CN108901362B - 一种绿豆采摘机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿豆采摘机器人，包括田间行走装置、图像识别系统、移动定位装置、绿豆采摘装置、信息处理和控制系统、动力系统和绿豆收集箱。所述田间行走装置上连接有多足行走腿；所述移动定位装置的各个运动臂之间通过螺纹螺杆连接；所述绿豆采摘装置的机械手爪部位安装有辅助采摘器；工作时，根据图像识别系统采集到的信息，控制田间行走装置和移动定位装置运动至采摘点，再根据荚簇中所需采摘豆荚的数量，相应地选择辅助采摘器的不同端。更具体的，采摘机械手和辅助采摘器在凸轮机构的运动和拉伸弹簧的作用力下，模拟出人手采摘时的定位、夹取、小幅度扭转、拉扯一系列动作，从而实现对绿豆高效、精准的采摘。
Description
技术领域
本发明涉及菜豆族类农作物采摘领域，具体为一种绿豆采摘机器人。
背景技术
绿豆为一年生草本植物，其生长有以下特点：其一，绿豆通常以数个豆荚聚集成荚簇生长，且不同于其他豆科类植物，绿豆单个豆荚之间成熟期相差很大，且一旦到了成熟期，其豆荚会慢慢裂开；其二，绿豆的果炳很短，各个豆荚通过很短的果柄长在侧枝上，使得传统的机械手如剪夹机械手不能胜任其采摘要求；其三,成熟的绿豆很脆，一旦采摘过程中施加的外力过大,很容易造成豆荚裂开。
绿豆作为高经济效率农作物，在我国的种植历史已久，其市场需求一直呈增长趋势。目前，绿豆采摘基本完全靠人工完成，由于人力成本的增长，绿豆采摘成为制约其扩大种植规模的瓶颈，所以，研发出一种高效、快速、精准的绿豆采摘机器人具有重要的经济效益和战略意义。
由于绿豆的生长复杂性以及采摘过程中众多的禁忌和繁琐，对绿豆采摘机器人的研究少有或未有报道，目前市场上没有商品化的绿豆采摘系统。
发明内容
为了解决绿豆采摘过程中耗时费力、采摘效率低的问题，本发明提供了一种绿豆采摘机器人，包括田间行走装置（1）、图像识别系统（6）、移动定位装置（5）、绿豆采摘装置（7）、信息处理和控制系统（3）、动力系统（2）和绿豆收集箱（9），其特征在于：所述信息处理和控制系统（3）通过数据传输线与图像识别系统（6）、田间行走装置（1）、移动定位装置（5）、绿豆采摘装置（7）进行数据链接，进一步对各系统装置进行控制；所述图像识别系统（6）安装在移动定位装置第三运动臂（53）上；所述移动定位装置（5）安装于田间行走装置（1）上；所述动力系统（2）安装在田间行走装置（1）的固定基座（105）后方，并对整个绿豆采摘机器人提供能源；所述绿豆采摘装置安装（7）装在移动定位装置（5）上；其中，所述绿豆采摘装置（7）包括固定座（71）、手爪固定块（72）、机械手爪（73）、连接块（74）、传动杆（75）、拉伸弹簧（79）、滚轮安装件（76）、滚轮从动件（78）、电机E（701）、凸轮（77）、电机固定座（710）、辅助采摘器（8）；所述凸轮（77）铰接于电机E上，并可绕其中轴线水平转动，所述滚轮从动件（78）铰接于滚轮安装件（76）上，并可绕其铰接点中轴线转动，从而使传动杆（75）在凸轮机构运动力下作直线运动，所述辅助采摘器（8）由抓取板（81）和保护套（82）两部件连接而成，并通过螺栓固定于机械手爪（73）上，可随机械手爪（73）作张开闭合运动；所述移动定位装置（5）包括第一运动臂（51）、第二运动臂（52）、第三运动臂（53）、第一螺杆（54）、第二螺杆（55）、电机B（501）、电机C（502）和电机D（503）；所述第一螺杆（54