CN109220225A - 一种全自动水果采摘装置 - Google Patents
一种全自动水果采摘装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109220225A CN109220225A CN201811229173.5A CN201811229173A CN109220225A CN 109220225 A CN109220225 A CN 109220225A CN 201811229173 A CN201811229173 A CN 201811229173A CN 109220225 A CN109220225 A CN 109220225A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fruit
- controller
- mechanical arm
- freedom mechanical
- pedestal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 title claims abstract description 108
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims abstract description 40
- 241000219098 Parthenocissus Species 0.000 claims abstract description 28
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 18
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 claims description 13
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 10
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01D—HARVESTING; MOWING
- A01D46/00—Picking of fruits, vegetables, hops, or the like; Devices for shaking trees or shrubs
- A01D46/30—Robotic devices for individually picking crops
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01D—HARVESTING; MOWING
- A01D46/00—Picking of fruits, vegetables, hops, or the like; Devices for shaking trees or shrubs
- A01D46/22—Baskets or bags attachable to the picker
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Harvesting Machines For Specific Crops (AREA)
Abstract
本发明公开了一种全自动水果采摘装置，具有履带车，履带车上设有水果箱与控制装置，履带车上还设有移动基架，移动基架具有XY轴移动平台，XY轴移动平台上竖直装有伸缩式支撑架；伸缩式支撑架的顶部通过回转机构连接三自由度机械臂的一端，三自由度机械臂的另一端装有剪切操作手；剪切操作手具有基座，在基座的上、中、下三个部位对应装有水平布置的双目摄像机、剪切刀具和吊环，吊环连接软袋的上端口，软袋的下端口伸入至水果箱中，并在软袋内设有若干层防撞裙边；本发明实现了对履带车的自动导航控制，并对目标果实进行自动标识和定位以便实施采摘，确保了采摘质量，不仅采摘效率高，可行性高，通用性强，而且适用于对不同水果的自动化摘取。
Description
技术领域
本发明涉及农业设备技术领域，特别涉及一种全自动水果采摘装置。
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。另外，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。
然而，由于现有的机械采摘装置结构简单、功能单一，还不能适应在复杂的外界环境中进行采摘作业，也不能确保在采摘过程中对水果实施较好的防护，从而存在采摘不方便、采摘效率低下的问题。因而，现有的水果采摘作业还是以人工采摘为主，但是近年来随着农村人口大量向城市迁移，留守农村的劳动力极剧减少，劳动力的缺乏严重影响到水果的种植与采摘。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是要解决现有的机械采摘装置结构简单、功能单一，采摘效率低下，不能适应在复杂的外界环境中进行采摘作业，并且不能确保采摘质量的问题，提供一种全自动水果采摘装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明为一种全自动水果采摘装置，具有履带车，履带车上设有水果箱与控制装置，在履带车上还设有移动基架，移动基架具有XY轴移动平台，XY轴移动平台上竖直装有伸缩式支撑架；伸缩式支撑架的顶部通过回转机构连接三自由度机械臂的一端，三自由度机械臂的另一端装有剪切操作手；剪切操作手具有基座，在基座的上、中、下三个部位对应装有水平布置的双目摄像机、剪切刀具和吊环，吊环连接软袋的上端口，软袋的下端口伸入至水果箱中，并在软袋内设有若干层防撞裙边；控制装置由相互通讯连接的上层主控制器与下层行走控制器、移动机架控制器、末端执行控制器组成，其中行走控制器用于控制履带车的行走动作，移动机架控制器用于控制三自由度机械臂在移动基架上的三维基坐标，末端执行控制器用于控制三自由度机械臂的动作，主控制器通讯连接双目摄像机和GPS监测接收机，并通过对双目摄像机拍摄到的当前路面图像信息和果树图像信息进行处理，以提取视觉导航参数并对目标果实进行标识和定位，从而对目标果实实施采摘操作。