于机械臂机构的运动端，柔性机械手设置有信号接收端；控制系统包括中央处理器和光学识别传感器，光学识别传感器设置于机械臂机构的运动端；光学识别传感器的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接，中央处理器的信号输出端分别与机械臂机构和柔性机械手的信号接收端相连接。本发明的装置灵巧性较高，能够较精确的采集果实信息并判断其成熟度，可降低草莓采摘的损伤率。

Description

一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置及方法

技术领域

本发明属于草莓采摘技术领域，特别涉及一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置及方法。

背景技术

现有的草莓采摘方式主要分为人工采摘和机械采摘两种。人工采摘方式的成本较高，且工作效率较低。由于采摘环境的复杂性和不确定性，现有的采摘机械智能化水平还没有达到农业生产的要求，离实用化和商品化还存在一定距离；主要问题在于果实识别率偏低，采摘过程中果实的损伤率较高以及采摘机械的灵巧性较低，不能满足草莓采摘的实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的基于柔性机械手的草莓自动采摘装置灵巧性较高，能够较精确的采集果实信息并判断其成熟度；通过柔性机械手进行采摘可降低采摘过程中果实的损伤率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，包括：移动装置、承载装置、采摘装置和控制系统；承载装置包括车架和储藏室；车架安装在移动装置上，储藏室设置于车架上，储藏室能够储藏采摘下的草莓，承载装置通过移动装置能够进行移动；采摘装置包括多个自由度的机械臂机构和柔性机械手，机械臂机构设置有信号接收端，机械臂机构通过安装座安装在车架上，柔性机械手设置于机械臂机构的运动端，柔性机械手设置有信号接收端，机械臂机构能够带动柔性机械手运动，柔性机械手能够采摘草莓；控制系统包括中央处理器和光学识别传感器；光学识别传感器设置于机械臂机构的运动端，光学识别传感器能够采集待摘草莓的信息；光学识别传感器的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接，中央处理器的信号输出端分别与机械臂机构和柔性机械手的信号接收端相连接，中央处理器能够控制机械臂机构和柔性机械手的运动。

进一步的，光学识别传感器包括彩色摄像头，彩色摄像头能够采集待摘草莓的颜色信息和距离信息。

进一步的，柔性机械手为柔性内空式机械手，所述柔性内空式机械手包括柔性材料制成的中空结构，中空结构的一端开口，另一端封闭，开口端设置有剪切装置，中空结构能够存储草莓，剪切装置能够将草莓采摘入中空结构中。

进一步的，移动装置为履带式，包括履带、履带轮、车轴和第一驱动装置；履带轮安装在车轴上，履带安装在履带轮上，承载装置安装在车轴上，第一驱动装置的输出轴通过传动装置与履带轮相连接，通过第一驱动装置能够驱动履带轮转动；第一驱动装置设置有信号接收端，第一驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第一驱动装置的运行状态。

进一步的，储藏室为自卸式储藏室，包括输送装置、第二驱动装置和重力传感器；储藏室设置有草莓入口和草莓出口，柔性机械手采摘的草莓能够通过草莓入口送入储藏室；

输送装置包括输送带和传送轮，输送带安装在传送轮上，传送轮通过传动装置与第二驱动装置的输出轴相连接，通过第二驱动装置能够驱动传送轮带动输送带运动，通过输送装置能够将储藏室内的草莓通过草莓出口送出；重力传感器设置于储藏室的底部，通过重力传感器能够测量储藏室内草莓的重量，重力传感器的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接；第二驱动装置设置有信号接收端，第二驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第二驱动装置的运行状态。

进一步的，机械臂机构包括机械臂和第三驱动装置；机械臂的固定端设置有连接装置；机械臂的安装座包括齿轮底座和转轴；齿轮底座设置有安装孔，安装孔与机械臂的连接装置相匹配，机械臂上的连接装置通过安装孔能够与齿轮底座固定连接；齿轮底座通过转轴旋转设置于承载装置上；第三驱动装置的输出轴通过传动装置与齿轮底座相连接，第三驱动装置能够驱动齿轮底座绕转轴的轴线转动；第三驱动装置设置有信号接收端，第三驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第三驱动装置的运行状态。

进一步的，机械臂为多杆机构，包括第一连杆、第二连杆和第四驱动装置；第一连杆的一端与安装座固定连接，第一连杆的另一端通过齿轮传动装置与第二连杆的一端相连接，第二连杆的另一端设置有连接座，连接座用于安装柔性机械手与光学传感器；第四驱动装置的输出轴通过传动装置与所述齿轮传动装置相连接，第四驱动装置通过驱动所述齿轮传动装置能够使第一连杆和第二连杆发生相对转动；第四驱动装置设置有信号接收端，第四驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第四驱动装置的运行状态。