）安装在第一运动臂（51）槽结构中，第二螺杆（55）安装在第二运动臂（52）槽结构中，第一运动臂通过电机A（4）与田间行走装置（1）连接，且整个机械臂可围绕电机A（4）轴心线水平转动，所述第二运动臂（52）由第一螺杆（54）驱动，并安装于第一运动臂（51）的槽结构中，所述第三运动臂（53）由第二螺杆（55）驱动，并安装于第二运动臂（52）的槽结构中；所述田间行走装置（1）包含第一行走腿（101）、第二行走腿（102）、第一运动关节（103）、第二运动关节（104）、陀螺仪模块（106）、固定基座（105）、箱体限位块（107）和箱体锁紧装置（108）；第一行走腿（101）和第二行走腿（102）的一端通过第一运动关节（103）铰接连接，第二行走腿（102）另一端通过第二运动关节（104）与固定基座（105）进行铰接，箱体限位块（107）和箱体锁紧装置（108）连接在固定基座（105）上，且呈两两对称分布，陀螺仪模块（106）安装在固定基座（105）的几何中心点上，并与信息处理和控制系统（3）进行数据通信，进一步的，信息处理和控制系统（3）对陀螺仪模块（106）的姿态信息进行读取，从而对田间行走装置（1）进行控制；所述箱体锁紧装置（108）包括锁紧把手（I）、把手安装基座（II）、扭力弹簧（III）和杆件（IV）；把手安装基座（II）通过螺栓连接在固定基座（105）上，锁紧把手（I）通过杆件（IV）与把手安装基座（II）转动连接，扭力弹簧（III）的线圈嵌套在杆件（IV）上，且两端扭簧固定在锁紧把手（I）的两端；所述绿豆采集箱（9）底板有一凹槽，并通过箱体限位块（107）和箱体锁紧装置（108）连接在固定基座（105）前端。所述抓取板（81）两端为倒L形结构，且抓取板（81）的两端为规则的波浪齿形状结构。所述滚轮安装件（76）为双面单孔结构，其孔结构刚性连接一杆件；所述滚轮从动件（78）铰接于该杆件，可绕其中轴线水平转动，并通过拉伸弹簧（79）使滚轮从动件（78）紧贴凸轮（77）。所述保护套（82）为柔软的硅胶或橡胶材料，且保护套（82）与绿豆接触的一端表面有条纹结构和触须结构。所述第一运动臂（51）、第二运动臂（52）槽结构的两端有孔，第二运动臂（52）、第三运动臂（53）的安装端有螺纹孔。所述第一螺杆（54）的一端与电机B连接，另一端安装于第一运动臂（51）的一端；所述第二螺杆（55）的一端与电机C连接，另一端安装于第二运动臂（52）的一端；所述电机B、电机C可以正反转，从而实现第一运动臂（51）和第二运动臂（52）的直线往复运动。所述图像识别系统（6）包括可控增稳云台（62）和双目摄像机（61）；可控增稳云台（62）固定在第三运动臂（53）上，摄像机固定于可控增稳云台（62）上。所述田间行走装置（1）的运动方式为：以电机驱动第一行走腿（101）和第二行走腿（102）运动以完成第一行走腿（101）的离地触地动作。所述绿豆收集箱（9）的形状为底部截面积最大、中部截面积最小、顶部截面积处于二者之间的沙漏状箱体结构。
本发明的有益效果为：
1. 利用机械手加辅助采摘器对绿豆进行采摘，除了具有能根据需采摘的豆荚数量而选择不同的采摘方式的优点外，还能模拟人工掐住绿豆果柄的动作，有效解决了因为绿豆果柄过短而导致的采摘困难的问题，并且避免了因采摘挤压力过大造成的豆荚破碎等情况。
利用螺纹螺杆的直线移动加伺服电机的转动组合对绿豆采摘装置进行控制，能够避免单一的电机转动出现的采摘盲点，采摘过程更加高效。