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述履带车具有车体，在车体上侧安装所述移动机架；在车体下侧的前、后两端对应装有两个从动链轮和两个主动链轮，并且位于车体同左/右侧的一组从动链轮与主动链轮上对应披装有履带，每个主动链轮对应通过齿轮传动机构连接伺服电机A的输出端，在伺服电机A上配装有编码器；所述编码器通讯连接行走控制器，行走控制器根据每台伺服电机A上编码器实时反馈的数据对该伺服电机A的转速进行实时控制，并且通过对两个主动链轮所对应的伺服电机A的差速调节来实现对履带车行走动态的实时控制。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述XY轴移动平台由X向滑台和Y向滑台组成，其中Y向滑台安装在X向滑台的上侧；所述X向滑台和Y向滑台设有相同结构的水平驱动机构，所述水平驱动机构包括装设在底板上呈并排布置的一根丝杆和至少两根水平导向杆，丝杆的一端连接伺服电机B的输出端，在丝杆上装设有与其通过螺纹相匹配的水平滑块，所述水平滑块套装在水平导向杆上，在水平滑块上装有用于安装X向滑台或Y向滑台的转接板；所述伸缩式支撑架由电动推杆和设置在电动推杆左、右两侧的剪叉式支架组成，电动推杆的顶升端和剪叉式支架的上端分别连接升降基座，电动推杆的底座和剪叉式支架的下端连接XY轴移动平台；所述伺服电机B和电动推杆的工作动态由移动机架控制器进行实时控制。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述伸缩式支撑架的外侧套装有橡胶护套，橡胶护套的上端口连接升降基座，剪叉式支架上的每个铰接点分别通过软连接连接橡胶护套的内侧壁。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述回转机构具有设置在伸缩式支撑架顶端且呈同轴布置的两个轴承座，在两个轴承座中配装有回转轴，并在其中一个轴承座的一侧装有与其并排布置的伺服电机C，伺服电机C的输出端装有小齿轮，回转轴上安装有与小齿轮相啮合的大齿轮；所述三自由度机械臂包括有大臂和小臂，大臂的一端连接所述回转轴，大臂的另一端装有伺服减速电机A，伺服减速电机A的输出端装有伞齿轮A，伞齿轮A与伞齿轮B相啮合，伞齿轮B的中心孔中配装有中心轴，伺服减速电机A的中心线与中心轴的中轴线垂直相交；所述小臂的一端连接中心轴，小臂的另一端装有伺服减速电机B，伺服减速电机B的输出端连接所述基座；所述伺服电机C、伺服减速电机A和伺服减速电机B的工作动态均由末端执行控制器进行实时控制。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述三自由度机械臂以回转轴为轴心作角度范围为-170°～+170°的回转运动；所述小臂以中心轴为轴心作角度范围为-250°～+175°的旋转运动；所述剪切操作手以伺服减速电机B的中心线为轴心作-60°～+60°的旋转运动。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中述剪切刀具包括“U”型固定座、固定刀片和活动刀片，其中固定刀片和活动刀片的刀口呈左、右相对布置；“U”型固定座内设有至少两根导向杆；固定刀片的刀柄固定在“U”型固定座的其中一侧边上，活动刀片的刀柄套装在导向杆上并与“U”型固定座的另一侧边相对应；在固定刀片、活动刀片的刀柄之间的导向杆上套装有恢复弹簧；在固定刀片、活动刀片的刀柄上对应装有电磁铁与铁块；在基座上装有光电传感器A，固定刀片上装有与其垂直布置的光电传感器B，其中光电传感器A平行布置于固定刀片与活动刀片之间，光电传感器B的检测端指向活动刀片，所述光电传感器A和光电传感器B分别通讯连接末端执行控制器，并由末端执行控制器实时控制电磁铁上线圈的通电状态。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明基于上述一种全自动水果采摘装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)系统设备初始化；
(2)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的路面图像信息，通过配置的GPS监测接收机获取履带车当前的DGPS位置坐标与航向信息，主控制器通过内置的视觉导航图像处理算法对这些信息进行处理，以提取视觉导航参数，并实现对履带车的导航控制；
(3)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的果树图像信息，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位，并将双目摄像机坐标系下目标果实的三维坐标转换至三自由度机械臂基坐标下的坐标，然后主控制器根据目标果实的三维坐标对三自由度机械臂的采摘路径进行规划和运动学求解；
(4)由末端执行控制器控制三自由度机械臂的实时动作，当三自由度机械臂末端的剪切操作手运动至剪切操作的目标位置后，由末端执行控制器控制剪切刀具实施剪切动作；
(5)重复以上步骤(1)至步骤(4)，直至三自由度机械臂活动范围内的目标果实采摘完毕；
(6)三自由度机械臂恢复至初始位置，并重复以上步骤的操作。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中所述主控制器通过配置的1394转接卡通讯连接双目摄像机，并以此控制双目摄像机的拍摄动作。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明中，在步骤(3)中，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位的操作包括以下步骤：
(1)采用灰度阈值分割法对双目摄像机拍摄到的果树图像进行处理，以分割得到分别表征茎秆、树叶和水果的灰度图片，并通过采用数字信号处理器将各个灰度图片转换成相应的数字图像，其中茎秆用一维数组存放，树叶用二维数组存放，水果用三维数组存放,从而得到各个水果在双目摄像机坐标系下的三维坐标；
(2)根据自然环境不同光照下成熟水果的颜色特征，选取YCbCr颜色模型对果树图像进行处理，从而区分出目标果实；
在步骤(4)中末端执行控制器对剪切操作的目标位置的判定方法如下：
(1)通过凸包算法计算目标果实的质心，并判断该质心与目标果实茎杆的最大距离的5mm茎杆处为采摘点,该采摘点为剪切操作的目标位置；
