CN108718709B - 自动化草莓采摘机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动化草莓采摘机，包括小车、收集盒、十字移动机构和采集手，收集盒和十字移动机构设置于小车上，收集盒设置于十字移动机构的一侧，十字移动机构包括立柱、横向移动装置和竖直移动装置，收集盒和立柱固设于小车上，横向移动装置设置于立柱上端，竖直移动装置设置于横向移动装置上，采集手设置于竖直移动装置上，横向移动装置带动竖直移动装置和采集手横向移动，竖直移动装置带动采集手竖直上下移动，采集手上设有摄像头。实现草莓的自动化摘取，能够精确的采集草莓，提高采摘效率，本发明结构简单，成本低，维修成本低。

Description

自动化草莓采摘机
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种自动化草莓采摘机。
背景技术
目前，绝大多数的摘草莓机器是由末端执行器、视觉系统、激光传感器和机械手臂所组成。当视觉系统观察并识别出成熟草莓后，机械手臂移动到预定位置，激光传感器测量手爪到草莓的距离，通过末端执行器来抓取草莓果柄，用刀切断果柄。但其存在抓取过程中容易损伤草莓果皮，采摘效率不高，误差大，成本高的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种自动化草莓采摘机，实现草莓的自动化摘取，能够精确的采集草莓，提高采摘效率，本发明结构简单，成本低，维修成本低。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种自动化草莓采摘机，包括小车、收集盒、十字移动机构和采集手，收集盒和十字移动机构设置于小车上，收集盒设置于十字移动机构的一侧，
其中，十字移动机构包括立柱、横向移动装置和竖直移动装置，收集盒和立柱固设于小车上，横向移动装置设置于立柱上端，竖直移动装置设置于横向移动装置上，采集手设置于竖直移动装置上，横向移动装置带动竖直移动装置和采集手横向移动，竖直移动装置带动采集手竖直上下移动，采集手上设有摄像头。
按照上述技术方案，横向移动装置包括横梁和第一电机，第一电机固设于横梁的一端，横梁上横向设有导轨，导轨上设有滑块，横梁的两端设有同步带轮，两个同步带轮之间连接有同步带，第一电机的输出端与一个同步带轮连接，滑块与同步带连接，第一电机通过同步带带动滑块沿导轨横向移动，竖直移动装置设置于滑块上。
按照上述技术方案，竖直移动装置包括竖杆和第二电机，第二电机固设于横梁的另一端，与另一个同步带轮连接，竖杆设置于滑块上，竖杆的下端设有从动带轮，上端带有齿槽的凹槽，将同步带固定于凹槽之间，滑块上设有滑动带轮，两个同步带轮之间的同步带经滑动带轮缠绕于竖杆上的一个从动带轮，采集手设置于竖杆的下端；第一电机和第二电机同向转动时，同步带通过滑块带动竖杆沿横梁上的导轨左右横向移动，第一电机和第二电机异向转动时，同步带通过从动带轮带动竖杆上下移动。
按照上述技术方案，采集手包括舵机、舵机板、齿轮臂和柔性线环，舵机和齿轮臂均设置于舵机板上，舵机板固设于竖直移动装置的下端，齿轮臂的一端分布有轮齿，柔性线环设置于齿轮臂的另一端，齿轮臂包括主动齿轮臂和从动齿轮臂，主动齿轮臂通过轮齿与从动齿轮臂啮合，舵机与主动齿轮臂连接，舵机通过主动齿轮臂带动从动齿轮臂转动，使柔性线环正向或反向转动，从而包裹住草莓，采集手上移后将草莓的茎拉断，并将采取的草莓移送至收集盒内。
按照上述技术方案，主动齿轮臂和从动齿轮臂的个数均为2个，分为2组，分别设置于舵机板的两侧，一部分柔性线环的两端分别与两个主动齿轮臂连接，另一部分柔性线环分别与两个从动齿轮臂连接。
按照上述技术方案，两个主动齿轮臂之间连接有柔性线环个数和两个从动齿轮臂之间连接有柔性线环个数为3~5，主动齿轮臂上的多个柔性线环沿主动齿轮臂呈扇形分布，从动齿轮臂上的多个柔性线环沿从动齿轮臂呈扇形分布。
按照上述技术方案，主动齿轮臂上的柔性线环和从动齿轮臂上的柔性线环对称分布。