由拉伸弹簧和凸轮机构作为采摘装置的驱动力，能使绿豆采摘装置抓取动作更为快速，且限制抓取力在可控范围内，最大程度的避免因采摘力度过大而导致的绿豆破裂。
采用基于陀螺仪的多足运动机器人作为采摘机器人，可胜任田园道路和复杂的作业区域，使运动过程和采摘过程更加平稳。
利用增稳云台作为双目摄像机的载体，能够得到更加清晰的图像信息，使采摘过程更加精准。
绿豆收集箱与田间行走装置采用快速安装/拆卸式结构连接，不仅能使采摘机器人在完成采摘任务后，取出绿豆变得更加便捷，而且在多次采摘作业时，可以更为快速的更换绿豆收集箱，有利于提高工作效率。
7. 本发明同样适用于其他菜豆类作物比如四季豆、毛豆等的采摘，实用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1为本发明的结构总图；
图2为移动定位装置（5）结构图；
图3为绿豆采摘装置（7）结构图及辅助视图；
图4为辅助采摘器（8）结构图；
图5为绿豆收集箱（9）与固定基座（105）连接的剖视图和局部放大图；
图6为田间行走装置（1）结构图;
图7为图像识别系统（6）结构图。
具体实施方式
现有绿豆采摘方法，因为同株不同荚的成熟期相差很大，主要依靠人工定期的对田间已成熟的绿豆进行采摘，其采摘方式为：先搜索出成熟可采摘的绿豆，再用手抓住绿豆荚，依靠大拇指的指甲和食指掐住绿豆果柄，然后依靠手腕的力量稍稍扭转一定的角度，再依靠手臂的力量向外拉扯绿豆荚，完成对绿豆的采摘。整个采摘过程耗时耗力，且效率低下。本发明提供的一种绿豆采摘机器人，实现对绿豆的自动化识别、采摘。
一种绿豆采摘机器人，如图1所示，包括田间行走装置、图像识别系统、移动定位装置、绿豆采摘装置、信息处理和控制中心、动力系统和绿豆收集箱。动力系统安装在田间行走装置的固定基座最后方，为整个采摘机器人提供能源。陀螺仪模块安装于固定基座的几何中心点上，并实时的感知当前田间行走装置的姿态信息，这样，信息处理和控制中心便可对行走腿进行实时控制，目的是使田间运动装置运动更加平缓，信息处理和控制系统安装在动力系统前方位置，并与图像识别系统、田间行走装置、移动定位装置和绿豆采摘装置通过数据传输线进行数据链接，并进一步的对其动作进行控制。
具体的，移动定位装置铰接于固定基座上的电机A上，能绕电机A的中轴线水平转动，绿豆采摘装置铰接于移动定位装置的电机D上，通过绕其中轴线水平转动来实现转换辅助采摘器的不同采摘端和调整采摘位置。
如图7所示：图像识别系统包含增稳云台和双目摄像机，具体的，增稳云台安装在移动定位装置第三运动臂上，双目摄像机固定于增稳云台上，这样，可使在运动臂的运动过程中，首先能使摄像机跟田间行走装置和移动定位装置一起运动，获得类似于第一视觉的图像采集数据，其次增稳云台可使摄像机在田间行走装置和定位移动装置运动过程中保持稳定，不会产生大角度偏转、颠簸和抖动，获得的采集图像更加清晰和准确，最后，如有必要，信息处理和控制中心可对云台发送指令，控制其需要保持的角度，以便于得到不同的拍摄视角。
如图6所示：田间行走装置包含第一行走腿、第二行走腿、第一运动关节、第二运动关节、陀螺仪模块、固定基座、箱体限位块和箱体锁紧装置。箱体限位块和箱体锁紧装置连接在固定基座上，呈两两对称分布，第一行走腿的一端通过第一运动关节转动连接于第二行走腿的一端，第二行走腿另一端通过第二运动关节与固定基座进行运动连接，这样，通过信息处理和控制中心对运动关节发送指令，便可以驱动第一行走腿完成抬起、放下，协同第二行走腿的小幅度转动，便能完成第一行走腿的离地、触地的动作，值得说明的是，田间行走装置并不仅仅局限于图例中的六足/腿/爪机器人，而是一种广义上的多足机器人。