进一步的，第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置和第四驱动装置均为步进电机。

进一步的，中央处理器内设置有预存信息，中央处理器将接收的光学识别传感器采集的信息与预存信息进行比较后能够判断草莓的成熟度。

一种基于柔性机械手的草莓自动采摘方法，基于上述任一种草莓自动采摘装置，具体步骤包括：

步骤1：通过移动装置将所述草莓自动采摘装置运送至采摘地点；

步骤2：通过中央处理器控制机械臂机构带动光学识别传感器采集待摘草莓的颜色信息和位置信息；

步骤3：中央处理器将步骤2中光学识别传感器采集的颜色信息与预存的信息进行比较，得出待摘草莓是否成熟；如果成熟，跳转至步骤4，如果不成熟跳转至步骤1；

步骤4，中央处理器控制机械臂机构及柔性机械手运动，采摘步骤3中判断为成熟的草莓，并将采摘的草莓放入储藏室；

步骤5，重复步骤1至4，直至草莓采摘完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，通过移动装置可将所述采摘装置运送至不同的采摘地，优化了使用体验；车架作为整个自动采摘装置的骨架，起支撑作用；储藏室用于储藏采摘的草莓果实；设置有多个自由度的机械臂机构和机械手，增强了自动采摘装置的灵巧性，能够适应复杂的采摘环境；通过柔性机械手进行草莓果实的采摘，便于抓住大小不同的草莓，可提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；光学识别传感器能够采集待摘草莓的信息，通过光学识别传感器与中央处理器相配合的方式，可较准确的判断草莓果实的成熟度，能够提高采摘的精确性。本发明的采摘装置能够满足草莓自动采摘的实际需要。

进一步的，彩色摄像头能够采集待摘草莓的图片，中央处理器通过采集的图片能够获取待摘草莓的颜色和位置信息，将信息处理后能够得出功能执行机构的执行信号。

进一步的，柔性机械手为柔性内空式机械手，柔性内空式机械手的指爪为中空的橡胶柔性内空式机械手，由高弹性的橡胶制作而成，弹性好，便于草莓的采摘和释放，可进一步降低草莓采摘过程中的损伤率；当接收到CPU控制器发出的指令时，柔性机械手执行抓取动作，柔性机械手抓住草莓，并剪切摘取草莓。

进一步的，移动装置采用履带式结构，能够适应较复杂的路面环境，可在松软地面和坡陡地面上较平稳行驶，能够辅助提高采摘的精确性。

进一步的，采用自卸式储藏室便于从储藏室中取出摘下的草莓，工作效率较高；通过重力传感器采集摘下的草莓的重量，采集的信息传输给中央处理器，采摘下的草莓到达一定重量时，中央处理器向第二驱动装置发出卸载命令，第二驱动装置启动，通过传动机构带动传送轮转动，传送轮带动输送带运动，放置在输送带上的草莓通过草莓出口送出储藏室。

进一步的，机械臂机构为多杆机构且与可转动的齿轮底座连接，能够进一步提高采摘装置的灵活性，便于适应复杂的采摘环境。

本发明的自动采摘方法能够用于本发明的自动采摘装置，可实现草莓的自动采摘，工作效率较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置的整体结构示意图；

图2是图1中储藏室的竖直面剖视结构示意图；

图3是图1中机械臂机构与车架连接处的俯视结构示意图；

图1至图3中，1、履带轮；2、履带；3、储藏室；4、车架；5、机械臂的安装座；6、机械臂；7、第一安装座；8第二安装座、；9、光学识别传感器；10、柔性内空式机械手；11、传送轮；12、输送带；14、车轴；15、第一转轴；16、第二转轴；17、第三转轴；18、步进电机转轴；19、齿轮传动主动轮；20、底座转动轴；21、齿轮底座。

具体实施方式

参考图1至图3，本发明的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，包括：移动装置、承载装置、采摘装置和控制系统，控制系统集成为控制箱设置于承载装置上，控制系统的信号传递可通过无线或有线的方式。

