CN109588111A - 一种用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法，其特征在于，包括行走底盘及设置在所述行走底盘上的收集装置、采摘装置和果实检测装置；所述采摘装置通过升降机构设置在所述行走底盘上，且位于所述收集装置的上方，采摘时所述收集装置的收集爪与果树的下部树干配合。所述收集装置包括收集箱和两个相对设置地收集爪；所述采摘装置包括固定杆和转动杆，所述固定杆和所述转动杆均呈U形或V形或半圆环形，所述固定杆和所述转动杆的空腔内分别设置有毛刷板，所述毛刷板上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；所述固定杆和所述转动杆可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔。发明结构简单，可操作性强。

Description

一种用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于农业机器人竞赛技术领域，具体涉及一种用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法。

背景技术

随着科技的发展，农业机械智能化程度不断提高，水果采摘过程中，使用机器人代替人工已经成为现代农业发展的趋势。果园生产季节性强，人工抓取采收果实的传统收获方式劳动强度大、生产效率低、劳动力密集，是制约果品市场竞争力提高的瓶颈因素。当前，果实收获自动化、机械化仍是果园生产机械化的薄弱环节，广大果农迫切需求先进的果实采摘机械。而“中国农业机器人大赛”的目的是鼓励在果实收获机器人方面的创新，以实现高效、智能、自主收获为目标，关键点在于果实识别以及机构设计等。

果园果实收获机器人项目是中国农业机器人大赛的重要项目，比赛场地布局如图1所示，场地最外圈2400mm*2400mm的矩形为场地围栏，场地的四个直角处的400mm*400mm的矩形为果实收获机器人出发返回区，场地中的六个148mm*148mm的矩形为模拟果树放置区。

模拟果树为商品拼接模型，树枝与树干相互插接，要求以强力胶固定，参考形状及尺寸如图 2 所示，共计 6 棵。模拟果树底座以双面布基胶带固定于比赛场地指定位置。每棵模拟果树上吊挂六个同色的模拟果实，一个树枝吊挂一个模拟果实。模拟果实的颜色有红色和绿色两种，红色表明该棵模拟果树的果实成熟，可以采摘，绿色表明该棵模拟果树的果实未成熟，不能采摘。场地围栏中的三条竖线7和两条横线8为机器人行走参考线。

发明内容

本发明设计了一种用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法，旨在满足比赛要求、实现果实采摘，进一步促进果实采摘机器人的研发，为果实采摘机器人的研发提供依据。

为了实现上述目的，本发明一方面公开了：

一种用于竞赛的果实收获机器人，包括行走底盘及设置在所述行走底盘上的收集装置、采摘装置和果实检测装置；所述采摘装置通过升降机构设置在所述行走底盘上，且位于所述收集装置的上方，采摘时所述收集装置的收集爪与果树的下部树干配合。

进一步，所述行走底盘包括底板和设置在所述底板四角的车轮，所述底板呈“凹”形，所述收集爪位于所述“凹”形底板的缺口上方。

进一步，所述收集装置包括收集箱和两个相对设置的收集爪；所述收集箱是顶部和前侧敞开的半包围结构，所述两个收集爪左右对称的设置在所述收集箱的前端且可相对所述收集箱在水平面内转动；所述收集爪的底部高于所述收集箱底部，且前高后低形成倾斜面。

进一步，所述收集爪通过相对应的舵机与所述收集箱转动连接。

进一步，所述收集爪的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端底部向所述收集爪内侧延伸出圆弧形底板，所述圆弧形底板周边均布有若干塑料片；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部设置有向所述收集爪内侧延伸的锯齿形塑料挡片，所述板结构的另一端与所述收集箱转动连接。

进一步，所述采摘装置包括固定杆和转动杆，所述固定杆和所述转动杆均呈U形或V形或半圆环形，所述固定杆和所述转动杆的空腔内分别设置有毛刷板，所述毛刷板上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；所述固定杆和所述转动杆可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔。

进一步，所述固定杆和所述转动杆的对接连接处设置有舵机。

进一步，所述采摘装置的固定杆与所述升降机构的升降台固接。

进一步，所述升降机构包括承载架、升降带和升降台，所述升降带通过所述承载架设置在所述行走底盘上，所述升降台中部与所述升降带连接，所述升降台两端分别套装在所述承载架的两根支撑杆上，所述升降带带动所述升降台沿所述承载架的支撑杆上下移动；所述升降带由电机驱动。