按照上述技术方案，柔性线环为套有海绵管的铁丝。
按照上述技术方案，舵机替换为电机。
按照上述技术方案，抓取机构的个数为2个，分别设置于小车的左侧和右侧。
按照上述技术方案，所述的自动化草莓采摘机还包括控制系统，控制系统分别与横向移动装置、竖直移动装置、采集手和摄像头连接，控制系统通过摄像头检测草莓的位置，进而控制系统控制横向移动装置和竖直移动装置将采集手移动到草莓的位置，通过采集手进行摘取。
按照上述技术方案，控制系统将采集的图像处理后，在图像中控制系统根据草莓颜色与环境颜色的区别拟合出草莓的大致形状，控制系统对草莓是否合格的判定过程中：在图像中位于草莓图像中心一定范围内，草莓颜色落在特定的颜色范围内像素点个数超过像素阈值则认定草莓合格（即为成熟的合格草莓），进行采摘；否则认定草莓不合格或未发现草莓。
按照上述技术方案，图像中心一定范围是指以图像中拟合出草莓形状的中心为中心，长宽的长度均为40~60个像素点形成的正方形区域，像素阈值的范围为100-500。
本发明具有以下有益效果：
1、实现草莓的自动化摘取，能够精确的采集草莓，提高采摘效率，本发明结构简单，成本低，维修成本低。
2、通过柔性线环能够在采摘草莓过程中，不容易损伤草莓的果皮，同时提高采摘效率。
附图说明
图1是本发明实施例中自动化草莓采摘机的立面图；
图2是本发明实施例中采集手的立面图；
图3是本发明实施例中采集手的主视图；
图4是本发明实施例中十字移动机构的结构示意图；
图中，1-上导杆支架，2-光轴，3-滑块，4-第一电机，5-单边法兰轴承，6-连接件，7-柔性线环，8-小车，9-收集盒，10-主动齿轮臂，11-从动齿轮臂，12-同步带轮，13-横梁，14-直线轴承，15-固定件，16-同步带，17-舵机，18-摄像头，19-舵机板，20-步进电机支撑板，21-下导杆支架，22-立柱，23-第二电机，24-从动带轮，25-滑动带轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1~图4所示，本发明提供的一个实施例中的自动化草莓采摘机，包括小车8、收集盒9、十字移动机构和采集手，收集盒9和十字移动机构设置于小车8上，收集盒9设置于十字移动机构的一侧，
其中，十字移动机构包括立柱22、横向移动装置和竖直移动装置，收集盒9和立柱22固设于小车8上，横向移动装置设置于立柱22上端，竖直移动装置设置于横向移动装置上，采集手设置于竖直移动装置上，横向移动装置带动竖直移动装置和采集手横向移动，竖直移动装置带动采集手竖直上下移动，采集手上设有摄像头18；通过摄像头18探测出成熟草莓的位置，横向移动装置和竖直移动装置将采集手移动到相应位置，采集手对草莓进行采集。
进一步地，横向移动装置包括横梁13和第一电机4，第一电机4固设于横梁13的一端，横梁13上横向设有导轨，导轨上设有滑块3，横梁13的两端设有同步带轮12，两个同步带轮12之间连接有同步带16，第一电机4的输出端与一个同步带轮12连接，滑块3与同步带16连接，第一电机4通过同步带16带动滑块3沿导轨横向移动，竖直移动装置设置于滑块3上。
进一步地，竖直移动装置包括竖杆和第二电机23，第二电机23固设于横梁13的另一端，与另一个同步带轮12连接，竖杆设置于滑块3上，竖杆的上下两端设有从动带轮24，滑块3上设有滑动带轮25，两个同步带轮12之间的同步带16经滑动带轮缠绕于竖杆上的两个从动带轮24，采集手设置于竖杆的下端；第一电机4和第二电机23同向转动时，同步带16通过滑块3带动竖杆沿横梁13上的导轨左右横向移动，第一电机4和第二电机23异向转动时，同步带16通过从动带轮24带动竖杆上下移动，从而实现采集手的横向和竖向移动。
进一步地，同步带轮12通过固定件设置于横梁13上，竖杆下端的从动带轮是由2个单边法兰轴承组成，限制同步带，防止同步带滑出去。
进一步地，竖杆的个数为2个，两个竖杆的上端和下端分别通过上导杆支架和下导杆支架21连接。