移动装置为履带式，包括履带2、履带轮1、车轴14和第一驱动装置；履带轮1采用橡胶材质，可增大与地面的接触摩擦力，四个履带轮1安装在两根车轴14上，履带2安装在履带轮1上，作为一个整体固定在车架4上。第一驱动装置的输出轴通过传动装置与履带轮1相连接，通过第一驱动装置能够驱动履带轮1转动；第一驱动装置设置有信号接收端，第一驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第一驱动装置的运行状态。采用履带式移动装置可增强对地面适应性能力，能够避免车轮式行走机构对于松软地面和坡陡地面适应性差和影响机器臂的运动精度的缺点。第一驱动装置为步进电机。

承载装置包括车架4和储藏室3；车架4安装在移动装置上，储藏室3设置于车架上，储藏室3能够储藏采摘下的草莓，承载装置通过移动装置能够进行移动；采摘装置包括多个自由度的机械臂机构和柔性机械手，机械臂机构设置有信号接收端，机械臂机构通过安装座安装在车架4上，柔性机械手通过柔性机械手安装座设置于机械臂机构的运动端，柔性机械手设置有信号接收端，机械臂机构能够带动柔性机械手运动，柔性机械手能够采摘草莓；控制系统包括中央处理器和光学识别传感器9；光学识别传感器9通过光学识别传感器安装座设置于机械臂机构的运动端，光学识别传感器9靠近柔性机械手布置，光学识别传感器9能够采集待摘草莓的信息。光学识别传感器9的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接，中央处理器的信号输出端分别与机械臂机构和柔性机械手的信号接收端相连接，中央处理器能够控制机械臂机构和柔性机械手的运动。

光学识别传感器9包括彩色摄像头，彩色摄像头能够采集待摘草莓的颜色信息和距离信息。彩色摄像头拍摄待摘草莓的图片，拍摄的图片传递给中央处理器，中央处理器中预设有判断草莓成熟度的颜色信息，中央处理器将采集照片中草莓的颜色信息与预设颜色信息进行比较，从而能够较精确的判断出待摘草莓的成熟度。

柔性机械手为柔性内空式机械手10，柔性内空式机械手10包括柔性材料制成的中空结构，中空结构的一端开口，另一端封闭；中空结构为碗状由橡胶加工制成，碗口处固定设置有X形剪切装置，中空结构能够存储草莓，剪切装置能够将草莓采摘入中空结构中。X形剪切装置的两个切刀通过铰接轴铰接，通过传动装置带动铰接轴转动可实现X形剪切装置的开合，X形剪切装置闭合完成采摘的同时，能够封闭中空结构的碗口，可避免采摘的草莓洒出。光学识别传感器9和柔性内空式机械手10安装在柔性机械手安装座和光学识别传感器座上，其中柔性内空式机械手是中空的，采用优质高弹性橡胶作为柔性机械手，采用气动方式，利用气缸产生负压，利用气压差使橡胶柔性机械手变形，从而能够抓住大小不同的草莓。

储藏室3为自卸式储藏室，包括输送装置、第二驱动装置和重力传感器；储藏室3设置有草莓入口和草莓出口，柔性机械手采摘的草莓能够通过草莓入口送入储藏室。输送装置设置于储藏室3的底部，包括输送带12和传送轮11，输送带112由橡胶材料制成并安装在传送轮11上，传送轮11转动设置于车架4上。传送轮11通过传动装置与第二驱动装置的输出轴相连接，通过第二驱动装置能够驱动传送轮11带动输送带12运动，通过输送装置能够将储藏室3内的草莓通过草莓出口送出；重力传感器设置于储藏室的底部，通过重力传感器能够测量储藏室内草莓的重量，重力传感器的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接；第二驱动装置设置有信号接收端，第二驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第二驱动装置的运行状态。第二驱动装置为步进电机，步进电机通过螺栓等形式固定在车架上。

机械臂机构包括机械臂6和第三驱动装置；机械臂6的固定端设置有连接装置；机械臂的安装座5包括齿轮底座21和底座转动轴20；齿轮底座21设置有安装孔，安装孔与机械臂6的连接装置相匹配，机械臂6上的连接装置通过安装孔和第一转轴15与齿轮底座21固定连接；齿轮底座21通过底座转动轴20旋转设置于承载装置上；第三驱动装置的输出轴通过齿轮传动主动轮19与齿轮底座21相连接，第三驱动装置能够驱动齿轮底座21绕底座转动轴20的轴线转动；第三驱动装置设置有信号接收端，第三驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第三驱动装置的运行状态。机械臂6为多杆机构，包括第一连杆、第二连杆和第四驱动装置；第一连杆的一端与安装座固定连接，第一连杆的另一端通过第二转轴16等形式的齿轮传动装置与第二连杆的一端相连接，第二连杆的另一端通过第三转轴17设置有第一安装座7，第一安装座7用于安装步进电机，通过步进电机转轴18连接有第二安装座8，第二安装座8用于安装柔性机械手与光学传感器；第四驱动装置的输出轴通过传动装置与所述齿轮传动装置相连接，第四驱动装置通过驱动所述齿轮传动装置能够使第一连杆和第二连杆发生相对转动；第四驱动装置设置有信号接收端，第四驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第四驱动装置的运行状态。第三驱动装置和第四驱动装置均为步进电机。

