CN109392460A - 全自动龙门式草莓采摘机及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种全自动龙门式草莓采摘机及其采摘方法，采摘机包括行走单元、识别单元、定位单元和采摘单元，行走单元包括龙门式机架、行走轮和悬挂机构，识别单元配置成采集并识别待采摘草莓的图像数据，定位单元接收所述图像数据以定位采摘单元，定位机构分别包括布置在所述龙门式机架顶部的滑块，同步带连接板和步进电机，采摘单元包括固定在所述龙门式机架的气缸、固定在Z方向定位机构的同步带下侧的舵机、固定在所述舵机且经由舵机驱动以旋转的气动夹指和配置成切割待采摘草莓的刀片。

Description

全自动龙门式草莓采摘机及其采摘方法

技术领域

本发明涉及一种农业机械技术领域，特别是一种全自动龙门式草莓采摘机及其采摘方法。

背景技术

目前我国的草莓种植园多采用“低垄栽培”的方式种植草莓，这种栽培方式下草莓垄间间距约为300mm，因此可供草莓采摘机工作的空间较小。成熟的草莓果实柔软多汁、易损伤、且果实分布密集，对于采摘过程提出了很高的要求，不能接触、磕碰草莓。而且，草莓多为二歧伞花序，果实不定期成熟，需要不定时采摘。以上这些因素都限制了草莓采摘机的应用和发展。现有的草莓采摘机多采用手持杆式装置，这种装置通过在手持采摘杆的末端安装剪刀来采摘草莓，并通过皮带传动或链条传动将采摘下来的果实运往高处。手持杆式采摘装置结构简单，适应性强，但同时也存在一些缺点，如依靠人工手持，草莓运输距离长，易损伤等。另外现存的一种方式是通过多自由度机械手来完成草莓的采摘和收集，这种方法可以精准地采摘到目标，但是结构复杂，采摘速度慢，成本较高，且多适用于高架草莓的采摘。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种全自动龙门式草莓采摘机及其采摘方法，针对垄作草莓的采摘要求和现有采摘机的依赖人工、易损伤草莓、或者成本高的缺陷，提供一种结构简单、作业精确、成本较低的全自动龙门式草莓采摘机。本发明的装置具有较高的智能化程度并提高了采摘和收集效率。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种全自动龙门式草莓采摘机包括行走单元、识别单元、定位单元和采摘单元，其中，

行走单元包括，

龙门式机架，其横跨多垄草莓，

行走轮，其安装于所述龙门式机架底部，

悬挂机构，配置成缓冲减振的悬挂机构连接行走轮和龙门式机架，

识别单元，其配置成采集并识别待采摘草莓的图像数据，

定位单元，其接收所述图像数据以定位采摘单元，所述定位单元包括X方向定位机构、Y方向定位机构和Z方向定位机构，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括，

滑块，其布置在所述龙门式机架顶部，

同步带连接板，其固定所述滑块于同步带上，

步进电机，其驱动所述同步带，

采摘单元包括，

气缸，其固定在所述龙门式机架，

舵机，其固定在Z方向定位机构的同步带下侧，

气动夹指，其固定在所述舵机且经由舵机驱动以旋转，

刀片，配置成切割待采摘草莓的刀片固定在所述气动夹指。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，所述龙门式机架包括多个平行放置的轨道和用于支承所述轨道的多个U型支承件。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，所述轨道由U型铝形成，所述U型支承件经由尺寸不同的U型铝咬合形成。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，所述行走轮包括主动轮和从动轮，所述主动轮连接用于驱动的轮毂电机。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，所述悬挂机构为二阶弹簧阻尼系统，其包括弹簧避震器，所述弹簧避震器一端经由直角连接片固定在龙门式机架。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，行走单元还包括刹车装置，所述刹车装置包括用于接触行走轮的刹车片和第二舵机，所述第二舵机固定在所述龙门式机架，所述刹车片固定在第二舵机上。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，所述识别单元包括安装在采摘单元的摄像头。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括通过深沟球轴承与轴承座的配合以固定在所述轨道上的轴、固定在轴的中间位置的同步带轮和与同步带轮经由输出轴连接的步进电机，同步带一侧通过同步带连接板与滑块固定联接使得滑块直线运动，其中，X方向定位机构和Z方向定位机构同步联动。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机中，采摘单元还包括气泵和固定在龙门式机架的收集篮。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的全自动龙门式草莓采摘机的采摘方法步骤包括：