进一步地，导轨和竖杆均为光轴2，滑块3通过直线轴承14与光轴2连接。
进一步地，滑块3的材质为亚克力盖板。
进一步地，横梁13和立柱22均为20*20mm的铝型材。
进一步地，光轴2为直径M8，光轴2的长度为500mm。
进一步地，同步带16的型号为2GT6mm。
进一步地，摄像头18的型号为Openmv R2，摄像头18为颜色传感器。
进一步地，同步带轮12的型号为M5 20齿GT2。
进一步地，采集手包括舵机17、舵机板19、齿轮臂和柔性线环7，舵机17和齿轮臂均设置于舵机板19上，舵机板19固设于竖直移动装置的下端，齿轮臂的一端分布有轮齿，柔性线环7设置于齿轮臂的另一端，齿轮臂包括主动齿轮臂10和从动齿轮臂11，主动齿轮臂10与从动齿轮臂11啮合，舵机17与主动齿轮臂10连接，舵机17通过主动齿轮臂10带动从动齿轮臂11转动，使柔性线环7正向或反向转动，从而包裹住草莓，采集手上移后将草莓的茎拉断，并将采取的草莓移送至收集盒9内。
进一步地，主动齿轮臂10和从动齿轮臂11的个数均为2个，分为2组，分别设置于舵机板19的两侧，柔性线环为开放性线环，一部分柔性线环7的两端分别与两个主动齿轮臂10连接，另一部分柔性线环7的两端分别与两个从动齿轮臂11连接。
进一步地，两个主动齿轮臂10之间连接有柔性线环个数和两个从动齿轮臂11之间连接有柔性线环7个数为4，多个柔性线环7沿主动齿轮臂10或从动齿轮臂11呈扇形分布。
进一步地，主动齿轮臂10上的柔性线环7和从动齿轮臂11上的柔性线环7对称分布；主动齿轮臂带动从动齿轮臂转动，使主动齿轮臂和从动齿轮臂上的柔性线环张开和闭合，主动齿轮臂和从动齿轮臂之间的开合过程中角度为0~120°，在机械手采摘草莓的过程中，利用柔性材料将红草莓和绿草莓拨开，接着，利用舵机转动齿轮臂，从草莓底部将草莓抓取，将草莓包裹住，相比于直接两边抓取机构，柔性线环不损伤草莓果皮，对力的控制要求小。
进一步地，柔性线环7为套有海绵管的铁丝。
进一步地，舵机17替换为电机。
进一步地，抓取机构的个数为2个，分别设置于小车8的左侧和右侧。
进一步地，舵机板19与竖直移动装置之间连接有连接件6。
进一步地，小车8上设有扶手。
进一步地，第一电机4和第二电机23均为步进电机，步进电机通过步进电机支撑板20与横梁连接。
进一步地，自动化草莓采摘机还包括控制系统，控制系统分别与横向移动装置、竖直移动装置、采集手和摄像头18连接，控制系统通过摄像头18检测草莓的位置，进而控制系统控制横向移动装置和竖直移动装置将采集手移动到草莓的位置，通过采集手进行摘取。
进一步地，控制系统将采集的图像处理后，在图像中成熟的草莓的颜色落在特定的颜色范围，并拟合出草莓的大致形状，控制系统对草莓是否合格的判定过程中：在图像中，位于图像中心一定范围内的，且颜色落在特定的颜色范围内像素点个数超过像素阈值则认定草莓合格，可以采摘；否则认定草莓不合格或未发现草莓。
进一步地，图像中心一定范围指的是以图像中心为中心的，长宽在[40-60]（50最佳）个像素点形成的正方形区域。
进一步地，像素阈值的范围在[100-500](最佳值为300)。
进一步地，特定的颜色范围指的是在Lab颜色模式下落在（0, 100, 27, 127, -128, 128）（分别对应L通道的最小值0，L通道最大值100，a通道最小值27，a通道最大值127，b通道最小值-128，b通道最大值128）范围内的颜色。
进一步地，图像处理为白平衡处理。
进一步地，控制系统包括2个arduino UNO控制板，分别为MCU1和MCU2，MCU1与MCU2通过串口进行通讯。
进一步地，MCU1负责将相机拍摄的图像进行处理，判定是否发现合格的草莓，如果发现合格的草莓就向MCU2发送指令，执行抓取命令。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自动化草莓采摘机，其特征在于，包括小车、收集盒、十字移动机构和采集手，收集盒和十字移动机构设置于小车上，收集盒设置于十字移动机构的一侧，
