CN108651003B - 一种便携式单人苹果采摘装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式单人苹果采摘装置及方法，手持机构，所述手持机构通过调整机构连接至末端采摘机构，所述末端采摘机构上设置有用于对待采摘对象的图像进行采集的图像采集设备及待采摘对象的位置进行采集的位置采集设备；手持机构、调整机构及末端采摘机构均与控制系统相连；所述控制系统根据图像采集设备及位置采集设备传输来的信息控制调整机构运动继而带动末端采摘机构运动，实现末端采摘机构与待采摘对象的位置确定，之后控制系统控制刀具动作，完成采摘。本发明便可以在人工辅助下利用机器视觉自动寻找苹果，实现苹果半自动采摘，且本发明体积小成本低，适合目前我国苹果种植中果树分布密集且小规模种植的情况。

Description

一种便携式单人苹果采摘装置及方法

技术领域

本发明涉及采摘机器人技术领域，特别是涉及一种单人使用的便携式苹果采摘装置及方法。

背景技术

随着人民生活水平的逐步提高，人们对苹果的需求也日益加深，目前我国的苹果种植面积和苹果年总产量均居世界首位，特别是作为四大水果之一的苹果，在我国的苹果生产中起着举足轻重的作用，我国目前苹果产量占世界苹果总产量的一半以上，使得中国在苹果生产、出口和消费上遥遥领先其他国家。

现阶段，我国人口众多，而且老龄化问题日趋严重，农业劳动力短缺问题日益严重。虽然我国苹果产业快速发展，但也面临着一系列急需解决的问题,其中比较显著的就是我国农业机械化和智能化水平较低，绝大部分苹果的采摘要靠人工来完成。生产技术的落后导致果农劳动强度大、作业环境恶劣、投入成本高以及生产效率低下。苹果采摘工作量相当繁重，一般包括果实成熟度判断、采摘和分级等，其中采摘是苹果生产中耗时费力的环节，需投入整个生产过程50％到70％的劳动力，而且在采摘过程中，果农还需时不时地爬高或弯腰，苦不堪言。不仅如此，采摘作业质量的好坏将直接影响后续的产品加工、储存和运输，从而最终关系到市场价格和经济效益。

目前市场上已经存在苹果全自动采摘装置，然而目前全自动采摘装置多采用移动平台式的设计，只需要人坐在驾驶室就可以采摘苹果，节省了人力，但是由于其体型巨大且价格昂贵，并不适合中国苹果生产中果树密集且小规模生产的特点。虽然技术中存在便携式苹果采摘装置，但是结构复杂，故障率高并不适合农民长时间作业。

综上分析，如何减轻劳动强度和提高作业效率是亟待解决的问题。随着科学技术的不断发展，农业生产中农业机器人逐渐替代人工是未来农业发展的趋势。但是目前的苹果采摘机器人并不适合中国的生产环境，急需一种体积小、价格便宜的苹果采摘机器人。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种单人使用的便携式苹果采摘装置，本发明便可以在人工辅助下利用机器视觉自动寻找苹果，实现苹果半自动采摘，且本发明体积小成本低，适合目前我国苹果种植中果树分布密集且小规模种植的情况。

一种便携式单人苹果采摘装置，包括：

手持机构，所述手持机构通过调整机构连接至末端采摘机构，所述末端采摘机构上设置有用于对待采摘对象的图像进行采集的图像采集设备及对待采摘对象的距离进行采集的距离感应设备；

手持机构、调整机构及末端采摘机构均与控制系统相连；

所述控制系统根据图像采集设备及距离感应设备传输来的信息控制调整机构运动继而带动末端采摘机构运动，实现末端采摘机构与待采摘对象的位置确定，之后控制系统控制刀具动作，完成采摘。

进一步的优选的技术方案，所述手持机构包括腰带、腰带扣、手持杆，手持伸缩杆，该腰带采用卡扣式结构，腰带扣套在腰带上，腰带扣与手持杆采用铰链相连，所述手持杆上安装有手柄，所述手柄上设置有开关按钮，手持杆为空心结构，手持伸缩杆与手持杆可以组成弹性伸缩杆，手持伸缩杆的末端与调整机构相连。

