CN108575321B - 一种水果采摘机器人的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水果采摘机器人的控制方法，所述水果采摘机器人以建立坐标的基础，通过判断控制指令的种类以及果实相对于坐标系的位置，确定是否控制车轮、升级机构、伸缩机构和采摘机构执行相对应的差速旋转动作、转动升降动作、同步伸缩动作和切断动作，由于各个所述控制指令为分开控制，在进行连续采摘过程中能有效避免重复的控制流程，提高了采摘速度以及采摘效率，有效地缩短了采摘水果的周期，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。

Description

一种水果采摘机器人的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及农业设备控制技术领域，尤其涉及一种水果采摘机器人的控制方法及装置。

背景技术

在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50％～70％。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33％～50％。高枝水果的采摘还带有一定的危险性。

随着计算机技术、人工智能技术和自动控制技术的发展，机器人正逐步进入到农业生产领域。从20世纪80年代中期开始，西方发达国家美国、法国、日本、英国等国家，在采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人，如苹果采摘机器人、柑橘采摘机器人、葡萄采摘机器人等。我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期，虽然与发达国家还有很大差距，但是也取得了一些进展。

在水果生产实际中，采摘作业要求机器人不仅能减轻劳动强度，而且更要提高作业效率，而目前的水果采摘机器人采用的控制方法存在采摘速度慢、效率低、周期长等缺点，严重影响了水果采摘机器人的实用化。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种适用于多种水果且可快速识别切断水果的水果采摘机器人的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水果采摘机器人的控制方法，包括：

以采摘机构的位置为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系，其中，所述采摘机构包括第一驱动件、固定座、旋转刀片以及定位板，所述第一驱动件和所述定位板设于所述固定座上，所述第一驱动件用于控制所述旋转刀片转动，所述定位板设有用于导向水果梗部且呈V字型或者U字型的导向槽，所述旋转刀片设于所述导向槽的底部并相对于所述导向槽凸出，所述固定座上设有收集口，所述收集口位于所述旋转刀片的下方，所述第一驱动件与所述旋转刀片之间设有第一传动结构，所述第一传动机构包括第一同步带，所述第一同步带设于所述第一驱动件与所述旋转刀片之间，所述第一驱动件和所述定位板分别设于所述固定座的两侧面；所述升降机构包括第二驱动件、底板、顶板以及丝杆，所述底板设于车身上，所述第二驱动件通过所述底板与所述丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端设于所述顶板上，所述伸缩机构设于所述丝杆的中部，所述伸缩机构设有与所述丝杆相配合的丝杆螺母；所述伸缩结构包括设于所述升降机构上且呈上下对称设置的夹板、设于所述夹板上的第三驱动件、第二传动结构以及导向结构，所述第二传动结构设于上下设置的所述夹板的中间，所述第二传动结构包括第二同步带，所述采摘机构与所述第二同步带相连接，所述采摘机构通过所述导向结构设于所述夹板上；

接收用户端发送的控制指令；

判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构执行切断动作。

作为优选方案，在执行所述差速旋转动作之前，还包括计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度。

作为优选方案，在执行所述转动升降动作之前，还包括计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

作为优选方案，在执行所述同步伸缩动作之前，还包括计算所述YOZ平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述伸缩机构的同步带的传动圈数。