进一步，所述果实检测装置包括光电开关和摄像头，所述光电开关设置在所述行走底盘的底板上，所述摄像头设置在所述采摘装置的固定杆上。

为了实现上述目的，本发明另一方面公开了：

一种用于竞赛的果实收获机器人的工作方法，所述机器人是上述任一所述的用于竞赛的果实收获机器人，所述工作方法包括：

首先，初始状态时，收集装置的两收集爪处于合拢状态，采摘装置的转动杆和固定杆相互垂直，并随升降机构的升降台一同处于最低位置；

其次，工作开始后，所述机器人开始沿着机器人行走参考线行走，当果实检测装置检测到果实成熟的果树的位置时，所述机器人停止行进并向所述果树横移，同时所述收集爪的舵机控制相应收集爪张开，所述升降机构运行，带动所述升降台移动，进而带动所述采摘装置向上移动至一定高度；

然后，当果树下部树干进入所述两收集爪形成的中间空位时，所述机器人停止横移，所述两收集爪合拢抱住树干，同时相应舵机控制所述转动杆旋转使所述转动杆和所述固定杆处于同一水平面，所述果树正位于所述采摘装置的毛刷板围成的圆孔下方；随后，所述升降机构带动所述采摘装置下降,所述采摘装置的毛刷随着转动杆和固定杆自上而下移动，果树树干从毛刷间隙中穿过，而果实被所述毛刷刷下，所述收集爪和所述收集箱收获被所述毛刷刷下来的果实；

再后，所述升降机构带动所述采摘装置向上移动，当所述采摘装置到达一定高度脱离果树后，转动所述转动杆至和所述固定杆垂直；随后，所述机器人后退，所述果树的树干从所述两收集爪的间隙中拔出；待所述机器人离开果树后，所述两收集爪进一步合拢以防止果实从所述收集箱中掉落；

最后，所述采集装置恢复到初始状态，所述机器人返回机器人行走参考线继续沿线行进，重复上述工作过程遍历比赛场地中的果树，最后回到终止区。

该用于竞赛的果实收获机器人具有以下有益效果：

（1）发明结构简单，可操作性强，能识别果实颜色，使机器人平稳运行并顺利收获果实。

（2）本发明公开了一种全新的采摘方式，特别适合一些树形或植株较小、果实不怕摔的农业果实采摘，效率高；同时，本发明为促进果实采摘机器人的研发做出了贡献，为果实采摘机器人的研发提供了实验依据。

附图说明

图1：本发明实施方式中比赛场地布局图；

图2：本发明实施方式中模拟果树的结构示意图；

图3：本发明实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的结构示意图；

图4：本发明实施方式中采摘装置的结构示意图；

图5：本发明实施方式中收集爪的结构示意图；

图6：本发明实施方式中收集装置的俯视图；

图7：本发明实施方式中升降机构的结构示意图。

附图标记说明：

1—行走底盘；11—车轮；12—底板；2—收集装置；21—收集箱；22—收集爪；222—塑料片；223—塑料挡片；3—采摘装置；31—固定杆；32—转动杆；33—毛刷板；4—升降机构；41—承载架；411—支撑杆；42—升降带；43—升降台；44—电机；5—光电开关；6—摄像头；7、8—机器人行走参考线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

图3至图7示出了本发明用于竞赛的果实收获机器人及其工作方法的具体实施方式。图3是本实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的结构示意图；图4是本实施方式中采摘装置的结构示意图；图5是本实施方式中收集爪的结构示意图；图6是本实施方式中收集装置的俯视图；图7是本实施方式中升降机构的结构示意图。

如图3所示，本实施方式中的用于竞赛的果实收获机器人，包括行走底盘1及设置在行走底盘1上的收集装置2、采摘装置3和果实检测装置；采摘装置3通过升降机构4设置在行走底盘1上，且位于收集装置2的上方，采摘时收集装置2的收集爪22与果树的下部树干配合。

优选地，行走底盘1包括底板12和设置在底板12四角的车轮11，底板12呈“凹”形，收集爪22位于 “凹”形底板的缺口上方，如图3所示。本实施例中，底板12由铝板制成。

优选地，收集装置2包括收集箱21和两个相对设置地收集爪22；收集箱21是顶部和前侧敞开的半包围结构，两个收集爪22左右对称的设置在收集箱21的前端且可相对收集箱21在水平面内转动，收集爪22的底部高于收集箱21底部，如图3和图6所示。