(2)利用基于极限约束法和色调空间的彩色图像匹配法进行茎杆采摘点的双目立体匹配，从而实现了对采摘点的空间定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明结构简单、设计巧妙，实现了对履带车的自动导航控制，并对目标果实进行自动标识和定位以便实施采摘，同时确保了采摘质量，不仅采摘效率高，可行性高，通用性强，而且适用于对多种不同水果的自动化摘取。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明的仰视结构示意图；
图4是本发明中回转机构的结构示意图；
图5是本发明中三自由度机械臂的放大结构示意图；
图6是本发明中剪切操作手主视结构示意图；
图7是本发明中剪切操作手俯视结构示意图；
图8是本发明中移动基架的结构示意图；
图9是本发明中水平驱动机构的结构示意图；
图10是本发明的控制结构框图。
图中：1-车体，2-从动链轮，3-主动链轮，4-履带，5-齿轮传动机构，6-伺服电机A，7-水果箱，8-XY轴移动平台，801-X向滑台，802-Y向滑台，803-底板，804-丝杆，805-水平导向杆，806-伺服电机B，807-水平滑块，808-转接板，9-伸缩式支撑架，901-电动推杆，902-剪叉式支架，903-升降基座，904-橡胶护套，905-软连接，10-回转机构，101-轴承座，102-回转轴，103-伺服电机C，104-小齿轮，105-大齿轮，11-三自由度机械臂，111-大臂，112-小臂，113-伺服减速电机A，114-伺服减速电机B，115-伞齿轮A，116-伞齿轮B，117-中心轴，12-剪切操作手，121-基座，122-双目摄像机，123-吊环，124-“U”型固定座，125-固定刀片，126-活动刀片，127-导向杆，128-恢复弹簧，129-电磁铁，130-铁块，131-光电传感器A，132-光电传感器B，13-软袋，14-防撞裙边，15-主控制器，16-行走控制器，17-移动机架控制器，18-末端执行控制器，19-GPS监测接收机，20-RS232通讯接口，21-运动控制卡，22-1394转接卡。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。
此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
如图1-10所示，本发明提供一种全自动水果采摘装置，具有履带车，履带车上设有上方敞口的水果箱7与控制装置，在履带车上还设有移动基架，移动基架具有XY轴移动平台8，XY轴移动平台8上竖直装有伸缩式支撑架9；伸缩式支撑架9的顶部通过回转机构10连接三自由度机械臂11的一端，三自由度机械臂11的另一端装有剪切操作手12；剪切操作手12具有基座121，在基座121的上、中、下三个部位对应装有水平布置的双目摄像机122、剪切刀具和吊环123，吊环123连接软袋13的上端口，软袋13的下端口伸入至水果箱7中，并在软袋13内设有若干层防撞裙边14。
所述控制装置由上层主控制器15与下层行走控制器16、移动机架控制器17、末端执行控制器18组成，其中主控制器15采用研华IPC610-H型工控机，在工控机上配置有三个RS232通讯接口20，用以分别通讯连接移动机架控制器17、末端执行控制器18和GPS监测接收机19，在工控机上配装有运动控制卡21，并通过与运动控制21相匹配的PCI总线通讯连接行走控制器16，行走控制器16采用的型号为研华PCI1240U，并且工控机通过配装的1394转接卡22通讯连接双目摄像机122；行走控制器16用于控制履带车的行走动作，移动机架控制器17用于控制三自由度机械臂11在移动基架上的三维基坐标，末端执行控制器18用于控制三自由度机械臂11的动作，主控制器15通过对双目摄像机122拍摄到的当前路面图像信息和果树图像信息进行处理，以提取视觉导航参数并对目标果实进行标识和定位，从而对目标果实实施采摘操作。
进一步的，本实施例中所述履带车具有车体1，在车体1上侧安装所述移动机架；在车体1下侧的前、后两端对应装有两个从动链轮2和两个主动链轮3，并且位于车体1同左/右侧的一组从动链轮2与主动链轮3上对应披装有履带4，每个主动链轮3对应通过齿轮传动机构5连接伺服电机A6的输出端，在伺服电机A6上配装有编码器；所述编码器通讯连接行走控制器16，行走控制器16根据每台伺服电机A6上编码器实时反馈的数据对该伺服电机A6的转速进行实时控制，并且行走控制器16实时接收从主控制器15传输过来的视觉导航参数信息，通过对两个主动链轮3所对应的伺服电机A6的差速调节来实现对履带车行走动态的实时控制。
进一步的，本实施例中所述XY轴移动平台8由X向滑台801和Y向滑台802组成，其中Y向滑台802安装在X向滑台801的上侧；所述X向滑台801和Y向滑台802设有相同结构的水平驱动机构，所述水平驱动机构包括装设在底板803上呈并排布置的一根丝杆804和两根水平导向杆805，丝杆804的一端连接伺服电机B806的输出端，在丝杆804上装设有与其通过螺纹相匹配的水平滑块807，所述水平滑块807套装在水平导向杆805上，在水平滑块807上装有用于安装X向滑台801或Y向滑台802的转接板808；所述伸缩式支撑架9由电动推杆901和设置在电动推杆901左、右两侧的剪叉式支架902组成，电动推杆901的顶升端和剪叉式支架902的上端分别连接升降基座903，电动推杆901的底座和剪叉式支架902的下端连接XY轴移动平台8；为了进一步精确控制X向滑台801、Y向滑台802和伸缩式支架9分别沿X、Y、Z向动作，在两个伺服电机B806上与电动推杆901所配套的旋转电机上均配装有编码器，移动机架控制器17实时接收主控制器15给定的控制指令，并根据这三个编码器实时反馈的数据，实现对移动基架分别沿X、Y、Z这三个方向动作的精确控制。
进一步的，本实施例中所述伸缩式支撑架9的外侧套装有橡胶护套904，橡胶护套904的上端口连接升降基座903，剪叉式支架902上的每个铰接点分别通过软连接905连接橡胶护套的内侧壁，软连接905可采用棉线绳或尼龙绳。