第一步骤中，驱动行走轮转动使得龙门式机架横跨多垄草莓移动，

第二步骤中，识别单元采集并识别待采摘草莓的图像数据，定位单元基于所述图像数据以定位采摘单元，

第三步骤中，气缸驱动气动夹指执行剪切动作，舵机转动所述气动夹指。

综上所述，本发明在设计理念上，机械结构设计上有以下创新点与优势：

通过跨垄的龙门式机架，提高了机架的稳定性和结果刚度，防止倾斜；同时提高了机器的作业空间；方便安装对称的执行机构，同时采摘垄两侧的成熟草莓，提高了作业效率。通过直角坐标系三坐标定位的方式，扩大了机器的作业范围，既可以采摘垄两侧的草莓，也可以采摘垄上的草莓。由于使用了回转机构，缩短了收集果实占用的时间，提高了机器效率。由于采用了气动的方式驱动执行机构，从而使末端执行机构动作迅速，一次采摘成功。设计的特殊的夹具，使得草莓采摘后不致掉落损伤草莓。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的全自动龙门式草莓采摘机的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的全自动龙门式草莓采摘机的采摘单元的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的全自动龙门式草莓采摘机的定位机构的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的使用全自动龙门式草莓采摘机的采摘方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的全自动龙门式草莓采摘机的结构示意图，如图1所示，一种全自动龙门式草莓采摘机包括行走单元、识别单元、定位单元和采摘单元，其中，

行走单元包括，

龙门式机架1，其横跨多垄草莓，

行走轮5，其安装于所述龙门式机架1底部，

悬挂机构2，配置成缓冲减振的悬挂机构1连接行走轮5和龙门式机架1，

识别单元，其配置成采集并识别待采摘草莓的图像数据，

定位单元3，其接收所述图像数据以定位采摘单元，所述定位单元包括X方向定位机构、Y方向定位机构和Z方向定位机构，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括，

滑块10，其布置在所述龙门式机架1顶部，

同步带连接板11，其固定所述滑块于同步带上，

步进电机12，其驱动所述同步带，

采摘单元4包括，

气缸9，其固定在所述龙门式机架1，

舵机6，其固定在Z方向定位机构的同步带下侧，

气动夹指7，其固定在所述舵机且经由舵机驱动以旋转，

刀片8，配置成切割待采摘草莓的刀片固定在所述气动夹指。

为了进一步理解办发明，在一个实施例中，基于机器视觉放入三坐标定位的跨垄双执行机构的全自动龙门式草莓采摘机包括有行走单元、识别单元、定位单元、采摘单元。

在一个实施例中，所述行走单元由龙门式机架、四个行走轮、悬挂机构和刹车装置构成。龙门式机架由型铝搭建而成，龙门式机架顶部有四根4020的型铝，四根型铝平行放置。顶部由四条“腿”支撑，它们由U型铝构成。悬挂机构为二阶弹簧阻尼系统，作为支撑的两条“前腿”的由尺寸不同的两根U型铝咬合构成，作为悬挂机构的摩擦阻尼，此外，悬挂机构还包括弹簧避震器，弹簧避震器通过直角连接片固定，一端固定在尺寸大的U型铝内部，另一端固定在尺寸小的U型铝内部。行走轮安装于龙门式机架底部，通过轮子带动龙门式机架行走。行走轮有两种类型的轮子：轮毂电机和等直径的橡胶轮，轮毂电机为前轮驱动轮，橡胶轮为后轮从动轮。刹车装置由刹车片和舵机组成，刹车片固定在舵机盘上，舵机固定在机架上，位于轮毂电机上方。

在一个实施例中，见图2，用来识别草莓的摄像头和红外传感器安装在气动夹指上方的同步带连接板上，当视野中出现目标是，首先根据形状判断是否是草莓，然后根据颜色阈值划分判断是否是红色草莓，若判断为目标，可计算出草莓的质心坐标，反馈给定位机构。

