CN109451994A - 一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程，包括主支撑架模块，电机驱动模块，输送链模块，识别模块，果梗分离模块，输送链模块放置在主支撑架模块内部；机驱动模块通过电机支架和编码器支撑架，用螺钉与支撑架模块相固定；识别模块通过支撑架用螺钉固定在主支撑架模块上；果梗分离模块的固定块通过螺钉与主支撑架模块相固连。与现有技术相比，本发明的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程，通过对草莓成熟度的判断，对草莓进行选择性的采摘，大大减少了对草莓的损伤，减少了劳动力，同时，本设计的结构紧凑、简单、成本较低，在采摘过程中运行平稳，能够实现草莓采摘的自动化与智能化。

Description

一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程

技术领域

本发明涉及一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程，特别是对草莓成熟度的精准识别与采摘有显著效果，主要使用了图像识别技术与曲柄连杆机构实现草莓果实与果梗的分离，属于果实自动采摘技术领域。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，制造业也在不断地进步，人工生产效率低下雇佣费用昂贵都是制约着生产商，而且生产过程中人工持续重复同一动作，于是便有了机器人代替人工作业。

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。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。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟然高达33％～50％。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。

发明内容

为克服现有草莓采摘技术和方案的不足，节省劳动力，提高采摘效率，增强对草莓成熟度的识别能力，简化原动器件与连接机构，以尽可能少的执行机构完成草莓果梗分离而设计的一种草莓果梗分离装置。

本发明采用的技术方案是：

一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，包括主支撑架模块、电机驱动模块、输送链模块、识别模块、果梗分离模块主支撑架模块为框架结构，输送链模块位于主支撑架模块的框架结构内，电机驱动模块、识别模块、果梗分离模块均安装在主支撑架模块上；

所述主支撑架模块为一对相互平行的横向铝型材、一根纵向铝型材以及铁质导轨构成的框架，其中一根横向铝型材外侧安装有两个采摘辊固定板，内侧安装有输送辊支撑横板，另一根横向铝型材的两端分别设置有一个立式轴承，两个立式轴承之间贯穿有连接棒料；

所述电机驱动模块包括安装于采摘辊固定板上方的电机支架和编码器支撑架，电机支架和编码器支撑架固定在横向铝型材上，电机支架上设置有联轴器，联轴器一侧具有直流电动机，编码器支撑架上具有编码器，联轴器与编码器之间设有水平皮带，联轴器上还设置有竖直皮带，竖直皮带的另一侧为第一同步带轮，第一同步带轮位于输送链模块上；

所述输送链模块包括相对设置的内侧卡板和外侧卡板，内侧卡板和外侧卡板上均具槽口，内侧卡板和外侧卡板之间设有两根平行的传动辊，传动辊置于槽口内，第一同步带轮安装在传动辊的一端，另一端安装有第二同步带轮，靠近第一同步带轮和第二同步带轮处分别设有链轮，两根传动辊之间对应的链轮上绕有链条，链条内侧安装有卡板外链节，两根链条的卡板外链节之间设置有转动输送辊；

所述识别模块包括支撑架和摄像头，摄像头安装在支撑架上，支撑架为拱形结构，支撑架一端安装于纵向铝型材上，另一端安装于铁质导轨上，摄像头与支撑架之间具有摄像头架，摄像头朝向输送链模块；

所述果梗分离模块包括安装横向铝型材上的固定块，固定块位于连接棒料和横向铝型材之间，固定块上开设有菱形通孔，固定块内侧具有小型驱动电机，外侧设有短杆、长杆、剪刀刀片，小型驱动电机的动力输出端穿过固定块固定于短一端，短杆另一端通过连接轴与长杆一端铰接，长杆另一端通过卡块与剪刀刀片的一个把手铰接，短杆、长杆、剪刀刀片组成曲柄摇杆机构，卡块限位于菱形通孔内活动。

作为进一步的优选方案，所述采摘辊固定板一侧的横向铝型材上安装有两个轴承固定块，每个轴承固定块上安装立式轴承，一个采摘辊固定板对应一个轴承固定块，采摘辊固定板上孔与立式轴承上的轴承孔贯通，该横向铝型材与铁质导轨之间安装有用于固定的T型板；该横向铝型材的内侧安装有输送辊支撑竖板，输送辊支撑竖板上具有角码连接块，输送辊支撑横板固定安装于角码连接块上；立式轴承一侧设置有轴承固定块，连接棒料也贯穿轴承固定块。