进一步的，本实施例中所述回转机构10具有设置在伸缩式支撑架9顶端且呈同轴布置的两个轴承座101，在两个轴承座101中配装有回转轴102，并在其中一个轴承座的一侧装有与其并排布置的伺服电机C103，伺服电机C103的输出端装有小齿轮104，回转轴102上安装有与小齿轮104相啮合的大齿轮105；所述三自由度机械臂11包括有大臂111和小臂112，大臂111的一端连接所述回转轴102，大臂111的另一端装有伺服减速电机A113，伺服减速电机A113的输出端装有伞齿轮A115，伞齿轮A115与伞齿轮B116相啮合，伞齿轮B116的中心孔中配装有中心轴117，伺服减速电机A113的中心线与中心轴117的中轴线垂直相交；所述小臂112的一端连接中心轴117，小臂112的另一端装有伺服减速电机B114，伺服减速电机B114的输出端连接所述基座121；为了进一步精确控制三自由度机械臂11的动作，在伺服电机C103、伺服减速电机A113和伺服减速电机B114上均配装有编码器，从而末端执行控制器18实时根据主控制器15给定的控制指令，并根据这三个编码器实时反馈的数据，实现对三自由度机械臂11动作的精确控制。
进一步的，本实施例中所述三自由度机械臂11以回转轴102为轴心作角度范围为-170°～+170°的回转运动；所述小臂112以中心轴117为轴心作角度范围为-250°～+175°的旋转运动；所述剪切操作手12以伺服减速电机B114的中心线为轴心作-60°～+60°的旋转运动。
进一步的，本实施例中所述剪切刀具包括“U”型固定座124、固定刀片125和活动刀片126，其中固定刀片125和活动刀片126的刀口呈左、右相对布置；“U”型固定座124内设有两根导向杆127；固定刀片125的刀柄固定在“U”型固定座124的其中一侧边上，活动刀片126的刀柄套装在导向杆127上并与“U”型固定座124的另一侧边相对应；在固定刀片125、活动刀片126的刀柄之间的导向杆上套装有恢复弹簧128；在固定刀片125、活动刀片126的刀柄上对应装有电磁铁129与铁块130；在基座121上装有光电传感器A131，固定刀片125上装有与其垂直布置的光电传感器B132，其中光电传感器A131平行布置于固定刀片125与活动刀片126之间，光电传感器B132的检测端指向活动刀片126，所述光电传感器A131和光电传感器B132分别通讯连接末端执行控制器18的数字量输入端口；当主控制器15向末端执行控制器18给定“剪切”的控制指令时，光电传感器A131用于实时感应(捕捉)水果的果体位置，光电传感器B132用于实时感应(捕捉)水果的茎秆位置，从而当水果位于固定刀片125与活动刀片126的中心部位时，末端执行控制器18的数字量输出端口输出一开关量信号，以控制电磁铁129上线圈的通电，电磁铁129即时向铁块130给予电磁吸力，使得活动刀片126的刀口向固定刀片125的刀口交错靠拢，从而对果实的茎秆实施剪切，其中剪切部位位于偏移水果果体5mm左右的茎秆上；待剪切完成后，末端执行控制器18控制电磁铁129上线圈失电，活动刀片126即在恢复弹簧128的弹力作用下远离固定刀片125，直至恢复原位，以备下次剪切操作。
实施例2
本实施例基于实施例1所述的一种全自动水果采摘装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)系统设备初始化；
(2)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的路面图像信息，通过配置的GPS监测接收机获取履带车当前的DGPS位置坐标与航向信息，主控制器通过内置的视觉导航图像处理算法对这些信息进行处理，以提取视觉导航参数，并实现对履带车的导航控制；
(3)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的果树图像信息，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位，并将双目摄像机坐标系下目标果实的三维坐标转换至三自由度机械臂基坐标下的坐标，然后主控制器根据目标果实的三维坐标对三自由度机械臂的采摘路径进行规划和运动学求解；
(4)由末端执行控制器控制三自由度机械臂的实时动作，当三自由度机械臂末端的剪切操作手运动至剪切操作的目标位置后，由末端执行控制器控制剪切刀具实施剪切动作；
(5)重复以上步骤(1)至步骤(4)，直至三自由度机械臂活动范围内的目标果实采摘完毕；
(6)三自由度机械臂恢复至初始位置，并重复以上步骤的操作。
进一步的，本实施例中所述主控制器通过配置的1394转接卡通讯连接双目摄像机，并以此控制双目摄像机的拍摄动作。
进一步的，本实施例中在步骤(3)中，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位的操作包括以下步骤：
(1)采用灰度阈值分割法对双目摄像机拍摄到的果树图像进行处理，以分割得到分别表征茎秆、树叶和水果的灰度图片，并通过采用数字信号处理器将各个灰度图片转换成相应的数字图像，其中茎秆用一维数组存放，树叶用二维数组存放，水果用三维数组存放,从而得到各个水果在双目摄像机坐标系下的三维坐标；
(2)根据自然环境不同光照下成熟水果的颜色特征，选取YCbCr颜色模型对果树图像进行处理，从而区分出目标果实，其中目标果实指的是成熟的果实；
在步骤(4)中末端执行控制器对剪切操作的目标位置的判定方法如下：
(1)通过凸包算法计算目标果实的质心，并判断该质心与目标果实茎杆的最大距离的5mm茎杆处为采摘点,该采摘点为剪切操作的目标位置；
(2)利用基于极限约束法和色调空间的彩色图像匹配法进行茎杆采摘点的双目立体匹配，从而实现了对采摘点的空间定位。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全自动水果采摘装置，具有履带车，履带车上设有水果箱与控制装置，其特征在于，在履带车上还设有移动基架，移动基架具有XY轴移动平台，XY轴移动平台上竖直装有伸缩式支撑架；伸缩式支撑架的顶部通过回转机构连接三自由度机械臂的一端，三自由度机械臂的另一端装有剪切操作手；剪切操作手具有基座，在基座的上、中、下三个部位对应装有水平布置的双目摄像机、剪切刀具和吊环，吊环连接软袋的上端口，软袋的下端口伸入至水果箱中，并在软袋内设有若干层防撞裙边；控制装置由相互通讯连接的上层主控制器与下层行走控制器、移动机架控制器、末端执行控制器组成，其中行走控制器用于控制履带车的行走动作，移动机架控制器用于控制三自由度机械臂在移动基架上的三维基坐标，末端执行控制器用于控制三自由度机械臂的动作，主控制器通讯连接双目摄像机和GPS监测接收机，并通过对双目摄像机拍摄到的当前路面图像信息和果树图像信息进行处理，以提取视觉导航参数并对目标果实进行标识和定位，从而对目标果实实施采摘操作。