如图2所示：移动定位装置包括第一运动臂、第二运动臂、第三运动臂、第一螺杆、第二螺杆、电机B、电机C和电机D。其中，第一运动臂的一端通过电机A与固定基座105转动连接，电机B安装在第一运动臂的槽结构中，第一螺杆的一端刚接在电机B的转动轴上，另一端安装在第一运动臂一端的孔结构中，第二运动臂的一端带有螺纹孔，并通过螺纹孔结构安装在第一螺杆上，这样，通过电机B带动第一螺杆正反转动，使得第二运动臂在螺纹螺杆作用力下做直线往复运动，第三运动臂、电机C、第二螺杆整个的安装方式、运动原理同上。
如图3所示：绿豆采摘装置包括固定座、手爪固定块、机械手爪、连接块、传动杆、拉伸弹簧、滚轮安装件、滚轮从动件、电机E、凸轮、电机固定座、辅助采摘器。其中，固定座铰接于电机D转动轴上，可绕其中心轴水平转动，手爪固定块通过两点定位，通过螺栓安装在固定座上，机械手爪通过螺栓铰接于手爪固定块的孔结构上，可绕其铰接点中轴线水平转动，连接块的两端分别与机械手爪和传动杆的一端以转动铰接，传动杆的中心轴与固定座的轴孔特征的中心轴重合，可沿中心轴做直线运动，传动杆的另外一段与滚轮安装件连接，拉伸弹簧的旋转中心轴与传动杆的中心轴重合，且拉伸弹簧的一端安装在固定座上，另外一端固定在滚轮安装件上，这样，可由拉伸弹簧提供机械手的最初张开力，凸轮铰接于电机E上，并可绕其中轴线水平转动，滚轮从动件通过杆件与滚轮安装件转动连接，并可绕其铰接点中轴线转动，从而使传动杆在其所构成地凸轮机构运动力下作直线运动。
如图4所示：辅助采摘器由抓取板81和保护套82两部件连接而成，其中，抓取板通过螺栓固定于机械手爪上，保护套固定在抓取板上，这样，整个辅助采摘器可随机械手爪作张开闭合运动。
如图5所示：箱体锁紧装置包含锁紧把手、把手安装基座、扭力弹簧和杆件。其中，把手安装基座通过螺栓连接在固定基座上，锁紧把手通过杆件与把手安装基座转动连接，扭力弹簧的线圈嵌套在杆件上，且两端扭簧固定在锁紧把手的两端，特别的，绿豆收集箱其形状特征为底部截面积最大、中部截面积最小、顶部截面积处于二者之间的沙漏状箱体结构，且底板有一凹槽特征，这样，通过扭力弹簧对锁紧把手施加作用力，使锁紧把手可插入绿豆采集箱底板的凹槽结构中，并由弹簧提供锁紧把手压紧绿豆收集箱底板的作用力，再通过两侧的箱体限位块对其绿豆收集箱进行固定，可以达到快速拆卸/安装绿豆收集箱的目的；值得补充的是，绿豆收集箱采用沙漏状的箱体，不仅可以使采摘后的绿豆荚更方便的放进收集箱体中，还能够避免因田间行走装置运动时存在颠簸而导致绿豆荚从箱体中抖落出去。
实施例1:
本发明提供了一种基于上述绿豆采摘机器人进行绿豆采摘的方法，其工作过程为：
首先，田间行走装置在作业区运动，通过图像识别系统搜索需要采摘的绿豆，当图像识别系统采集到需采摘的绿豆信息后，发送其采集到的影像信息给信息处理和控制中心，由其计算出该株上的豆荚是否符合采摘要求，再根据相应的算法计算出需采摘豆荚的位置和状态，
然后，如果计算结果为需要进行采摘，则信息处理和控制中心发送指令给田间运动装置，并依据搭载在装置上的陀螺仪传感器所感应到的当前装置的姿态。实时的发送指令控制行走腿的运动，使田间行走装置平稳的运动至适合采摘点。
再然后，由信息处理和控制中心发送先指令控制电机A转动，进一步的控制移动定位装置，使绿豆采摘装置运动至最佳采摘点。