作为进一步的优选方案，所述电机支架和编码器支撑架均为折叠架，电机支架和编码器支撑架上具有通孔，联轴器设置在电机支架的通孔处，编码器设置在编码器支撑架的通孔处。

作为进一步的优选方案，所述传动辊的两端分别贯穿内侧卡板和外侧卡板的槽口，第一同步带轮位于内侧卡板外侧，第二同步带轮位于外侧卡板外侧；传动辊上还设置有轴套，轴套位于内侧卡板内侧。

作为进一步的优选方案，所述剪刀刀片外侧具有与其平行的直角板，直角板的纵面与固定块之间设置有剪刀固定块，剪刀固定块侧边具有供卡块斜向滑动的斜坡面，直角板的平面具有通孔，剪刀固定块的底部贯穿该通孔，剪刀刀片的另一个把手固定于剪刀固定块内，剪刀固定块底部具有用于将其固定于固定块上的卡位块；固定块上还设置有监测剪刀刀片活动量的微动开关。

一种基于图像识别的草莓果梗分离装置的工作流程，包括以下步骤：

步骤一：草莓进入到输送链模块上，电机驱动模块提供动力，直流电动机通过竖直皮带将扭矩传递至输送链模块中的传动辊，并由传动辊带动与之固联的两个链轮以作为主动链轮带动转动输送辊进行传输；

步骤二：同时电机驱动模块的直流电动机通过水平皮带与编码器连接，使控制系统能够准确获得直流电动机的转速，通过控制直流电动机的转速保持与整体装置前进速度协调；

步骤三：当草莓被转动输送辊送至摄像头的识别范围后，摄像头通过编程实现在获取的图像中对草莓进行动态追踪，并通过图像中草莓的颜色来检测草莓的成熟程度，未成熟的草莓会自动被略过，离开转动输送辊后回到田垄上；

步骤四：成熟的草莓及其果梗进入果梗分离模块后，小型电机会驱动曲柄摇杆机构使剪刀剪断果梗，采摘的草莓经由其他装置运送至存储位置。

与现有技术相比，本发明的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置及其工作流程，草莓经过果实拾取部分送至输送链进行输送，到达摄像头的识别范围后摄像头开始对草莓动态追踪并获取草莓图像，通过对草莓的颜色进行识别来检测草莓的成熟程度。根据时序，编写驱动程序。使用DMA直接内存读取的方式，采集摄像头的图像，大大减少了CPU的干预，提高了运行效率。草莓进入果梗分离模块后，通过对成熟度的判断确定是否剪断果梗，小型电机驱动剪刀对识别到的成熟的草莓进行采摘，而未成熟的草莓则自动略过，大大减少了对草莓的损伤，减少了劳动力。同时，本设计的结构紧凑、简单、成本较低，占用草莓采摘机器人的空间小，在采摘过程中运行平稳，能够实现草莓采摘的自动化与智能化。

附图说明

图1是本发明的整体外观图；

图2是本发明整体外观爆炸图；

图3是主支撑架模块立体图；

图4是主支撑架模块装配图；

图5是电机驱动模块立体图；

图6是电机驱动模块爆炸图；

图7是输送链模块立体图；

图8是输送链模块爆炸图；

图9是识别模块立体图；

图10是识别模块爆炸图；

图11是果梗分离模块立体图；

图12是果梗分离模块爆炸图；

图13是工作状态一；

图14是工作状态二；

图15是工作状态三；

其中，100-主支撑架模块，200-电机驱动模块，300-输送链模块，400-识别模块，500-果梗分离模块，101-横向铝型材，102-纵向铝型材，103-轴承固定块，104-立式轴承，105-采摘辊固定板，106-铁质导轨，107-T型板，108-立式轴承，109-轴承固定块，110-输送辊支撑竖板，111-角码连接块，112-输送辊支撑横板，113-连接棒料，201-直流电动机，202-电机支架，203-联轴器，204-竖直皮带，205-水平皮带，206-编码器支撑架，207-第一同步带轮，208-编码器，301-链条，302-第二同步带轮，303-链轮，304-传动辊，305-轴套，306-内侧卡板，307-转动输送辊，308-卡板外链节，309-外侧卡板，401-支撑架，402-摄像头架，403-摄像头，501-小型驱动电机，502-固定块，503-短杆，504-长杆，505-连接轴，506-剪刀刀片，507-微动开关，508-卡块，509-剪刀固定块，510-卡位块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方法更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所活动的所有其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