2.根据权利要求1所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述履带车具有车体，在车体上侧安装所述移动机架；在车体下侧的前、后两端对应装有两个从动链轮和两个主动链轮，并且位于车体同左/右侧的一组从动链轮与主动链轮上对应披装有履带，每个主动链轮对应通过齿轮传动机构连接伺服电机A的输出端，在伺服电机A上配装有编码器；所述编码器通讯连接行走控制器，行走控制器根据每台伺服电机A上编码器实时反馈的数据对该伺服电机A的转速进行实时控制，并且通过对两个主动链轮所对应的伺服电机A的差速调节来实现对履带车行走动态的实时控制。
3.根据权利要求1所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述XY轴移动平台由X向滑台和Y向滑台组成，其中Y向滑台安装在X向滑台的上侧；所述X向滑台和Y向滑台设有相同结构的水平驱动机构，所述水平驱动机构包括装设在底板上呈并排布置的一根丝杆和至少两根水平导向杆，丝杆的一端连接伺服电机B的输出端，在丝杆上装设有与其通过螺纹相匹配的水平滑块，所述水平滑块套装在水平导向杆上，在水平滑块上装有用于安装X向滑台或Y向滑台的转接板；所述伸缩式支撑架由电动推杆和设置在电动推杆左、右两侧的剪叉式支架组成，电动推杆的顶升端和剪叉式支架的上端分别连接升降基座，电动推杆的底座和剪叉式支架的下端连接XY轴移动平台；所述伺服电机B和电动推杆的工作动态由移动机架控制器进行实时控制。
4.根据权利要求3所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述伸缩式支撑架的外侧套装有橡胶护套，橡胶护套的上端口连接升降基座，剪叉式支架上的每个铰接点分别通过软连接连接橡胶护套的内侧壁。
5.根据权利要求1所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述回转机构具有设置在伸缩式支撑架顶端且呈同轴布置的两个轴承座，在两个轴承座中配装有回转轴，并在其中一个轴承座的一侧装有与其并排布置的伺服电机C，伺服电机C的输出端装有小齿轮，回转轴上安装有与小齿轮相啮合的大齿轮；所述三自由度机械臂包括有大臂和小臂，大臂的一端连接所述回转轴，大臂的另一端装有伺服减速电机A，伺服减速电机A的输出端装有伞齿轮A，伞齿轮A与伞齿轮B相啮合，伞齿轮B的中心孔中配装有中心轴，伺服减速电机A的中心线与中心轴的中轴线垂直相交；所述小臂的一端连接中心轴，小臂的另一端装有伺服减速电机B，伺服减速电机B的输出端连接所述基座；所述伺服电机C、伺服减速电机A和伺服减速电机B的工作动态均由末端执行控制器进行实时控制。
6.根据权利要求1所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述三自由度机械臂以回转轴为轴心作角度范围为-170°～+170°的回转运动；所述小臂以中心轴为轴心作角度范围为-250°～+175°的旋转运动；所述剪切操作手以伺服减速电机B的中心线为轴心作-60°～+60°的旋转运动。
7.根据权利要求1或5或6所述的一种全自动水果采摘装置，其特征在于，所述剪切刀具包括“U”型固定座、固定刀片和活动刀片，其中固定刀片和活动刀片的刀口呈左、右相对布置；“U”型固定座内设有至少两根导向杆；固定刀片的刀柄固定在“U”型固定座的其中一侧边上，活动刀片的刀柄套装在导向杆上并与“U”型固定座的另一侧边相对应；在固定刀片、活动刀片的刀柄之间的导向杆上套装有恢复弹簧；在固定刀片、活动刀片的刀柄上对应装有电磁铁与铁块；在基座上装有光电传感器A，固定刀片上装有与其垂直布置的光电传感器B，其中光电传感器A平行布置于固定刀片与活动刀片之间，光电传感器B的检测端指向活动刀片，所述光电传感器A和光电传感器B分别通讯连接末端执行控制器，并由末端执行控制器实时控制电磁铁上线圈的通电状态。
8.根据权利要求1所述的一种全自动水果采摘装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统设备初始化；
(2)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的路面图像信息，通过配置的GPS监测接收机获取履带车当前的DGPS位置坐标与航向信息，主控制器通过内置的视觉导航图像处理算法对这些信息进行处理，以提取视觉导航参数，并实现对履带车的导航控制；
(3)主控制器控制双目摄像机进行拍摄操作，以获取当前的果树图像信息，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位，并将双目摄像机坐标系下目标果实的三维坐标转换至三自由度机械臂基坐标下的坐标，然后主控制器根据目标果实的三维坐标对三自由度机械臂的采摘路径进行规划和运动学求解；
(4)由末端执行控制器控制三自由度机械臂的实时动作，当三自由度机械臂末端的剪切操作手运动至剪切操作的目标位置后，由末端执行控制器控制剪切刀具实施剪切动作；
(5)重复以上步骤(1)至步骤(4)，直至三自由度机械臂活动范围内的目标果实采摘完毕；
(6)三自由度机械臂恢复至初始位置，并重复以上步骤的操作。
9.根据权利要求8所述的一种全自动水果采摘装置的控制方法，其特征在于，所述主控制器通过配置的1394转接卡通讯连接双目摄像机，并以此控制双目摄像机的拍摄动作。
10.根据权利要求8所述的一种全自动水果采摘装置的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，主控制器通过内置的算法对果树图像信息进行处理，以实现对目标果实的识别和定位的操作包括以下步骤：
(1)采用灰度阈值分割法对双目摄像机拍摄到的果树图像进行处理，以分割得到分别表征茎秆、树叶和水果的灰度图片，并通过采用数字信号处理器将各个灰度图片转换成相应的数字图像，其中茎秆用一维数组存放，树叶用二维数组存放，水果用三维数组存放,从而得到各个水果在双目摄像机坐标系下的三维坐标；
(2)根据自然环境不同光照下成熟水果的颜色特征，选取YCbCr颜色模型对果树图像进行处理，从而区分出目标果实；
在步骤(4)中末端执行控制器对剪切操作的目标位置的判定方法如下：
(1)通过凸包算法计算目标果实的质心，并判断该质心与目标果实茎杆的最大距离的5mm茎杆处为采摘点,该采摘点为剪切操作的目标位置；