本发明还提供了一种水果采摘机器人的控制装置，包括：

坐标系建立模块，用于以采摘机构的位置为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系，其中，所述采摘机构包括第一驱动件、固定座、旋转刀片以及定位板，所述第一驱动件和所述定位板设于所述固定座上，所述第一驱动件用于控制所述旋转刀片转动，所述定位板设有用于导向水果梗部且呈V字型或者U字型的导向槽，所述旋转刀片设于所述导向槽的底部并相对于所述导向槽凸出，所述固定座上设有收集口，所述收集口位于所述旋转刀片的下方，所述第一驱动件与所述旋转刀片之间设有第一传动结构，所述第一传动机构包括第一同步带，所述第一同步带设于所述第一驱动件与所述旋转刀片之间，所述第一驱动件和所述定位板分别设于所述固定座的两侧面；所述升降机构包括第二驱动件、底板、顶板以及丝杆，所述底板设于车身上，所述第二驱动件通过所述底板与所述丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端设于所述顶板上，所述伸缩机构设于所述丝杆的中部，所述伸缩机构设有与所述丝杆相配合的丝杆螺母；所述伸缩结构包括设于所述升降机构上且呈上下对称设置的夹板、设于所述夹板上的第三驱动件、第二传动结构以及导向结构，所述第二传动结构设于上下设置的所述夹板的中间，所述第二传动结构包括第二同步带，所述采摘机构与所述第二同步带相连接，所述采摘机构通过所述导向结构设于所述夹板上；

接收模块，用于接收用户端发送的控制指令；

判断模块，用于判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

第一控制模块，用于若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

第二控制模块，用于若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

第三控制模块，用于若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

第四控制模块，用于若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构执行切断动作。

作为优选方案，还包括：第一计算单元，用于在执行所述差速旋转动作之前，计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度。

作为优选方案，还包括：第二计算单元，用于在执行所述转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

作为优选方案，还包括：第三计算单元，用于在执行所述转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

本发明所提供的水果采摘机器人的控制方法，与现有技术相比，其有益效果是：本发明所述水果采摘机器人的控制方法，适用于苹果、梨子等树生水果进行自动化采摘，以建立坐标的基础，通过判断控制指令的种类以及果实相对于坐标系的位置，确定是否控制车轮、升级机构、伸缩机构和采摘机构执行相对应的差速旋转动作、转动升降动作、同步伸缩动作和切断动作，由于各个所述控制指令为分开控制，在进行连续采摘过程中能有效避免重复的控制流程，提高了采摘速度以及采摘效率，有效地缩短了采摘水果的周期，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例的水果采摘机器人的控制方法流程示意图。

图2为本发明优选实施例的水果采摘机器人的立体结构示意图。

图3为本发明优选实施例的水果采摘机器人的侧视结构示意图。

图4为本发明优选实施例的水果采摘机器人的采摘机构结构示意图。

图5为图4另一视角的结构示意图。

图6为本发明优选实施例的水果采摘机器人的伸缩机构结构示意图。

图7为本发明优选实施例的水果采摘机器人的伸缩机构内部结构示意图。

图中：

10.车身；11.存储框；12.车轮；13.电机；14.入口；

20.采摘机构；21.第一驱动件；22.固定座；23.第一同步带；24.定位板；241.导向槽；242.容纳孔；25.旋转刀片；26.收集口；

30.升降机构；31.第二驱动件；32.底板；33.顶板；34.丝杆；35.导向轴；36.丝杠螺母；

40.伸缩机构；41.第三驱动件；42.夹板；43.第二同步带；44.导轨；45.滑块；46.连接块；47.连接杆；48.套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定及限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明优选的实施例提供了一种水果采摘机器人的控制方法，包括：

以采摘机构的位置为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系；

接收用户端发送的控制指令；

判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构执行切断动作。

基于上述技术特征的水果采摘机器人的控制方法，所述水果采摘机器人的控制方法，适用于苹果、梨子等树生水果进行自动化采摘，以建立坐标的基础，通过判断控制指令的种类以及果实相对于坐标系的位置，确定是否控制车轮、升级机构、伸缩机构和采摘机构执行相对应的差速旋转动作、转动升降动作同步伸缩动作和切断动作，由于各个所述控制指令为分开控制，在进行连续采摘过程中能有效避免重复的控制流程，提高了采摘速度以及采摘效率，有效地缩短了采摘水果的周期，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。