进一步的优选的技术方案，所述调整机构能够带动末端采摘机构进行三个自由度的运动，包括上下、左右、前后的运动。

进一步的优选的技术方案，所述调整机构中第一电机输出轴与第一齿轮相连，驱动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮与转动架相连，当第一电机转动时，驱动转动架转动，形成第一个转动自由度；

第二电机安装在转动架上，第二电机输出轴与伸缩套的一端固连，当第二电机转动时，直接驱动伸缩套转动，形成第二个转动自由度；

伸缩套另一端与第三电机相连，伸缩套、第三电机、伸缩杆组成一直线滑轨，所述伸缩杆连接至末端采摘机构，当第三电机转动时，驱动伸缩杆在伸缩套中伸出或收缩，形成移动自由度。

进一步的优选的技术方案，所述末端采摘机构包括刀具架，所述刀具架的底板上安装有摄像头及距离传感器，所述刀具架的两个侧壁上分别设置有两个齿轮机构，一个为完全齿轮机构，一个为不完全齿轮机构，两个齿轮机构之间设置有两个刀具。

进一步的优选的技术方案，所述两个刀具的一端分别连接至完全齿轮机构上，同时两个刀具的一端分别通过扭转弹簧与弹簧座相连，弹簧座与刀具架固连，其中不完全齿轮机构与驱动电机相连，所述驱动电机通过不完全齿轮机构带动完全齿轮机构运动，由驱动电机带动两个刀具张开使扭转弹簧储能，当不完全齿轮机构转动到无齿处时，扭转弹簧释放能量使两刀具闭合，实现采摘。

进一步的优选的技术方案，所述两个齿轮机构共四个齿轮，其中，第四齿轮、第五齿轮啮合，保证两个刀具的动作保持同步；不完全齿轮与第三齿轮啮合，将驱动电机的动力传递到两个刀具上。

进一步的优选的技术方案，所述两个刀具分别为第一刀具及第二刀具，第一刀具及第二刀具的一端分别连接至第四齿轮、第五齿轮，第一刀具的另一端连接至第三齿轮，第三齿轮与不完全齿轮啮合，不完全齿轮连接至驱动电机。

进一步的优选的技术方案，所述刀具架中在刀具的下方设置有通道，用于收纳采摘的苹果。

一种便携式单人苹果采摘装置的采摘方法，包括：

当将末端采摘机构移动至待采摘苹果附近时，按下手持机构的按钮，摄像头开始采集图像，传输至控制系统，控制系统识别判断苹果的位置；

当待采摘苹果左右位置不在设定范围内时，控制系统控制调整机构中第一个转动自由度运转，即控制第一电机来控制转动架进行运动，从而控制刀具进行左右调整；

当待采摘苹果上下位置不在设定范围内时，控制系统控制第二个转动自由度运转，即控制第二电机来控制伸缩套进行转动，从而控制刀具进行上下调整；

当摄像头识别到待采摘苹果在视野中央时使用距离传感器对待采摘苹果的距离进行探测，当距离不在设定范围内时，控制系统控制移动自由度运转，即控制伸缩杆进行运转，从而对刀具进行前后的调整；

当待采摘苹果处于摄像头视野中央且距离传感器检测到距离在设定范围内时，控制刀具的驱动电机运转，通过齿轮传动控制刀具闭合切割，完成采摘任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用人体辅助，将识别与切割终端举持到待采摘苹果附近，然后按下开关后，视觉识别部分将会启动，寻找待采摘苹果位置，根据待采摘苹果位置调节切割部分的位置，然后将苹果切割下来，使苹果通过通道滚落，然后利用左手接苹果放到合适容器中。

2、本发明利用距离传感器及摄像头能够采集苹果与刀具的位置关系，利用调整机构实现对安装刀具的刀架三个自由度方向上运动，调节方便，自动调节，识别采摘过程准确。

3、本发明利用扭转弹簧给两刀具储能，采摘所需全部能量由电机转化到弹簧再转化到刀具，电机不必具有太大的动量，降低了采摘所用电机的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的手持机构结构示意图；