接着，根据荚簇中需采摘的豆荚数量和豆荚状态，发送控制指令控制电机D转动，使其能根据豆荚数量选择不同的辅助采摘器不同采摘面，以及根据豆荚生长状态调整绿豆采摘装置的状态，具体的，如果豆荚数量少于4荚时，选择辅助采摘器的a端，当豆荚数量大于4荚时，选择辅助采摘器的b端。
再接着，发送指令控制电机E转动，由其驱动的凸轮机构运动，从而使传动杆克服拉伸弹簧的拉伸力向电机A方向运动，进而使辅助采摘器在机械手爪的运动下，完成对绿豆荚的抓取。
最后，信息处理和控制中心发送指令给移动定位装置、绿豆采摘装置、田间移动装置，使一系列装置在其控制下完成以下采摘绿豆的动作：
步骤一，先完成绿豆摘取动作；
机械手小幅度扭转用于模拟手腕关节运动、第二运动臂向后用于模拟大臂动作、第三运动臂向下动作用于模拟小臂动作。
步骤二，再完成绿豆回收动作；
移动定位装置运动至绿豆收集箱位置、绿豆采摘装置转动至绿豆收集箱的漏斗口、机械手爪带动辅助采摘器松开绿豆，至此，绿豆采摘回收完成，田间行走装置运动至下一采摘位置。
Claims (9)
1.一种绿豆采摘机器人，包括田间行走装置(1)、图像识别系统(6)、移动定位装置(5)、绿豆采摘装置(7)、信息处理和控制系统(3)、动力系统(2)和绿豆收集箱(9)，其特征在于:所述信息处理和控制系统(3)通过数据传输线与图像识别系统(6)、田间行走装置(1)、移动定位装置(5)、绿豆采摘装置(7)进行数据链接，进一步对各系统装置进行控制；所述图像识别系统(6)安装在移动定位装置第三运动臂(53)上；所述移动定位装置(5)安装于田间行走装置(1)上；所述动力系统(2)安装在田间行走装置(1)的固定基座(105)后方，并对整个绿豆采摘机器人提供能源；所述绿豆采摘装置(7)安装在移动定位装置(5)上；其中，
所述绿豆采摘装置(7)包括固定座(71)、手爪固定块(72)、机械手爪(73)、连接块(74)、传动杆(75)、拉伸弹簧(79)、滚轮安装件(76)、滚轮从动件(78)、电机E(701)、凸轮(77)、电机固定座(710)、辅助采摘器(8)；所述凸轮(77)铰接于电机E(701)上，并可绕其中轴线水平转动，所述滚轮从动件(78)铰接于滚轮安装件(76)上，并可绕其铰接点中轴线转动，从而使传动杆(75)在凸轮机构运动力下作直线运动，所述辅助采摘器(8)由抓取板(81)和保护套(82)两部件连接而成，并通过螺栓固定于机械手爪(73)上，可随机械手爪(73)作张开闭合运动；
所述移动定位装置(5)包括第一运动臂(51)、第二运动臂(52)、第三运动臂(53)、第一螺杆(54)、第二螺杆(55)、电机B(501)、电机C(502)和电机D(503)，其中，可通过控制电机D(503)的转动来根据需采摘豆荚数量和豆荚状态选择辅助采摘器(8)的不同采摘面，具体地，当豆荚数量少于4荚时，选择辅助采摘器的a端，当豆荚数量大于4荚时，选择辅助采摘器的b端；
所述第一螺杆(54)安装在第一运动臂(51)槽结构中，第二螺杆(55)安装在第二运动臂(52)槽结构中，第一运动臂(51)通过电机A(4)与田间行走装置(1)连接，且整个机械臂可围绕电机A(4)轴心线水平转动，所述第二运动臂(52)由第一螺杆(54)驱动，并安装于第一运动臂(51)的槽结构中，所述第三运动臂(53)由第二螺杆(55)驱动，并安装于第二运动臂(52)的槽结构中；