如图2及图3所示，具体的，在本实施例中，以所述采摘机构的旋转刀片转动中心为原点，以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系，所述第一预设距离和所述第二预设距离是根据所述旋转刀片的规格以及所采摘水果的平均尺寸进行设定，使得在执行切断动作之前，果实上方的梗部能对准所述旋转刀片，便于对水果梗部进行切断，实现对水果的无损采摘，另外，所述用户端可以是包括手机在内的一些移动电子设备，本实施例是利用到手机通信功能，通过手机APP对水果采摘机器人进行运动控制，利用图像识别技术获取水果的位置。

进一步的，在执行所述差速旋转动作之前，还包括计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度，即控制所述小车在XOY平面上旋转，实现控制小车在水平方向上的旋转功能。

进一步的，在执行所述转动升降动作之前，还包括计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数，通过步进电机可精确控制所述丝杆的转动圈数，带动所述采摘机构沿着Z轴方向上移动，从而实现所述采摘机构在竖直方向上的精确定位。

进一步的，在执行所述同步伸缩动作之前，还包括计算所述YOZ平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述伸缩机构的同步带的传动圈数，同样，可利用步进电机精确控制所述同步带的传动一定距离，带动所述采摘机构沿着X轴方向上移动，从而实现所述采摘机构在水平方向的精确定位。

本发明实施例中的一种水果采摘机器人的控制方法中以采摘机构为原点建立坐标系，分别对所述采摘机构的旋转、升降以及伸缩进行控制，实现其在Z轴和X轴上移动以及在XOY平行平面上的旋转，使得水果的梗部能对准到所述旋转刀片上，便于进行切断采摘；不同控制指令分开控制，在进行连续采摘过程中能有效避免重复的控制流程，提高了采摘速度以及采摘效率，有效地缩短了采摘水果的周期，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。

以上是对本发明实施例提供的一种水果采摘机器人的控制方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种水果采摘机器人的控制装置的一个实施例进行详细的描述。

本发明实施例提供的一种水果采摘机器人的控制装置，包括：

坐标系建立模块，用于以采摘机构的位置为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系；

接收模块，用于接收用户端发送的控制指令；

判断模块，用于判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

第一控制模块，用于若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

第二控制模块，用于若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

第三控制模块，用于若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

第四控制模块，用于若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构执行切断动作。

进一步的，还包括：

第一计算单元，用于在执行所述差速旋转动作之前，计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度。

进一步的，包括：

第二计算单元，用于在执行所述

转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

进一步的，包括：

第三计算单元，用于在执行所述转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了更加方便以及简洁的描述，上述中描述的装置、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，如图2至图7所示，以下是对本发明优选实施例的一种水果采摘机器人的结构的具体描述，包括：

用于行走的车身10、升降机构30、伸缩机构40、采摘机构20以及控制装置(附图未标识)，所述车身10、所述升降机构30、所述伸缩机构40以及采摘机构20依次相衔接，所述控制装置设于所述车身10上，所述车身10、所述升降机构30和所述伸缩机构40分别与所述控制装置电性连接，

所述采摘机构20包括第一驱动件21、固定座22、旋转刀片25以及定位板24，所述第一驱动件21与所述定位板24设于所述固定座22上，所述旋转刀片25设于所述定位板24上，所述定位板24设有用于导向水果梗部的导向槽241，所述旋转刀片25相对于所述导向槽241凸出。

在本实施例中，所述车身10设有四个车轮12，控制两个后轮驱动行走，两个后轮分别由两个电机13控制，可共同控制车身10的移动行走，同时，可控制两个后轮的电机13的差速运动实现小车在水平面上的转动，可以理解的是，所述车身10的存储框11可以采用本领域各种常用的结构，例如2020铝型材作为存储框11，本发明对此没有特殊限制，所述车身10的面板材质没有特殊限定，其可以为本领域常用的各种材质，如亚克力板、不锈钢板、铝板等。