请参考图1和图2。一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，包括：一个主支撑架模块100，一个电机驱动模块200，一个输送链模块300，一个识别模块400，一个果梗分离模块500。输送链模块300放置在主支撑架模块100内部，可以使主支撑架内部的空间利用率大大的提升；机驱动模块200通过电机支架202和编码器支撑架206，用螺钉与100支撑架模块相固定。识别模块400通过支撑架401用螺钉固定在主支撑架模块100的纵向铝型材102和铁质导轨106上；果梗分离模块500的固定块502通过螺钉与主支撑架模块100相固连。整个装置结构紧凑、占用空间小。

请参考图3和图4。所述主支撑架模块100包括：两个横向铝型材101，一个纵向铝型材102，两个轴承固定块103，两个立式轴承104，两个采摘辊固定板105，一个铁质导轨106，一个T型板107，两个立式轴承108，两个轴承固定块109，一个输送辊支撑竖板110，一个角码连接块111，一个输送辊支撑横板112，一个连接棒料113，多组螺钉、螺栓、螺母、垫圈。铝型材按照特定的位置尺寸用角铝连接，轴承固定块103与立式轴承104上均有通孔，通过螺钉紧固在横向铝型材101下方；采摘辊固定板105同样用螺钉固定在横向铝型材101侧方；立式轴承108螺栓连接在铁质导轨106和纵向铝型材102上，连接棒料113与轴承108的通孔相配合；输送辊支撑竖板110和输送辊支撑横112通过角码连接块111与螺钉连接在横向铝型材101内侧，用于支撑多组输送辊，最终完成主支撑架模块100的装配；主支撑架模块100通过连接棒料113固定在草莓采摘设备上，只提供针对草莓的果梗分离动作。

请参考图5和图6，电机驱动模块200包括：一个直流电动机201，一个电机支架202，一个联轴器203，一个竖直皮带204，一个水平皮带205，一个编码器支撑架206，一个第一同步带轮207，一个编码器208；直流电动机201通过电机支架202连接在主支撑架模块100的横向铝型材101上，编码器208通过编码器支撑架固定在横向铝型材101上，竖直皮带204与联轴器203和第一同步带轮207相连，为输送链模块300提供动力，水平皮带205为编码器208提供动力，最终完成电机驱动模块200的装配。

请参考图7和图8，输送链模块300包括：两组链条301，一个第二同步带轮302，四个链轮303，两个传动辊304，四个轴套305，一个内侧卡板306，多个转动输送辊307，多个卡板外链节308，一个外侧卡板309；电机驱动模块200通过第二同步带轮302向传动辊304传输动力，传动辊304与链轮303同轴相连，通过链轮303带动链条301的转动，转动输送辊307通过卡板外链节308随链条301一起转动。链轮303通过轴套305分别与内侧卡板306和外侧卡板309相连，整个输送链模块300放置在主支撑架模块100的内部，以便充分利用空间。

请参考图9至图10，识别模块400包括：一个支撑架401，一个摄像头架402，一个摄像头403，支撑架401通过螺钉连接在主支撑架模块100上，摄像头403与摄像头架402通过螺栓固定在支撑架401上，摄像头使用OV7725作为视觉传感器，对草莓的颜色进行识别来检测草莓的成熟程度，最终完成识别模块400的装配。

请参考图11至图12，果梗分离模块500包括：一个小型驱动电机501，一个固定块502，一根短杆503，一根长杆504，一个连接轴505，两个剪刀刀片506，一个微动开关507，一个卡块508，两个剪刀固定块509，两个卡位块510，固定块502通过螺钉连接在主支撑模块100上，小型驱动电机501固定在固定块502上，与短杆503、长杆504、剪刀刀片506组成曲柄摇杆机构，通过电机驱动剪刀的开合以剪断果梗，连接轴505连接短杆503、长杆504，起铰接作用。剪刀刀片506通过剪刀固定块509固定在固定块502上，并通过卡位块510卡紧。微动开关507放置在剪刀固定块509上，用以控制转动位置。