图3为本发明的调整结构示意图；

图4为本发明的末端采摘机构结构正视图；

图5为本发明的不完全齿轮机构示意图；

图6为本发明的弹簧储能机构示意图；

图7为本发明的刀具闭合时不完全齿轮示意图；

图中，1、手持机构，2、调整机构，3、末端采摘机构；

1-1、腰带，1-2、腰带扣，1-3、手持杆，1-4、手持伸缩杆，1-5、手柄，1-6、控制按钮；

2-1、第一电机，2-2、电机座，2-3、第一齿轮，2-4、第二齿轮，2-5、转动架，2-6、第二电机，2-7、伸缩套，2-8、第三电机，2-9、伸缩杆；

3-1、刀具架，3-2、第四电机，3-3、第一刀具，3-4、第二刀具，3-5、摄像头，3-6、距离传感器，3-7、通道，3-8、不完全齿轮，3-9、第三齿轮，3-10、第四齿轮，3-11、第五齿轮， 3-12、第一弹簧，3-13、第二弹簧，3-14、第一弹簧座，3-15、第二弹簧座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，一种便携式单人苹果采摘装置，该装置主要由机械部分与控制件部分组成，包括：手持机构1，所述手持机构通过调整机构2连接至末端采摘机构3，所述末端采摘机构上设置有用于对待采摘对象的图像进行采集的图像采集设备及对待采摘对象的距离进行采集的距离感应设备；

手持机构、调整机构及末端采摘机构均与控制系统相连；

所述控制系统根据图像采集设备及距离感应设备传输来的信息控制调整机构运动继而带动末端采摘机构运动，实现末端采摘机构与待采摘对象的位置确定，之后控制系统控制刀具动作，完成采摘。

其中，手持机构为手持端，是调整机构的支撑部件，调整机构在手持机构顶部与其末端固连，调整机构对刀具起支撑作用，末端与刀具架相连，刀具安装在刀具架上，由于刀具半圆形刀刃的结构，加之手动辅助作用，只需要三自由度即可保证对苹果的采摘任务，传感器设置在刀具后部的刀具架上。

机械部分，为了保证本设备的实用化，采用腰带式支撑，手持式控制，将手持机构固定到腰部，抓着手柄可以轻松地操作该设备，整体结构如图1所示。

手持机构结构如图2所示，手持机构包括腰带1-1，该腰带采用卡扣式结构，腰带具有弹性，或者具有长度可调的其他结构，腰带扣1-2套在腰带上，与手持杆1-3采用铰链连接，该手持杆的合适位置垂直安装有手柄1-5，在手柄上设置有开关按钮1-6，该手持杆为中空结构，手持伸缩杆1-4可以在手持杆内移动，组成弹性伸缩杆，在使用时根据需要调节长度。

其中，设置腰带的目的是保证作业时全部重量都由腰部承受，避免手与手臂承受过大重量，用手来进行开关控制。当使用该装置时，腰带应戴在腰上，右手握住手柄以把握机器人刀具的方向，大拇指用来控制开关，当把刀具移动到苹果旁边时，大拇指按下开关按钮，进行采摘任务。

调整机构如图3所示，该部分由第一电机2-1、第二电机2-6、第三电机2-8、第一齿轮 2-3、第二齿轮2-4、电机座2-2、转动架2-5、伸缩套2-7、伸缩杆2-9组成，共分为三个自由度，两个转动自由度一个移动自由度，第一电机的电机座与手持伸缩杆固定相连，第一电机的电机座上设置有第一齿轮2-3、第二齿轮2-4。

第一电机输出轴与第一齿轮相连，驱动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮与转动架相连，当第一电机转动时，驱动转动架转动，形成第一个转动自由度。第二电机安装在转动架上，第二电机输出轴与伸缩套的一端固连，当第二电机转动时，直接驱动伸缩套转动，形成第二个转动自由度，伸缩套另一端与第三电机相连，伸缩套、第三电机、伸缩杆组成一直线滑轨，当第三电机转动时，驱动伸缩杆在伸缩套中伸出或收缩，形成移动自由度。

采摘末端中设置刀具及传感器，该部分主要由刀具架3-1、第四电机3-2、第一刀具3-3、第二刀具3-4、距离传感器3-5、摄像头3-6、通道3-7、不完全齿轮3-8、第三齿轮3-9、第四齿轮3-10、第五齿轮3-11、第一弹簧3-12、第二弹簧3-13、第一弹簧座3-14、第二弹簧座3-15等部分组成。