进一步的，如图3至图4所示，所述导向槽241呈V字型或者U字型，所述旋转刀片25位于所述定位板24的下方，所述旋转刀片25设于所述导向槽241的底部并相对于所述导向槽241凸出，在进行水果采摘过程中，水果的梗部从所述导向槽241的开口端进入，逐渐沿着所述导向槽241被引导至所述旋转刀片25处，控制所述旋转刀片25对其进行切断，具体的，所述导向槽241的开口端朝外设置，所述导向槽241的封闭端设有容纳孔242，所述容纳孔242可用于防止切断时所述水果梗部的反弹现象发生，可以理解的是，所述旋转刀片25可以采用常见的锯片进行装配，实现对水果的无损采摘。

进一步的，所述第一驱动件21与所述旋转刀片25之间设有第一传动结构，所述第一传动机构包括第一同步带23，所述第一同步带23具有传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好等优点，所述第一同步带23设于所述第一驱动件21与所述旋转刀片25之间，所述第一驱动件21和所述定位板24分别设于所述固定座22的两侧面，使得所述采摘机构20结构更加紧凑，具体的，所述第一驱动件21的输出轴设有用于带动所述第一同步带23转动的主动轮，所述定位板24的上方设有与所述第一同步带23相连接且用于带动所述旋转刀片25转动的从动轮。

进一步的，所述升降机构30包括第二驱动件31、底板32、顶板33以及丝杆34，所述底板32设于所述车身10上，所述第二驱动件31通过所述底板32与所述丝杆34的一端相连接，所述丝杆34的另一端设于所述顶板33上，所述伸缩机构40设于所述丝杆34的中部，所述伸缩机构40设有与所述丝杆34相配合的丝杆螺母36，所述第二驱动件31可控制所述丝杆34转动，所述丝杆34与所述丝杆螺母36之间为螺纹配合，可以将所述丝杆34的转动转化为所述丝杆螺母36的上下移动，实现所述升降机构30的升降功能。

另外，所述升降机构30还包括设于所述丝杠四周的导向轴35以及与所述导向轴35相适配的套筒48，用于辅助所述丝杆34的上升以及下降，在本实施例中，所述导向轴35与所述套筒48的数量均为4个。

进一步的，如图5至图6所示，所述伸缩结构包括设于所述升降机构30上且呈上下对称设置的夹板42、设于所述夹板42上的第三驱动件41、第二传动结构以及导向结构，所述第二传动机构设于上下设置的所述夹板42的中间，上下对称设置的所述夹板42之间设有套筒48用于支撑，同时也可以与所述升降机构30的导向轴35相配合，所述第二传动结构包括第二同步带43，所述采摘机构20与所述第二同步带43相连接，所述采摘机构20通过所述导向结构设于所述夹板42上，另外可以理解的是，所述第二传动结构还包括用于带动所述第二同步带43传动的主动轮和从动轮，所述第二传动结构设于上下夹板42之间，所述第三驱动件41与所述主动轮相连接，具体地，所述采摘机构20通过连接块46和连接杆47与所述采摘机构20相连接，所述连接块46通过螺分别锁死所述第二同步带43和所述连接杆47的一端，所述连接杆47的另一端与所述采摘机构20相连接，使得所述第二同步带43在传动时可带动所述连接块46移动，从而带动所述连接杆47在水平方向上的左右移动，实现所述采摘机构20的水平方向的伸缩移动功能。

进一步的，所述导向结构包括导轨44以及滑块45，所述滑块45设于导轨44上且所述滑块45具有相对于导轨44轴向移动自由度，所述导轨44设于所述夹板42上，所述滑块45与所述伸缩机构40相连接，具体的，所述伸缩机构40是通过所述连接杆47与所述滑块45相连接，用于所述第二同步带43带动所述采摘机构20移动时，对所述采摘机构20的伸缩起到导向以及支撑作用。

进一步的，所述夹板42包括呈矩形状的升降部和条形状的安装部，所述升降部与所述升级机构相连接，所述夹板42呈“由”字型结构，所述第三驱动件41设于所述安装部上，所述安装部与所述升降部的侧面相连接，所述采摘机构20设于所述安装部的相反方向上，有助于整体结构的平衡。