当整体装配时，首先将主支撑架模块100装配完成，接下来将电机支架202和编码器支架206通过螺钉连接在支撑架模块100上；然后将支撑架401通过螺钉固定在主支撑架模块100上，再将输送链模块300放置在主支撑架模块100的下方，使得输送辊支撑横板112穿过内侧卡板306上的孔，最后用螺钉将固定块502固定在主支撑架模块100上，完成整体的装配。

本发明提供的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置的工作状态请参考图13至图15。如图13所示，在开始工作状态时，草莓通过其他装置进入到输送链模块300上，输送链模块300由电机驱动模块200提供动力：直流电动机201通过竖直皮带204将扭矩传递至输送链模块300中的传动辊304，并由传动辊304带动与之固联的两个链轮303以作为主动链轮带动转动输送辊307进行传输。同时电机驱动模块200的直流电动机201通过水平皮带205与编码器208连接，使控制系统能够准确获得直流电动机201的转速，通过控制直流电动机201的转速保持与整体装置前进速度协调使草莓相对田垄方向没有产生位移，不会对草莓形成拉扯，减少草莓的损伤。当草莓被转动输送辊307送至摄像头403的识别范围后，摄像头403通过编程实现在获取的图像中对草莓进行动态追踪，并通过图像中草莓的颜色来检测草莓的成熟程度，为了保持图像的清晰，在调整摄像头403焦距的同时可以调节支撑架401的高度，调节摄像头架402以调节摄像头的倾斜角度。草莓及其果梗进入果梗分离模块500后，通过对成熟度的判断确定是否剪断果梗，如图14所示，未成熟的草莓会自动被略过，离开转动输送辊307后回到田垄上，剪刀506不会剪断草莓的果梗。如图15所示，小型电机501会驱动曲柄摇杆机构使剪刀506剪断果梗，采摘的草莓经由其他装置运送至存储位置，从而实现对成熟草莓的采摘，大大减少了对草莓的损伤，提高了草莓采摘的效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，其特征在于：包括主支撑架模块(100)、电机驱动模块(200)、输送链模块(300)、识别模块(400)、果梗分离模块(500)，主支撑架模块(100)为框架结构，输送链模块(300)位于主支撑架模块(100)的框架结构内，电机驱动模块(200)、识别模块(400)、果梗分离模块(500)均安装在主支撑架模块(100)上；

所述主支撑架模块(100)为一对相互平行的横向铝型材(101)、一根纵向铝型材(102)以及铁质导轨(106)构成的框架，其中一根横向铝型材(101)外侧安装有两个采摘辊固定板(105)，内侧安装有输送辊支撑横板(112)，另一根横向铝型材(101)的两端分别设置有一个立式轴承(108)，两个立式轴承(108)之间贯穿有连接棒料(113)；

所述电机驱动模块(200)包括安装于采摘辊固定板(105)上方的电机支架(202)和编码器支撑架(206)，电机支架(202)和编码器支撑架(206)固定在横向铝型材(101)上，电机支架(202)上设置有联轴器(203)，联轴器(203)一侧具有直流电动机(201)，编码器支撑架(206)上具有编码器(208)，联轴器(203)与编码器(208)之间设有水平皮带(205)，联轴器(203)上还设置有竖直皮带(204)，竖直皮带(204)的另一侧为第一同步带轮(207)，第一同步带轮(207)位于输送链模块(300)上；

所述输送链模块(300)包括相对设置的内侧卡板(306)和外侧卡板(309)，内侧卡板(306)和外侧卡板(309)上均具槽口，内侧卡板(306)和外侧卡板(309)之间设有两根平行的传动辊(304)，传动辊(304)置于槽口内，第一同步带轮(207)安装在传动辊(304)的一端，另一端安装有第二同步带轮(302)，靠近第一同步带轮(207)和第二同步带轮(302)处分别设有链轮(303)，两根传动辊(304)之间对应的链轮(303)上绕有链条(301)，链条(301)内侧安装有卡板外链节(308)，两根链条(301)的卡板外链节(308)之间设置有转动输送辊(307)；

