CN108834578B - 一种甜椒采摘机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于采摘机器人技术领域，特别涉及一种甜椒采摘机器人，包括机器人移动平台、定位系统、机械臂和末端执行器；所述机械臂包括二自由度云台和伸缩杆；所述二自由度云台包括在水平方向上旋转的第一云台和设置在所述第一云台上的在竖直方向上旋转的第二云台；所述第一云台通过云台底板设置在机器人移动平台上；所述伸缩杆的首端通过连接板固接在第二云台上，末端与末端执行器固接；定位系统包括一对并列设置在云台底板上的、朝向甜椒植株的双目摄像机；末端执行器包括采集筒、对射式光电开关、第一弧形切刀、第二弧形切刀和旋转气缸。本发明具有采摘成功率高，防止损坏果实和植株枝干的优点。
Description
技术领域
本发明属于采摘机器人技术领域，特别涉及一种甜椒采摘机器人。
背景技术
在果蔬生产作业中，采摘作业约占整个作业量的40％，是农产品生产链中最费力、最耗时的环节之一。采摘质量的好坏直接影响果蔬的存储、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。因此，降低采摘作业费用是菜农增收的重要途径。甜椒的栽培区域广、产量高、经济效益好，但由于采摘的复杂性，甜椒的采摘自动化程度仍然很低，目前国内甜椒采摘基本上还是手工完成，工作环境差，收获作业劳动强度大，因此，研究适用温室环境甜椒采摘机器人具有重要意义。对于甜椒采摘机器人，采摘环境复杂是采摘机器人遇到的重大难题。在甜椒的种植环境中，甜椒易受到植株分枝、叶片以及其他甜椒的遮挡，从而导致甜椒的采摘成功率较低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种甜椒采摘机器人，能够高效采摘温室种植的甜椒果实，降低采摘作业中的人工劳动力成本。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种甜椒采摘机器人，所述甜椒采摘机器人包括机器人移动平台1、定位系统、机械臂和末端执行器6；
所述机械臂包括二自由度云台和伸缩杆7；所述二自由度云台包括在水平方向上旋转的第一云台9和设置在所述第一云台9上的在竖直方向上旋转的第二云台5；所述第一云台9通过云台底板2设置在机器人移动平台1上；所述伸缩杆7的首端通过连接板8固接在第二云台5上，末端与末端执行器6固接；
所述定位系统包括一对并列设置在云台底板2上的、朝向甜椒植株的双目摄像机4；
所述末端执行器6包括采集筒17、对射式光电开关10、第一弧形切刀16、第二弧形切刀15和旋转气缸12；
所述采集筒17呈半圆柱形，包括一个半圆柱桶和一个倾斜底面18；
所述第一弧形切刀16的一端为设有第一运动齿轮13的齿轮啮合端，另一端为铰接端；所述第二弧形切刀15的一端为设有第二运动齿轮14的齿轮啮合端，另一端为铰接端；
所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的铰接端彼此相对，分别转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部；所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的齿轮啮合端通过第一运动齿轮13和第二运动齿轮14相互啮合，分别通过第一运动齿轮13的转动轴和第二运动齿轮14的转动轴转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部；
第二弧形切刀15与所述半圆柱桶的内表面贴合；在初始状态，所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15位于同一平面，第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的刀刃向上方布置，共同构成一圆形甜椒果实入口；
所述旋转气缸12的动力输出轴与第一运动齿轮13的转动轴或第二运动齿轮14的转动轴连接；
所述对射式光电开关10包括发射端和接收端，对射式光电开关10的发射端和接收端相互对应地安装在采集筒17的半圆柱桶内表面中部。
所述倾斜底面18与半圆柱桶之间倾斜角度为45°。
所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的外侧设有一定高度的弧形凸台11。
对射式光电开关10的发射端和接收端的安装位置与采集筒17的半圆柱桶的上边缘之间距离为10～13cm。
初始状态时，所述伸缩杆7在靠近甜椒植株的方向向上倾斜地与水平面呈45°夹角。