(2)利用基于极限约束法和色调空间的彩色图像匹配法进行茎杆采摘点的双目立体匹配，从而实现了对采摘点的空间定位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811229173.5A CN109220225A (zh) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | 一种全自动水果采摘装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811229173.5A CN109220225A (zh) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | 一种全自动水果采摘装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109220225A true CN109220225A (zh) | 2019-01-18 |
Family
ID=65081049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811229173.5A Pending CN109220225A (zh) | 2018-10-22 | 2018-10-22 | 一种全自动水果采摘装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109220225A (zh) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109673304A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-04-26 | 河西学院 | 基于计算机双目视觉的电磁式苹果树智能疏花疏果器 |
| CN109757219A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-05-17 | 潍坊学院 | 一种基于视觉采摘系统及方法 |
| CN109997514A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-12 | 安徽工程大学 | 水果采摘平台 |
| CN110226408A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-09-13 | 上海海洋大学 | 一种便携式水果采摘收集装置和采摘收集方法 |
| CN110692355A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-01-17 | 江西理工大学 | 一种剑麻叶片自动采割收集装置 |
| CN111183901A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-05-22 | 中国农业大学 | 玉米幼胚自动挖取装置 |
| CN111357493A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-03 | 安徽绪稻康建筑工程咨询有限公司 | 对构树树叶进行自动采摘的方法 |
| CN111579280A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 内蒙古自治区农牧业科学院 | 一种用于收集天然草地乡土草种的装置和方法 |
| CN111602515A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-09-01 | 山东省农业机械科学研究院 | 一种棕榈科果园作业装置及系统 |
| CN111820004A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-27 | 安徽省农业科学院农业工程研究所 | 一种薄壳山核桃果实采收装置 |
| CN112197705A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-08 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种基于视觉和激光测距的果实定位方法 |
| CN113141868A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-23 | 山东省产品质量检验研究院 | 一种苹果无损采摘装置 |
| CN113179761A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-07-30 | 广东工业大学 | 一种高空无损果实采摘设备 |
| CN113973577A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-01-28 | 常州机电职业技术学院 | 一种果蔬采摘机器人 |
| CN114097410A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 重庆鑫禾生物科技有限责任公司 | 一种用于收割青蒿的收割机 |
| CN114271118A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 广州极飞科技股份有限公司 | 阵列式作物处理装置、作物处理设备和作物处理方法 |
| CN114700941A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-05 | 中科合肥智慧农业协同创新研究院 | 一种基于双目视觉的草莓采摘方法、机器人系统 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102124866A (zh) * | 2011-01-19 | 2011-07-20 | 南京农业大学 | 一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法 |
| CN202009581U (zh) * | 2010-11-01 | 2011-10-19 | 崔永杰 | 一种果蔬采摘用的末端执行器 |
| CN105123127A (zh) * | 2015-10-16 | 2015-12-09 | 北方民族大学 | 枸杞采摘机器人及其控制方法 |
| CN206042845U (zh) * | 2016-08-22 | 2017-03-29 | 江苏丰年果品种植园有限公司 | 一种蓝莓采摘装置 |