进一步的，所述水果采摘机器人还包括存储机构，具体的，所述存储机构包括设于车身10的存储框11以及设于所述采摘机构20下方的收集口26，所述收集口26与所述存储框11相连通，所述收集口26设于所述固定座22上，可以理解都是，所述收集口26与所述存储框11的入口14之间可以用软管等管状结构进行连通，使得所述旋转刀片25切断果梗后，可由所述收集口26收集掉落的水果，集中至所述存储框11进行储藏，实现所述水果采摘机器人的储藏水果功能。

在本实施例中，所述第一驱动件21为直流电机，所述第二驱动件31和所述第三驱动件41为步进电机，使得可以控制采摘机构20的精确定位；所述第一同步带23选用型号为XL节线长为381的同步带，材料为聚氨酯刚性，其中所述第一同步带23的节距为5.080mm，齿数为75，宽度为10mm；所述第二同步带43选用型号为XL节线长为762的同步带，材料为聚氨酯刚性，其中所述第二同步带43的节距为5.080mm，齿数为150，宽度为10mm；所述丝杆34可选用1605滚珠丝杆，公称直径为16mm，公称导程为5mm，材料为不锈钢，动载荷为780N。

综上所述，本发明实施例所述的水果采摘机器人适用于苹果、梨子等树生水果的采摘，通过机械结构设计和自动控制技术的应用实现多功能自动化，可实现集采摘以及储藏等功能，所述车身10、所述升降机构30和所述伸缩机构40分别控制所述采摘机构20的水平旋转、竖直升降和水平伸缩，所述定位板24可用于安装所述旋转刀片25以及确定果实剪切的位置，所述导向槽241可用于引导果实梗部移动至所述旋转刀片25的切断区域，便于对实现对水果的梗部切断，所述水果采摘机器人能有效地对水果进行快速的采摘，利用旋转刀片25对水果梗部进行切断，自动化程度高，可行性高，通用性强，能广泛应用多种不同水果中的自动化摘取，集水果采摘、水果存放以及运输为一体，节省大量的人力物力财力，能有效地提高果农的作业效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种水果采摘机器人的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

以采摘机构的旋转刀片转动中心为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系，其中，所述采摘机构包括第一驱动件、固定座、旋转刀片以及定位板，所述第一驱动件和所述定位板设于所述固定座上，所述第一驱动件用于控制所述旋转刀片转动，所述定位板设有用于导向水果梗部且呈V字型或者U字型的导向槽，所述旋转刀片设于所述导向槽的底部并相对于所述导向槽凸出，所述固定座上设有收集口，所述收集口位于所述旋转刀片的下方，所述第一驱动件与所述旋转刀片之间设有第一传动结构，所述第一传动机构包括第一同步带，所述第一同步带设于所述第一驱动件与所述旋转刀片之间，所述第一驱动件和所述定位板分别设于所述固定座的两侧面；所述升降机构包括第二驱动件、底板、顶板以及丝杆，所述底板设于车身上，所述第二驱动件通过所述底板与所述丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端设于所述顶板上，所述伸缩机构设于所述丝杆的中部，所述伸缩机构设有与所述丝杆相配合的丝杆螺母；所述伸缩结构包括设于所述升降机构上且呈上下对称设置的夹板、设于所述夹板上的第三驱动件、第二传动结构以及导向结构，所述第二传动结构设于上下设置的所述夹板的中间，所述第二传动结构包括第二同步带，所述采摘机构与所述第二同步带相连接，所述采摘机构通过所述导向结构设于所述夹板上；

接收用户端发送的控制指令；

判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构的旋转刀片转动以执行切断动作，从而使得果实落入至所述旋转刀片下方的收集口。

2.根据权利要求1所述的水果采摘机器人的控制方法，其特征在于，在执行所述差速旋转动作之前，还包括计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度。

3.根据权利要求1所述的水果采摘机器人的控制方法，其特征在于，在执行所述转动升降动作之前，还包括计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