本装置的执行机构有2个，对称分布在机架左右两侧，同时识别、定位、采摘果园垄两侧的成熟草莓。

在一个实施例中，所述识别单元由两个摄像头组成。摄像头安装在采摘装置上。

在一个实施例中，所述定位单元包括X、Y、Z三个方向的直线定位，X方向的定位机构由滑块、同步带-滑块连接板、同步带轮、同步带、步进电机、滚动轴承、轴承座构成。滑块套在机架顶部的中间两根4020型铝上，型铝作为导轨使用；滑块通过同步带连接板与同步带一侧固定连接；步进电机通过直角步进电机固定板固定在4020型铝上，其中一个同步带轮固定在步进电机输出轴上，另一个同步带轮通过轴、滚动轴承、和轴承座固定在4020型铝上。具体的连接方式为：同步带轮固定在轴的中间位置，轴的连段为完全相同的深沟球轴承，通过轴承座固定在型铝上。同步带一侧通过同步带-滑块连接板与滑块固定联接，使带传动转化为滑块的直线运动。Z方向的定位方式与X方向类似。Z方向的定位机构由步进电机、步进电机固定板、同步带、同步带轮、圆柱形直线导杆、直线轴承、轴承座、连接板等零件构成。具体的连接方式为：步进电机固定在连接板上，步进电机的输出轴与同步带轮相连，另一个带轮固定在连接板2上，连接板和连接板2通过直线轴承固定于两根圆柱形直线导杆的两端。同时，将Z方向的同步带通过夹板与X向的同步带连接在一起，实现两轴联动，夹板固定在X向上的同步带连接板上。Y方向的定位由整个机器的行走来实现。

在一个实施例中，所述采摘单元包括气缸、气泵、输气管、气阀、铅酸蓄电池、气动夹指、夹具、刀片、360°舵机、收集篮等零件。气泵和气缸通过胶粘、支架固定的方式固定于机架上。铅酸蓄电池为气泵提供电能。气泵、气管和气缸之间通过气阀连接。气管接入气动夹指，刀片通过夹具固定在气动夹指上。舵机固定在所述定位单元Z向定位装置中的同步带下板上，气动夹指固定在舵机上，由舵机驱动完成旋转动作。收集篮固定在机架上。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，所述龙门式机架包括多个平行放置的轨道和用于支承所述轨道的多个U型支承件。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，所述轨道由U型铝形成，所述U型支承件经由尺寸不同的U型铝咬合形成。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，所述行走轮包括主动轮和从动轮，所述主动轮连接用于驱动的轮毂电机。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，所述悬挂机构为二阶弹簧阻尼系统，其包括弹簧避震器，所述弹簧避震器一端经由直角连接片固定在龙门式机架。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，行走单元还包括刹车装置，所述刹车装置包括用于接触行走轮的刹车片和第二舵机，所述第二舵机固定在所述龙门式机架，所述刹车片固定在第二舵机上。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，所述识别单元包括安装在采摘单元的摄像头。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括通过深沟球轴承与轴承座的配合以固定在所述轨道上的轴、固定在轴的中间位置的同步带轮和与同步带轮经由输出轴连接的步进电机，同步带一侧通过同步带连接板与滑块固定联接使得滑块直线运动，其中，X方向定位机构和Z方向定位机构同步联动。

在所述的全自动龙门式草莓采摘机的优选实施例中，采摘单元还包括气泵和固定在龙门式机架的收集篮。

在一个实施例中，本发明的草莓采摘机包括机架1、悬挂机构2、定位机构3、采摘机构4。定位机构3通过同步带连接板与采摘机构4相连。悬挂机构2连接在机架1和行走轮5之间。

在一个实施例中，见图1的结构示意图，两个轮毂电机连接前轮驱动轮，通过直流无刷电机控制盒实现对输出功率、行走速度的调节控制，后轮为两个等直径的橡胶轮，作为从动轮，起到支撑作用。悬挂机构位于后轮与机架连接处，起到缓冲减震的作用，以适应不平坦的地面。龙门式机架的两个后腿由两个尺寸相切的U型铝构成，弹簧避震器的一段通过螺纹连接固定在与机架固定连接的尺寸较大的U型铝上，另一端固定在与从动轮固定连接的尺寸较小的U型铝上；在尺寸较大的U型铝内侧有若干排由微型轴承搭建而成的滑轨，起到导向和限位的作用，使尺寸较小的U型铝做直线往复运动而不发生摆动。轮毂电机通过叉架5固定在机架上尺寸较大的U型铝上，后轮的橡胶轮通过叉架6固定在尺寸较小的U型铝上。两个刹车片由360度舵机驱动，舵机固定在前轮位置处，刹车片可根据需要定制，此处为3D打印的塑料刹车片。