所述第一云台9以垂直面为基准面，在水平方向上的旋转角度为-45°～+45°；所述第二云台5以水平面为基准面，在竖直方向上的旋转角度为-45°～+45°。
两个双目摄像机4分别通过支架3固定在云台底板2远离甜椒植株的一侧的前后两端。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的甜椒采摘机器人具有采摘成功率高，防止损坏果实和植株枝干的优点，本发明采用三自由度极坐标型机械臂使机器人的控制更为方便简单，运动更加灵活。末端执行器刀片上的凸台可以有效防止切刀损坏果实和植株枝干。本发明的甜椒采摘机器人结构小巧、占地面积小，可以较好地在温室中作业。
附图说明
图1为本发明甜椒采摘机器人的结构示意图；
图2为本发明的甜椒采摘机器人的末端执行器6结构示意图；
图3为本发明的温室甜椒采摘机器人的机械臂结构示意图。
其中的附图标记为：
1机器人移动平台 2云台底板
3支架 4双目摄像机
5第二云台 6末端执行器
7伸缩杆 8连接板
9第一云台 10对射式光电开关
11弧形凸台 12旋转气缸
13第一运动齿轮 14第二运动齿轮
15第二弧形切刀 16第一弧形切刀
17采集筒 18倾斜底面
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明的甜椒采摘机器人包括机器人移动平台1、定位系统、机械臂和末端执行器6。
所述机械臂包括二自由度云台和伸缩杆7。所述二自由度云台包括在水平方向上旋转的第一云台9和设置在所述第一云台9上的在竖直方向上旋转的第二云台5。所述第一云台9通过云台底板2设置在机器人移动平台1上。所述伸缩杆7的首端通过连接板8固接在第二云台5上，末端与末端执行器6固接。
初始状态时，所述伸缩杆7在靠近甜椒植株的方向向上倾斜地与水平面呈45°夹角。
所述第一云台9以垂直面为基准面，在水平方向上的旋转角度为-45°～+45°；所述第二云台5以水平面为基准面，在竖直方向上的旋转角度为-45°～+45°；使得伸缩杆7在平行于水平面与垂直于水平面的范围内移动。
所述定位系统包括一对并列设置在云台底板2上的、朝向甜椒植株的双目摄像机4。两个双目摄像机4分别通过支架3固定在云台底板2远离甜椒植株的一侧的前后两端，这样可以减少机械臂对双目摄像机4的遮挡。
如图2所示，所述末端执行器6包括采集筒17、对射式光电开关10、第一弧形切刀16、第二弧形切刀15和旋转气缸12。
所述采集筒17呈半圆柱形，包括一个半圆柱桶和一个倾斜底面18。优选地，所述倾斜底面18与半圆柱桶之间倾斜角度为45°。
所述第一弧形切刀16的一端为设有第一运动齿轮13的齿轮啮合端，另一端为铰接端；所述第二弧形切刀15的一端为设有第二运动齿轮14的齿轮啮合端，另一端为铰接端。
所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的铰接端彼此相对，分别转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部；所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的齿轮啮合端通过第一运动齿轮13和第二运动齿轮14相互啮合，分别通过第一运动齿轮13的转动轴和第二运动齿轮14的转动轴转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部。
第二弧形切刀15与所述半圆柱桶的内表面贴合。在初始状态，所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15位于同一平面，第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的刀刃向上方布置，共同构成一圆形甜椒果实入口。
所述旋转气缸12的动力输出轴与第一运动齿轮13的转动轴或第二运动齿轮14的转动轴连接，驱动第一运动齿轮13与第二运动齿轮14转动，进而实现第一弧形切刀16和第二弧形切刀15相互咬合，切断甜椒果实的果梗。
所述对射式光电开关10包括发射端和接收端，对射式光电开关10的发射端和接收端相互对应地安装在采集筒17的半圆柱桶内表面中部。优选地，对射式光电开关10的发射端和接收端的安装位置与采集筒17的半圆柱桶的上边缘之间距离为10～13cm。
当目标甜椒果实进入对射式光电开关10的发射端和接收端之间时，甜椒果实遮住了对射式光电开关10的电信号，使得对射式光电开关10信号状态发生变化，机器人由此感知到甜椒果实已经到达采摘工作位。