其中，采摘末端中的正视图如图4所示，刀具架包括底板及设置在底板上的两个侧板构成，其中一个侧板外设置有驱动电机，刀具架两个侧板之间设置有两个刀具，两个刀具的张开及闭合实现对苹果的采摘，刀具架底板上设置有摄像头3-6及距离传感器3-5。摄像头3-6 及距离传感器3-5具体位置设置在当两个刀具张开时形成圆形结构，摄像头3-6及距离传感器 3-5位于该圆形结构的中心轴上，便于实现对待采摘苹果的位置及距离的信息采集。

其中，第四齿轮、第五齿轮啮合，可以保证第一刀具、第二刀具的动作保持同步，实现同时打开同时关闭，保证其切割时切割点在正确位置。不完全齿轮、第三齿轮啮合，可以将电机的动力传递到刀具上，通过不完全齿轮控制刀具张开到一定角度后在第一弹簧与第二弹簧的弹力作用下闭合，从而控制刀具动作。

不完全齿轮机构如图5所示，两个刀具分别为第一刀具及第二刀具，第一刀具及第二刀具的一端分别连接至第四齿轮、第五齿轮，第一刀具的另一端连接至第三齿轮，第三齿轮与不完全齿轮啮合，不完全齿轮连接至驱动电机。

本申请的不完全齿轮为主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运动时间和停歇时间的要求在从动轮上作出与主动轮相啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进入啮合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止圆弧定位使从动轮静止。

不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。

本申请采用不完全齿轮能够更好的实现对刀具的张开的角度及时间做更好的控制，继而实现对苹果的顺利采摘。

弹簧储能机构如图6所示，第一弹簧3-12固定在第一弹簧座3-14上，第二弹簧3-13固定在第二弹簧座3-15上，第一弹簧3-12、第二弹簧3-13分别与第一刀具、第二刀具相连。

第一弹簧3-12、第二弹簧3-13的作用在于：当刀具张开到预先设定角度，使弹簧处于储能状态，使不完全齿轮转动到无齿处，此时弹簧释放能量使刀具闭合切割。

还有，本申请中摄像头实时采集图像，对图像进行处理以判断苹果的位置，从而对刀具位置进行调整，而摄像头无法判断与苹果之间的距离，因此采用距离传感器对苹果的距离进行判断，以保证刀具在切割时不会伤到苹果。因此摄像头与距离传感器用来对苹果进行识别判断位置，第四电机通过不完全齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第一弹簧、第二弹簧对第一刀具、第二刀具进行控制，在合适的位置对苹果进行采摘，采摘后的苹果到落到合适的位置，完成采摘任务。

具体的，一种便携式单人苹果采摘装置在工作时：本发明为半自动化装置，当将装置手持至苹果附近时，按下按钮，摄像头开始采集图像，识别判断苹果的位置。首先控制第四电机运转，将通过齿轮控制刀具张开到预先设定角度，使弹簧处于储能状态，同时可以将处于刀具后方的摄像头与距离传感器暴露出来执行传感任务，如图5所示。当苹果在左右方向偏离刀具中心的距离超出预先设定的范围时，控制系统控制住调整机构中第一个转动自由度运转，即控制第一电机来控制转动架进行运动，从而控制刀具进行左右调整；当苹果在上下方向偏离刀具的距离超出预先设定的范围时，控制系统控制第二个转动自由度运转，即控制第二电机来控制伸缩套进行转动，从而控制刀具进行上下调整。当摄像头识别到苹果在视野中央时使用距离传感器对苹果的距离进行探测，当苹果距离传感器的距离超出预先设定的范围时，控制系统控制移动自由度运转，即控制伸缩杆进行运转，从而对刀具进行前后的调整。当苹果处于摄像头视野中央附近可接受范围内且距离传感器检测到刀具与苹果间的距离在可接受阈值内，可以保证在采摘时不会因为苹果偏离中心而切割到苹果，也不会因为刀具与苹果距离过远而摘空或切到苹果时，控制刀具的电机运转，使不完全齿轮转动到无齿处，如图 7所示，此时弹簧释放能量使刀具闭合切割，完成采摘任务。

本申请的一种基于机器视觉苹果半自动采摘机器人所能采摘的水果包括但不限于苹果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，包括：