本发明的草莓成熟度的判别原理和方法：

中央处理器内设置有预存信息，中央处理器将接收的光学识别传感器采集的信息与预存信息进行比较后能够判断草莓的成熟度。通过传感器采集待摘草莓的信息，将信息传递给CPU，通过BP神经网络算法，经过CPU的处理，形成柔性机械手的采摘执行信号，从而能够保证果实的成熟率。通过使用高性能的CPU来加强视频信号的处理，从而提高果实的采摘速度。光学识别传感器结合图像采集，将所得到的信息传输到CPU(即颜色信号)，控制中心对其进行分析是否符合成熟的条件。

本发明的工作过程：

本发明采用履带式的运动方式，通过动力电机将动力传送到驱动轮的传动轴上，带动履带轮转动，进而驱动履带转动，使整个采摘装置能够移动。光学识别传感器采集待摘草莓的信息，发现已经成熟的草莓之后，采集草莓的颜色信息和位置信息，将采集到的信息通过无线的传输的方式实时传输给本装置的中央处理器CPU，CPU通过将采集信息与预设信息进行对比判断草莓的成熟度。草莓判断为不成熟，中央处理器向第一驱动装置、第三驱动装置和第四驱动装置发出执行信号，即同时将信号传送给运动控制装置、机械臂控制装置和柔性机械手控制装置，控制采摘装置移动，同时控制光学识别传感器继续采集待摘草莓的信息。如果判断草莓为成熟，中央处理器向第三驱动装置和第四驱动装置发出执行信号，即将信号传递给机械臂控制装置和柔性机械手控制装置，控制机械臂和柔性机械手采摘草莓，并将草莓放入储藏室。自卸式储藏室内的重力传感器采集储藏室内装入的草莓的重量，当自卸式储藏仓室达到装载量的80％时，重力传感器将反馈信号传递给中央处理器，中央处理器向第二驱动装置发出执行信号，第二驱动装置驱动传送轮，带动输送带将采摘的草莓卸载，工作效率较高。

一种基于柔性机械手的草莓自动采摘方法，应用于上述的草莓自动采摘装置，具体步骤包括：

步骤1：中央处理器向第一驱动装置发出控制信号，通过移动装置将草莓自动采摘装置运送至采摘地点；

步骤2：中央处理器向第三驱动装置和第四驱动装置发出控制信号，通过控制机械臂机构带动光学识别传感器采集待摘草莓的颜色信息和位置信息；

步骤3：中央处理器将步骤2中光学识别传感器采集的颜色信息与预存的信息进行比较，得出待摘草莓是否成熟；如果成熟，跳转至步骤4，如果不成熟跳转至步骤1；

步骤4，中央处理器控制机械臂机构及柔性机械手运动，采摘步骤3中判断为成熟的草莓，并将采摘的草莓放入储藏室；

步骤5，重复步骤1至4，直至草莓采摘完成。

步骤6，重力传感器采集装入储藏室内草莓的重量信息，并传递给中央处理器，当储藏室的装载量达到80％时，中央处理器控制第二驱动装置自动完成草莓的卸载。

Claims (10)

1.一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，包括：移动装置、承载装置、采摘装置和控制系统；

承载装置包括车架(4)和储藏室(3)；车架(4)安装在移动装置上，储藏室(3)设置于车架(4)上，储藏室(3)能够储藏采摘下的草莓，承载装置通过移动装置能够进行移动；

采摘装置包括多个自由度的机械臂机构和柔性机械手，机械臂机构设置有信号接收端，机械臂机构通过安装座安装在车架(4)上，柔性机械手设置于机械臂机构的运动端，柔性机械手设置有信号接收端，机械臂机构能够带动柔性机械手运动，柔性机械手能够采摘草莓；