所述田间行走装置(1)包含第一行走腿(101)、第二行走腿(102)、第一运动关节(103)、第二运动关节(104)、陀螺仪模块(106)、固定基座(105)、箱体限位块(107)和箱体锁紧装置(108)；第一行走腿(101)和第二行走腿(102)的一端通过第一运动关节(103)铰接连接，第二行走腿(102)另一端通过第二运动关节(104)与固定基座(105)进行铰接，箱体限位块(107)和箱体锁紧装置(108)连接在固定基座(105)上，且呈两两对称分布，陀螺仪模块(106)安装在固定基座(105)的几何中心点上，并与信息处理和控制系统(3)进行数据通信，进一步地，信息处理和控制系统(3)对陀螺仪模块(106)的姿态信息进行读取，从而对田间行走装置(1)进行控制；
所述箱体锁紧装置(108)包括锁紧把手(I)、把手安装基座(II)、扭力弹簧(III)和杆件(IV)；把手安装基座(II)通过螺栓连接在固定基座(105)上，锁紧把手(I)通过杆件(IV)与把手安装基座(II)转动连接，扭力弹簧(III)的线圈嵌套在杆件(IV)上，且扭簧的两端固定在锁紧把手(I)的两端；
所述绿豆收集箱(9)底板有一凹槽，并通过箱体限位块(107)和箱体锁紧装置(108)连接在固定基座(105)前端。
2.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述抓取板(81)两端为倒L形结构，且抓取板(81)的两端为规则的波浪齿形状结构。
3.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述滚轮安装件(76)为双面单孔结构，其孔结构刚性连接一杆件；所述滚轮从动件(78)铰接于该杆件，可绕其中轴线水平转动，并通过拉伸弹簧(79)使滚轮从动件(78)紧贴凸轮(77)。
4.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述保护套(82)为柔软的硅胶或橡胶材料，且保护套(82)与绿豆接触的一端表面有条纹结构和触须结构。
5.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述第一运动臂(51)、第二运动臂(52)槽结构的两端有孔，第二运动臂(52)、第三运动臂(53)的安装端有螺纹孔。
6.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述第一螺杆(54)的一端与电机B(501)连接，另一端安装于第一运动臂(51)的一端；所述第二螺杆(55)的一端与电机C(502)连接，另一端安装于第二运动臂(52)的一端；所述电机B(501)、电机C(502)可以正反转，从而实现第一运动臂(51)和第二运动臂(52)的直线往复运动。
7.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述图像识别系统(6)包括可控增稳云台(62)和双目摄像机(61)；可控增稳云台(62)固定在第三运动臂(53)上，摄像机固定于可控增稳云台(62)上。
8.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述田间行走装置(1)的运动方式为:以电机驱动第一行走腿(101)和第二行走腿(102)运动以完成第一行走腿(101)的离地触地动作。
9.根据权利要求1所述的绿豆采摘机器人，其特征在于:所述绿豆收集箱(9)的形状为底部截面积最大、中部截面积最小、顶部截面积处于二者之间的沙漏状箱体结构。
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