| CN107711079A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-02-23 | 于小洛 | 草莓采摘机器人及草莓采摘方法 |
| CN108093868A (zh) * | 2016-11-24 | 2018-06-01 | 广州映博智能科技有限公司 | 一种基于嵌入式智能控制及双目机器视觉的采摘系统 |
| CN108200809A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-06-26 | 铜陵市棵松农业科技有限公司 | 一种果树采摘机器人及控制系统 |
| CN108319973A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-07-24 | 仲恺农业工程学院 | 一种树上柑橘果实检测方法 |
| CN108575317A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-09-28 | 杭州电子科技大学 | 一种水果采摘设备 |
| CN108575319A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-28 | 中国农业科学院麻类研究所 | 一种自动采摘机的控制系统 |
| CN209185088U (zh) * | 2018-10-22 | 2019-08-02 | 湖北理工学院 | 一种水果采摘机 |
-
2018
- 2018-10-22 CN CN201811229173.5A patent/CN109220225A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202009581U (zh) * | 2010-11-01 | 2011-10-19 | 崔永杰 | 一种果蔬采摘用的末端执行器 |
| CN102124866A (zh) * | 2011-01-19 | 2011-07-20 | 南京农业大学 | 一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法 |
| CN105123127A (zh) * | 2015-10-16 | 2015-12-09 | 北方民族大学 | 枸杞采摘机器人及其控制方法 |
| CN206042845U (zh) * | 2016-08-22 | 2017-03-29 | 江苏丰年果品种植园有限公司 | 一种蓝莓采摘装置 |
| CN108093868A (zh) * | 2016-11-24 | 2018-06-01 | 广州映博智能科技有限公司 | 一种基于嵌入式智能控制及双目机器视觉的采摘系统 |
| CN107711079A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-02-23 | 于小洛 | 草莓采摘机器人及草莓采摘方法 |
| CN108200809A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-06-26 | 铜陵市棵松农业科技有限公司 | 一种果树采摘机器人及控制系统 |
| CN108575317A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-09-28 | 杭州电子科技大学 | 一种水果采摘设备 |
| CN108319973A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-07-24 | 仲恺农业工程学院 | 一种树上柑橘果实检测方法 |
| CN108575319A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-28 | 中国农业科学院麻类研究所 | 一种自动采摘机的控制系统 |
| CN209185088U (zh) * | 2018-10-22 | 2019-08-02 | 湖北理工学院 | 一种水果采摘机 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李国忠: "《现代设计》", vol. 1, 中国地质大学出版社, pages: 141 - 142 * |
| 陈映儒;康宁;: ""三生"空间融合发展的探究", 现代园艺, no. 18 * |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109673304A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-04-26 | 河西学院 | 基于计算机双目视觉的电磁式苹果树智能疏花疏果器 |
| CN109757219A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-05-17 | 潍坊学院 | 一种基于视觉采摘系统及方法 |
| CN109997514A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-12 | 安徽工程大学 | 水果采摘平台 |
| CN109997514B (zh) * | 2019-04-04 | 2021-09-28 | 安徽工程大学 | 水果采摘平台 |
| CN110226408A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-09-13 | 上海海洋大学 | 一种便携式水果采摘收集装置和采摘收集方法 |
| CN110692355A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-01-17 | 江西理工大学 | 一种剑麻叶片自动采割收集装置 |
| US11528844B2 (en) | 2019-11-21 | 2022-12-20 | Jiangxi University Of Science And Technology | Automatic harvesting and collecting device for sisal hemp leaves |