控制系统包括中央处理器和光学识别传感器(9)；光学识别传感器(9)设置于机械臂机构的运动端，光学识别传感器(9)能够采集待摘草莓的信息；光学识别传感器(9)的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接，中央处理器的信号输出端分别与机械臂机构和柔性机械手的信号接收端相连接，中央处理器能够控制机械臂机构和柔性机械手的运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，光学识别传感器(9)包括彩色摄像头，彩色摄像头能够采集待摘草莓的颜色信息和距离信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，柔性机械手为柔性内空式机械手(10)，所述柔性内空式机械手(10)包括柔性材料制成的中空结构，中空结构的一端开口，另一端封闭，开口端设置有剪切装置，中空结构能够存储草莓，剪切装置能够将草莓采摘入中空结构中。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，移动装置为履带式，包括履带(2)、履带轮(1)、车轴(14)和第一驱动装置；

履带轮(1)安装在车轴(14)上，履带(2)安装在履带轮(1)上，承载装置安装在车轴(14)上，第一驱动装置的输出轴通过传动装置与履带轮(1)相连接，通过第一驱动装置能够驱动履带轮(1)转动；

第一驱动装置设置有信号接收端，第一驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第一驱动装置的运行状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，储藏室(3)为自卸式储藏室，包括输送装置、第二驱动装置和重力传感器；

储藏室(3)设置有草莓入口和草莓出口，柔性机械手采摘的草莓能够通过草莓入口送入储藏室(3)；

输送装置包括输送带(12)和传送轮(11)，输送带(12)安装在传送轮上，传送轮(11)通过传动装置与第二驱动装置的输出轴相连接，通过第二驱动装置能够驱动传送轮带动输送带(12)运动，通过输送装置能够将储藏室(3)内的草莓通过草莓出口送出；

重力传感器设置于储藏室(3)的底部，通过重力传感器能够测量储藏室(3)内草莓的重量，重力传感器的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接；

第二驱动装置设置有信号接收端，第二驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第二驱动装置的运行状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，机械臂机构包括机械臂(6)和第三驱动装置；

机械臂(6)的固定端设置有连接装置；机械臂的安装座(5)包括齿轮底座(21)和底座转动轴(20)；齿轮底座(21)设置有安装孔，安装孔与机械臂的连接装置相匹配，机械臂(6)上的连接装置通过安装孔能够与齿轮底座(21)固定连接；齿轮底座(21)通过底座转动轴(20)旋转设置于承载装置上；

第三驱动装置的输出轴通过传动装置与齿轮底座(21)相连接，第三驱动装置能够驱动齿轮底座(21)绕底座转动轴(20)的轴线转动；第三驱动装置设置有信号接收端，第三驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第三驱动装置的运行状态。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，机械臂(6)为多杆机构，包括第一连杆、第二连杆和第四驱动装置；

第一连杆的一端与安装座固定连接，第一连杆的另一端通过齿轮传动装置与第二连杆的一端相连接，第二连杆的另一端设置有连接座，连接座用于安装柔性机械手与光学识别传感器(9)；

第四驱动装置的输出轴通过传动装置与所述齿轮传动装置相连接，第四驱动装置通过驱动所述齿轮传动装置能够使第一连杆和第二连杆发生相对转动；

第四驱动装置设置有信号接收端，第四驱动装置的信号接收端与中央处理器的信号输出端相连接，中央处理器能够控制第四驱动装置的运行状态。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，第一驱动装置、第二驱动装置、第三驱动装置和第四驱动装置均为步进电机。

9.根据权利要求1所述的一种基于柔性机械手的草莓自动采摘装置，其特征在于，中央处理器内设置有预存信息，中央处理器将接收的光学识别传感器(9)采集的信息与预存信息进行比较后能够判断草莓的成熟度。

10.一种基于柔性机械手的草莓自动采摘方法，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的一种草莓自动采摘装置，具体步骤包括：

步骤1：通过移动装置将所述草莓自动采摘装置运送至采摘地点；

步骤2：通过中央处理器控制机械臂机构带动光学识别传感器(9)采集待摘草莓的颜色信息和位置信息；

步骤3：中央处理器将步骤2中光学识别传感器(9)采集的颜色信息与预存的信息进行比较，得出待摘草莓是否成熟；如果成熟，跳转至步骤4，如果不成熟跳转至步骤1；

步骤4，中央处理器控制机械臂机构及柔性机械手运动，采摘步骤3中判断为成熟的草莓，并将采摘的草莓放入储藏室(3)；

步骤5，重复步骤1至4，直至草莓采摘完成。