其中，十字移动机构包括立柱、横向移动装置和竖直移动装置，收集盒和立柱固设于小车上，横向移动装置设置于立柱上端，竖直移动装置设置于横向移动装置上，采集手设置于竖直移动装置上，横向移动装置带动竖直移动装置和采集手横向移动，竖直移动装置带动采集手竖直上下移动，采集手上设有摄像头；
采集手包括舵机、舵机板、齿轮臂和柔性线环，舵机和齿轮臂均设置于舵机板上，舵机板固设于竖直移动装置的下端，齿轮臂的一端分布有轮齿，柔性线环设置于齿轮臂的另一端，齿轮臂包括主动齿轮臂和从动齿轮臂，主动齿轮臂通过轮齿与从动齿轮臂啮合，舵机与主动齿轮臂连接；
主动齿轮臂和从动齿轮臂的个数均为2个，分为2组，分别设置于舵机板的两侧，一部分柔性线环的两端分别与两侧的主动齿轮臂连接，另一部分柔性线环的两端分别与两侧的从动齿轮臂连接；
两个主动齿轮臂之间连接有多个柔性线环，两个从动齿轮臂之间连接有多个柔性线环，主动齿轮臂上的多个柔性线环沿主动齿轮臂呈扇形分布，从动齿轮臂上的多个柔性线环沿从动齿轮臂呈扇形分布；
舵机通过主动齿轮臂带动从动齿轮臂转动，使柔性线环正向或反向转动，从而包裹住草莓，采集手上移后将草莓的茎拉断，并将采取的草莓移送至收集盒内。
2.根据权利要求1所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，横向移动装置包括横梁和第一电机，第一电机固设于横梁的一端，横梁上横向设有导轨，导轨上设有滑块，横梁的两端设有同步带轮，两个同步带轮之间连接有同步带，第一电机的输出端与一个同步带轮连接，滑块与同步带连接，第一电机通过同步带带动滑块沿导轨横向移动，竖直移动装置设置于滑块上；
竖直移动装置包括竖杆和第二电机，第二电机固设于横梁的另一端，与另一个同步带轮连接，竖杆设置于滑块上，竖杆的下端设有从动带轮，上端设有带有齿槽的凹槽，将同步带固定于凹槽之间，滑块上设有滑动带轮，两个同步带轮之间的同步带经滑动带轮缠绕于竖杆上的一个从动带轮，采集手设置于竖杆的下端；第一电机和第二电机同向转动时，同步带通过滑块带动竖杆沿横梁上的导轨左右横向移动，第一电机和第二电机异向转动时，同步带通过从动带轮带动竖杆上下移动。
3.根据权利要求1所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，两个主动齿轮臂之间连接有柔性线环个数和两个从动齿轮臂之间连接有柔性线环个数为3~5。
4.根据权利要求1所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，柔性线环为套有海绵管的铁丝。
5.根据权利要求1所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，舵机替换为电机。
6.根据权利要求1所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，所述的自动化草莓采摘机还包括控制系统，控制系统分别与横向移动装置、竖直移动装置、采集手和摄像头连接，控制系统通过摄像头检测草莓的位置，进而控制系统控制横向移动装置和竖直移动装置将采集手移动到草莓的位置，通过采集手进行摘取。
7.根据权利要求6所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，控制系统将采集的图像处理后，在图像中控制系统根据草莓颜色与环境颜色的区别拟合出草莓的大致形状，控制系统对草莓是否合格的判定过程中：在图像中位于草莓图像中心一定范围内，草莓颜色落在特定的颜色范围内像素点个数超过像素阈值则认定草莓合格，进行采摘；否则认定草莓不合格或未发现草莓。
8.根据权利要求7所述的自动化草莓采摘机，其特征在于，图像中心一定范围是指以图像中拟合出草莓形状的中心为中心，长宽的长度均为40~60个像素点形成的正方形区域，像素阈值的范围为100-500。
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