4.根据权利要求1所述的水果采摘机器人的控制方法，其特征在于，在执行所述同步伸缩动作之前，还包括计算所述YOZ平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述伸缩机构的同步带的传动圈数。

5.一种水果采摘机器人的控制装置，其特征在于，包括：

坐标系建立模块，用于以采摘机构的旋转刀片转动中心为原点O、以平行于升降机构的线作为Z轴、以平行于伸缩机构的线为X轴、以及垂直于Z轴和X轴的线作为Y轴建立XYZ坐标系，其中，所述采摘机构包括第一驱动件、固定座、旋转刀片以及定位板，所述第一驱动件和所述定位板设于所述固定座上，所述第一驱动件用于控制所述旋转刀片转动，所述定位板设有用于导向水果梗部且呈V字型或者U字型的导向槽，所述旋转刀片设于所述导向槽的底部并相对于所述导向槽凸出，所述固定座上设有收集口，所述收集口位于所述旋转刀片的下方，所述第一驱动件与所述旋转刀片之间设有第一传动结构，所述第一传动机构包括第一同步带，所述第一同步带设于所述第一驱动件与所述旋转刀片之间，所述第一驱动件和所述定位板分别设于所述固定座的两侧面；所述升降机构包括第二驱动件、底板、顶板以及丝杆，所述底板设于车身上，所述第二驱动件通过所述底板与所述丝杆的一端相连接，所述丝杆的另一端设于所述顶板上，所述伸缩机构设于所述丝杆的中部，所述伸缩机构设有与所述丝杆相配合的丝杆螺母；所述伸缩结构包括设于所述升降机构上且呈上下对称设置的夹板、设于所述夹板上的第三驱动件、第二传动结构以及导向结构，所述第二传动结构设于上下设置的所述夹板的中间，所述第二传动结构包括第二同步带，所述采摘机构与所述第二同步带相连接，所述采摘机构通过所述导向结构设于所述夹板上；

接收模块，用于接收用户端发送的控制指令；

判断模块，用于判断所述控制指令为旋转指令、升降指令、伸缩指令或者切断指令；

第一控制模块，用于若所述控制指令为所述旋转指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOZ平面上，若所述果实不在所述XOZ平面上，则控制车轮执行沿XOY平面旋转的差速旋转动作，若所述果实在所述XOZ平面上，则控制所述车轮执行停止动作；

第二控制模块，用于若所述控制指令为所述升降指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离是否在第一预设距离范围内，若所述果实不在所述XOY平面的下方或者所述果实到所述XOY平面的距离不在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行沿Z轴移动的转动升降动作，若所述果实在所述XOY平面的下方且所述果实到所述XOY平面的距离在第一预设距离范围内，则控制所述升降机构执行停止动作；

第三控制模块，用于若所述控制指令为所述伸缩指令，获取果实的位置并判断所述果实是否在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离是否在第二预设距离范围内，若所述果实不在所述YOZ平面的前方或者所述果实到所述YOZ平面的距离不在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行沿X轴移动的同步伸缩动作，若所述果实在YOZ平面的前方且所述果实到所述YOZ平面的距离在第二预设距离范围内，则控制所述伸缩机构执行停止动作；

第四控制模块，用于若所述控制指令为切断指令，则控制所述采摘机构的旋转刀片转动以执行切断动作，从而使得果实落入至所述旋转刀片下方的收集口。

6.根据权利要求5所述的水果采摘机器人的控制装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于在执行所述差速旋转动作之前，计算所述XOZ平面与所述果实之间旋转夹角，再进行换算不同的所述车轮的转动速度。

7.根据权利要求5所述的水果采摘机器人的控制装置，其特征在于，包括：

第二计算单元，用于在执行所述转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

8.根据权利要求5所述的水果采摘机器人的控制装置，其特征在于，包括：

第三计算单元，用于在执行所述转动升降动作之前，计算所述XOY平面与所述果实之间的实际距离，再进行换算为所述升降机构的丝杆的正反转动圈数。

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