| CN111183901A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-05-22 | 中国农业大学 | 玉米幼胚自动挖取装置 |
| CN111183901B (zh) * | 2020-01-19 | 2021-04-20 | 中国农业大学 | 玉米幼胚自动挖取装置 |
| CN111357493A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-03 | 安徽绪稻康建筑工程咨询有限公司 | 对构树树叶进行自动采摘的方法 |
| CN111602515A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-09-01 | 山东省农业机械科学研究院 | 一种棕榈科果园作业装置及系统 |
| CN111579280A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 内蒙古自治区农牧业科学院 | 一种用于收集天然草地乡土草种的装置和方法 |
| CN111820004A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-27 | 安徽省农业科学院农业工程研究所 | 一种薄壳山核桃果实采收装置 |
| CN111820004B (zh) * | 2020-07-22 | 2023-12-12 | 安徽省农业科学院农业工程研究所 | 一种薄壳山核桃果实采收装置 |
| CN112197705A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-08 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种基于视觉和激光测距的果实定位方法 |
| CN113141868A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-23 | 山东省产品质量检验研究院 | 一种苹果无损采摘装置 |
| CN113179761A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-07-30 | 广东工业大学 | 一种高空无损果实采摘设备 |
| CN113973577A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-01-28 | 常州机电职业技术学院 | 一种果蔬采摘机器人 |
| CN114097410A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 重庆鑫禾生物科技有限责任公司 | 一种用于收割青蒿的收割机 |
| CN114271118A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-04-05 | 广州极飞科技股份有限公司 | 阵列式作物处理装置、作物处理设备和作物处理方法 |
| CN114700941A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-05 | 中科合肥智慧农业协同创新研究院 | 一种基于双目视觉的草莓采摘方法、机器人系统 |
| CN114700941B (zh) * | 2022-03-28 | 2024-02-27 | 中科合肥智慧农业协同创新研究院 | 一种基于双目视觉的草莓采摘方法、机器人系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109220225A (zh) | 一种全自动水果采摘装置 | |
| CN209185088U (zh) | 一种水果采摘机 | |
| Hayashi et al. | Robotic harvesting system for eggplants | |
| Sarig | Robotics of fruit harvesting: A state-of-the-art review | |
| CN112154778A (zh) | 一种智能水果采摘作业车 | |
| CN102124866B (zh) | 一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法 | |
| CN107094429A (zh) | 一种多轴水果采摘机器人 | |
| CN108633482A (zh) | 一种水果采摘飞行器 | |
| CN208708184U (zh) | 自动分拣苹果采摘机器人 | |
| CN108811766B (zh) | 一种人机交互式温室果蔬采收机器人系统及其采收方法 | |
| CN108401684A (zh) | 一种智能水果采摘机及采摘方法 | |
| CN109156161A (zh) | 一种智能沃柑采摘机器人 | |
| CN114679963B (zh) | 一种跨垄双臂协作草莓收获机器人、控制系统及采摘方法 | |
| KR101685414B1 (ko) | 로봇팔을 이용한 과수 작업기 | |
| CN209527208U (zh) | 一种草莓采摘机器 | |
| CN109202848A (zh) | 基于Leap Motion与机器视觉的人机协作采摘机器人及其控制方法 | |
| CN211745437U (zh) | 一种高架果蔬智能采摘机器人 | |
| CN216058333U (zh) | 一种智能移动水果采摘机器人 | |
| CN106973631A (zh) | 一种自动化采摘系统 | |
| CN111758397A (zh) | 一种基于视觉识别的花椒智能采摘装置 | |
| CN115316129B (zh) | 基于双目视觉识别的自适应仿生采摘装置及串果采摘方法 | |
| CN108718704B (zh) | 一种人机交互式野外果蔬采收机器人系统及其采收方法 | |
| CN109482503A (zh) | 基于视觉的移动分拣机器人及其分拣方法 | |
| CN105313106B (zh) | 基于非均布并联机构的水果采摘装置 | |
| CN209787899U (zh) | 一种园林式水果采摘机器人 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190118 |