见图3，本装置实现定位的方式为三坐标直线定位。具体实施方式为：轮毂电机驱动整车前进，当识别装置识别到目标时，通过控制盒使轮毂电机反转和刹车片刹车两种方式同时作用实现快速制动，完成沿草莓垄所在Y向的定位，之后X向步进电机和Z向步进电机同时转动，带动X向和Z向同步带转动，根据识别装置提供的目标果实所在坐标移动到相应位置，完成目标的定位。由于三个坐标是分开工作、独立定位的，因此，可以根据需要，定位到所在空间任意位置的草莓果实，扩大了可采摘的空间和范围。

见图3，本装置实现草莓采摘的方式为气动剪切，空气供给路径为气泵→储气罐→气动夹指，刀片通过刀架固定在气动夹指上，随着气动夹指的开合完成剪切动作。刀架上特殊的纹路设计保证草莓果梗被剪断后不会在夹持过程中掉落下来。成功采摘后，舵机带动剪刀旋转180度，松开剪刀，果实掉落在收集篮里。整个采摘过程不接触草莓，且可控制采摘的果梗长度，防止戳伤草莓。

根据本发明的另一方面，图4是根据本发明一个实施例的使用全自动龙门式草莓采摘机的采摘方法的步骤示意图，一种利用所述的全自动龙门式草莓采摘机的采摘方法步骤包括：

第一步骤S1中，驱动行走轮转动使得龙门式机架横跨多垄草莓移动，

第二步骤S2中，识别单元采集并识别待采摘草莓的图像数据，定位单元基于所述图像数据以定位采摘单元，

第三步骤S3中，气缸驱动气动夹指执行剪切动作，舵机转动所述气动夹指。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种全自动龙门式草莓采摘机，其包括行走单元、识别单元、定位单元和采摘单元，其中，

行走单元包括，

龙门式机架，其横跨多垄草莓，

行走轮，其安装于所述龙门式机架底部，

悬挂机构，配置成缓冲减振的悬挂机构连接行走轮和龙门式机架，

识别单元，其配置成采集并识别待采摘草莓的图像数据，

定位单元，其接收所述图像数据以定位采摘单元，所述定位单元包括X方向定位机构、Y方向定位机构和Z方向定位机构，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括，

滑块，其布置在所述龙门式机架顶部，

同步带连接板，其固定所述滑块于同步带上，

步进电机，其驱动所述同步带，

采摘单元包括，

气缸，其固定在所述龙门式机架，

舵机，其固定在Z方向定位机构的同步带下侧，

气动夹指，其固定在所述舵机且经由舵机驱动以旋转，

刀片，配置成切割待采摘草莓的刀片固定在所述气动夹指。

2.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，优选的，所述龙门式机架包括多个平行放置的轨道和用于支承所述轨道的多个U型支承件。

3.根据权利要求2所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，所述轨道由U型铝形成，所述U型支承件经由尺寸不同的U型铝咬合形成。

4.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，所述行走轮包括主动轮和从动轮，所述主动轮连接用于驱动的轮毂电机。

5.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，所述悬挂机构为二阶弹簧阻尼系统，其包括弹簧避震器，所述弹簧避震器一端经由直角连接片固定在龙门式机架。

6.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，行走单元还包括刹车装置，所述刹车装置包括用于接触行走轮的刹车片和第二舵机，所述第二舵机固定在所述龙门式机架，所述刹车片固定在第二舵机上。

7.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，所述识别单元包括安装在采摘单元的摄像头。

8.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，X方向定位机构、Y方向定位机构和/或Z方向定位机构分别包括通过深沟球轴承与轴承座的配合以固定在所述轨道上的轴、固定在轴的中间位置的同步带轮和与同步带轮经由输出轴连接的步进电机，同步带一侧通过同步带连接板与滑块固定联接使得滑块直线运动，其中，X方向定位机构和Z方向定位机构同步联动。

9.根据权利要求1所述的全自动龙门式草莓采摘机，其中，采摘单元还包括气泵和固定在龙门式机架的收集篮。

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的全自动龙门式草莓采摘机的采摘方法，其步骤包括：

第一步骤(S1)中，驱动行走轮转动使得龙门式机架横跨多垄草莓移动，

第二步骤(S2)中，识别单元采集并识别待采摘草莓的图像数据，定位单元基于所述图像数据以定位采摘单元，

第三步骤(S3)中，气缸驱动气动夹指执行剪切动作，舵机转动所述气动夹指。