所述识别模块(400)包括支撑架(401)和摄像头(403)，摄像头(403)安装在支撑架(401)上，支撑架(401)为拱形结构，支撑架(401)一端安装于纵向铝型材(102)上，另一端安装于铁质导轨(106)上，摄像头(403)与支撑架(401)之间具有摄像头架(402)，摄像头(403)朝向输送链模块(300)；

所述果梗分离模块(500)包括安装横向铝型材(101)上的固定块(502)，固定块(502)位于连接棒料(113)和横向铝型材(101)之间，固定块(502)上开设有菱形通孔，固定块(502)内侧具有小型驱动电机(501)，外侧设有短杆(503)、长杆(504)、剪刀刀片(506)，小型驱动电机(501)的动力输出端穿过固定块(502)固定于短杆(503)一端，短杆(503)另一端通过连接轴(505)与长杆(504)一端铰接，长杆(504)另一端通过卡块(508)与剪刀刀片(506)的一个把手铰接，短杆(503)、长杆(504)、剪刀刀片(506)组成曲柄摇杆机构，卡块(508)限位于菱形通孔内活动。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，其特征在于：所述采摘辊固定板(105)一侧的横向铝型材(101)上安装有两个轴承固定块(103)，每个轴承固定块(103)上安装立式轴承(104)，一个采摘辊固定板(105)对应一个轴承固定块(103)，采摘辊固定板(105)上孔与立式轴承(104)上的轴承孔贯通，该横向铝型材(101)与铁质导轨(106)之间安装有用于固定的T型板(107)；该横向铝型材(101)的内侧安装有输送辊支撑竖板(110)，输送辊支撑竖板(110)上具有角码连接块(111)，输送辊支撑横板(112)固定安装于角码连接块(111)上；立式轴承(108)一侧设置有轴承固定块(109)，连接棒料(113)也贯穿轴承固定块(109)。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，其特征在于：所述电机支架(202)和编码器支撑架(206)均为折叠架，电机支架(202)和编码器支撑架(206)上具有通孔，联轴器(203)设置在电机支架(202)的通孔处，编码器(208)设置在编码器支撑架(206)的通孔处。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，其特征在于：所述传动辊(304)的两端分别贯穿内侧卡板(306)和外侧卡板(309)的槽口，第一同步带轮(207)位于内侧卡板(306)外侧，第二同步带轮(302)位于外侧卡板(309)外侧；传动辊(304)上还设置有轴套(305)，轴套(305)位于内侧卡板(306)内侧。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置，其特征在于：所述剪刀刀片(506)外侧具有与其平行的直角板，直角板的纵面与固定块(502)之间设置有剪刀固定块(509)，剪刀固定块(509)侧边具有供卡块(508)斜向滑动的斜坡面，直角板的平面具有通孔，剪刀固定块(509)的底部贯穿该通孔，剪刀刀片(506)的另一个把手固定于剪刀固定块(509)内，剪刀固定块(509)底部具有用于将其固定于固定块(502)上的卡位块(510)；固定块(502)上还设置有监测剪刀刀片(506)活动量的微动开关(507)。

6.基于权利要求1-5所述的一种基于图像识别的草莓果梗分离装置的工作流程，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：草莓进入到输送链模块(300)上，电机驱动模块(200)提供动力，直流电动机(201)通过竖直皮带(204)将扭矩传递至输送链模块(300)中的传动辊(304)，并由传动辊(304)带动与之固联的两个链轮(303)以作为主动链轮带动转动输送辊(307)进行传输；

步骤二：同时电机驱动模块(200)的直流电动机(201)通过水平皮带(205)与编码器(208)连接，使控制系统能够准确获得直流电动机(201)的转速，通过控制直流电动机(201)的转速保持与整体装置前进速度协调；

步骤三：当草莓被转动输送辊(307)送至摄像头(403)的识别范围后，摄像头(403)通过编程实现在获取的图像中对草莓进行动态追踪，并通过图像中草莓的颜色来检测草莓的成熟程度，未成熟的草莓会自动被略过，离开转动输送辊(307)后回到田垄上；

步骤四：成熟的草莓及其果梗进入果梗分离模块(500)后，小型电机(501)会驱动曲柄摇杆机构使剪刀(506)剪断果梗，采摘的草莓经由其他装置运送至存储位置。