优选地，所述第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的外侧设有一定高度的弧形凸台11，防止切割果梗时刀刃切到甜椒植株的枝干。
本发明的工作过程如下：
两个双目摄像机4分别对甜椒植株拍摄，并对采集的图片进行甜椒果实定位，判断成熟度以及果实标定等处理后求得成熟甜椒果实的三维位置信息。通过控制第一云台9和第二云台5在水平方向和竖直方向转动，从而带动与第二云台5相连接的伸缩杆7移动到合适的角度，随后伸缩杆7伸长，使伸缩杆7末端的末端执行器6向甜椒果实推进，使果实从采集筒17的由第一弧形切刀16和第二弧形切刀15共同构成的圆形甜椒果实入口进入。当甜椒果实到达对射式光电开关10的检测位置时，对射式光电开关10检测到甜椒位置，伸缩杆7暂停运动；随后旋转气缸12开始工作，驱动第一弧形切刀16和第二弧形切刀15进行旋转咬合动作，此时第一弧形切刀16和第二弧形切刀15的刀刃都向果柄方向旋转，弧形切刀上的弧形凸台11在此过程中紧贴着枝干，使得弧形切刀刀刃最终的切割位置是果梗处，防止切到甜椒果实和其他位置。随后果实掉入采集筒17内，经过倾斜底面18从采集筒17排出后被收集，完成采摘动作。
Claims (7)
1.一种甜椒采摘机器人，包括机器人移动平台(1)、定位系统、机械臂和末端执行器(6)；其特征在于：
所述机械臂包括二自由度云台和伸缩杆(7)；所述二自由度云台包括在水平方向上旋转的第一云台(9)和设置在所述第一云台(9)上的在竖直方向上旋转的第二云台(5)；所述第一云台(9)通过云台底板(2)设置在机器人移动平台(1)上；所述伸缩杆(7)的首端通过连接板(8)固接在第二云台(5)上，末端与末端执行器(6)固接；
所述定位系统包括一对并列设置在云台底板(2)上的、朝向甜椒植株的双目摄像机(4)；
所述末端执行器(6)包括采集筒(17)、对射式光电开关(10)、第一弧形切刀(16)、第二弧形切刀(15)和旋转气缸(12)；
所述采集筒(17)呈半圆柱形，包括一个半圆柱桶和一个倾斜底面(18)；
所述第一弧形切刀(16)的一端为设有第一运动齿轮(13)的齿轮啮合端，另一端为铰接端；所述第二弧形切刀(15)的一端为设有第二运动齿轮(14)的齿轮啮合端，另一端为铰接端；
所述第一弧形切刀(16)和第二弧形切刀(15)的铰接端彼此相对，分别转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部；所述第一弧形切刀(16)和第二弧形切刀(15)的齿轮啮合端通过第一运动齿轮(13)和第二运动齿轮(14)相互啮合，分别通过第一运动齿轮(13)的转动轴和第二运动齿轮(14)的转动轴转动连接在所述半圆柱桶的内表面上部；
第二弧形切刀(15)与所述半圆柱桶的内表面贴合；在初始状态，所述第一弧形切刀(16)和第二弧形切刀(15)位于同一平面，第一弧形切刀(16)和第二弧形切刀(15)的刀刃向上方布置，共同构成一圆形甜椒果实入口；
所述旋转气缸(12)的动力输出轴与第一运动齿轮(13)的转动轴或第二运动齿轮(14)的转动轴连接；
所述对射式光电开关(10)包括发射端和接收端，对射式光电开关(10)的发射端和接收端相互对应地安装在采集筒(17)的半圆柱桶内表面中部。
2.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：所述倾斜底面(18)与半圆柱桶之间倾斜角度为45°。
3.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：所述第一弧形切刀(16)和第二弧形切刀(15)的外侧设有一定高度的弧形凸台(11)。
4.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：对射式光电开关(10)的发射端和接收端的安装位置与采集筒(17)的半圆柱桶的上边缘之间距离为10～13cm。
5.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：初始状态时，所述伸缩杆(7)在靠近甜椒植株的方向向上倾斜地与水平面呈45°夹角。
6.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：所述第一云台(9)以垂直面为基准面，在水平方向上的旋转角度为-45°～+45°；所述第二云台(5)以水平面为基准面，在竖直方向上的旋转角度为-45°～+45°。
7.根据权利要求1所述的甜椒采摘机器人，其特征在于：两个双目摄像机(4)分别通过支架(3)固定在云台底板(2)远离甜椒植株的一侧的前后两端。
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