手持机构，所述手持机构通过调整机构连接至末端采摘机构，所述末端采摘机构上设置有用于对待采摘对象的图像进行采集的图像采集设备及对待采摘对象的距离进行采集的距离感应设备；

手持机构、调整机构及末端采摘机构均与控制系统相连；

所述控制系统根据图像采集设备及距离感应设备传输来的信息控制调整机构运动继而带动末端采摘机构运动，实现末端采摘机构与待采摘对象的位置确定，之后控制系统控制刀具动作，完成采摘；

所述调整机构能够带动末端采摘机构进行三个自由度的运动，包括上下、左右、前后的运动；

所述调整机构中第一电机输出轴与第一齿轮相连，驱动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮与转动架相连，当第一电机转动时，驱动转动架转动，形成第一个转动自由度；

第二电机安装在转动架上，第二电机输出轴与伸缩套的一端固连，当第二电机转动时，直接驱动伸缩套转动，形成第二个转动自由度；

伸缩套另一端与第三电机相连，伸缩套、第三电机、伸缩杆组成一直线滑轨，所述伸缩杆连接至末端采摘机构，当第三电机转动时，驱动伸缩杆在伸缩套中伸出或收缩，形成移动自由度。

2.如权利要求1所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述手持机构包括腰带、腰带扣、手持杆，手持伸缩杆，该腰带采用卡扣式结构，腰带扣套在腰带上，腰带扣与手持杆采用铰链相连，所述手持杆上安装有手柄，所述手柄上设置有开关按钮，手持杆为空心结构，手持伸缩杆与手持杆可以组成弹性伸缩杆，手持伸缩杆的末端与调整机构相连。

3.如权利要求1所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述末端采摘机构包括刀具架，所述刀具架的底板上安装有摄像头及距离传感器，所述刀具架的两个侧壁上分别设置有两个齿轮机构，一个为完全齿轮机构，一个为不完全齿轮机构，两个齿轮机构之间设置有两个刀具。

4.如权利要求3所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述两个刀具的一端分别连接至完全齿轮机构上，同时两个刀具的一端分别通过扭转弹簧与弹簧座相连，弹簧座与刀具架固连，其中不完全齿轮机构与驱动电机相连，所述驱动电机通过不完全齿轮机构带动完全齿轮机构运动，由驱动电机带动两个刀具张开使扭转弹簧储能，当不完全齿轮机构转动到无齿处时，扭转弹簧释放能量使两刀具闭合，实现采摘。

5.如权利要求3所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述两个齿轮机构共四个齿轮，其中，第四齿轮、第五齿轮啮合，保证两个刀具的动作保持同步；不完全齿轮与第三齿轮啮合，将驱动电机的动力传递到两个刀具上。

6.如权利要求4所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述两个刀具分别为第一刀具及第二刀具，第一刀具及第二刀具的一端分别连接至第四齿轮、第五齿轮，第一刀具的另一端连接至第三齿轮，第三齿轮与不完全齿轮啮合，不完全齿轮连接至驱动电机。

7.如权利要求3所述的一种便携式单人苹果采摘装置，其特征是，所述刀具架中在刀具的下方设置有通道，用于收纳采摘的苹果。

8.权利要求1-7任一所述的一种便携式单人苹果采摘装置的采摘方法，其特征是，包括：

当将末端采摘机构移动至待采摘苹果附近时，按下手持机构的按钮，摄像头开始采集图像，传输至控制系统，控制系统识别判断苹果的位置；

当待采摘苹果左右位置不在设定范围内时，控制系统控制调整机构中第一个转动自由度运转，即控制第一电机来控制转动架进行运动，从而控制刀具进行左右调整；

当待采摘苹果上下位置不在设定范围内时，控制系统控制第二个转动自由度运转，即控制第二电机来控制伸缩套进行转动，从而控制刀具进行上下调整；

当摄像头识别到待采摘苹果在视野中央时使用距离传感器对待采摘苹果的距离进行探测，当距离不在设定范围内时，控制系统控制移动自由度运转，即控制伸缩杆进行运转，从而对刀具进行前后的调整；

当待采摘苹果处于摄像头视野中央且距离传感器检测到距离在设定范围内时，控制刀具的驱动电机运转，通过齿轮传动控制刀具闭合切割，完成采摘任务。

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