优选地，收集爪22通过相对应的舵机与收集箱21转动连接。

优选地，收集爪22的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端底部向收集爪22内侧延伸出圆弧形底板，所述圆弧形底板周边均布有若干塑料片222；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部设置有向收集爪22内侧延伸的锯齿形塑料挡片223，所述板结构的另一端与收集箱21转动连接，如图3、图5和图6所示。本实施例中，收集爪22采用具有弹性的塑料制成。

优选地，采摘装置3包括固定杆31和转动杆32，固定杆31和转动杆32均呈U形或V形或半圆环形，固定杆31和转动杆32的U形或V形或半圆形空腔内分别设置有毛刷板33，毛刷板33上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；固定杆31和转动杆32可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔，如图3和图4所示。本实施例中，固定杆31和转动杆32均呈U形；毛刷板33是一体件结构，采用具有弹性的塑料制成。

优选地，固定杆31和转动杆32的对接连接处设置有舵机。

具体地，采摘装置3的固定杆31与升降机构4的升降台43固接，如图3所示。

优选地，升降机构4包括承载架41、升降带42和升降台43，升降带42通过承载架41设置在行走底盘1上，升降台43中部与升降带42连接，升降台43两端分别套装在承载架41的两根支撑杆411上，升降带42带动升降台43沿承载架41的支撑杆411上下移动；升降带42由电机44驱动，如图7所示。

优选地，所述果实检测装置包括光电开关5和摄像头6，光电开关5设置在行走底盘1的底板12上，摄像头6设置在采摘装置3的固定杆31上，如图3所示。

本实施方式中的用于竞赛的果实收获机器人的工作方法，包括以下步骤，

首先，初始状态时，收集爪22处于合拢状态，采摘装置3的转动杆32和固定杆31相互垂直，并随升降台43一同处于最低位置；

其次，工作开始后，机器人开始沿着机器人行走参考线行走移动，当果实检测装置检测到果实成熟的果树位置时，机器人停止行进并向果树横移，同时收集爪22的舵机控制相应收集爪22张开，升降带42转动，带动升降台43移动，进而带动采摘装置3向上移动至一定高度；

然后，当果树下部树干进入两收集爪22形成的中间空位时，机器人停止横移，随后收集爪22合拢，同时通过相应舵机控制转动杆32旋转，待转动杆32和固定杆31处于同一水平面后，果树正位于毛刷板33围成的圆孔下方，升降带42带动采摘装置3下降, 同时毛刷随着转动杆32和固定杆31自上而下移动，果树树干可以从毛刷间隙中穿过，而果实被周围毛刷刷下，收集爪22和收集箱21收获被毛刷刷下来的果实；

再后，升降台43和采摘装置3在升降带42的带动下，向上移动，当采摘装置3到达一定高度脱离果树后，转动转动杆32至和固定杆31垂直，然后，机器人后退，果树的树干可从收集爪22的间隙中出去（由于收集爪上的塑料片和塑料挡片具有弹性），待机器人离开果树后，收集爪22进一步合拢以防止果实从收集箱21中掉落；

最后，采集装置3在升降带42和升降台43带动下，向下移动至最低位置，机器人返回机器人行走参考线继续沿线行进，重复上述工作过程遍历比赛场地中的果树，最后回到终止区。

本发明结构简单，可操作性强，能识别果实颜色，使机器人平稳运行并顺利收获果实。

本发明采用了一种全新的采摘方式，特别适合一些树形或植株较小、果实不怕摔的农业果实采摘，效率高，进一步促进了果实采摘机器人的研发，为果实采摘机器人的研发提供了实验依据。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，包括行走底盘及设置在所述行走底盘上的收集装置、采摘装置和果实检测装置；所述采摘装置通过升降机构设置在所述行走底盘上，且位于所述收集装置的上方，采摘时所述收集装置的收集爪与果树的下部树干配合。

2.根据权利要求1所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述行走底盘包括底板和设置在所述底板四角的车轮，所述底板呈“凹”形，所述收集爪位于所述“凹”形底板的缺口上方。

3.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述收集装置包括收集箱和两个相对设置的收集爪；所述收集箱是顶部和前侧敞开的半包围结构，所述两个收集爪左右对称的设置在所述收集箱的前端且可相对所述收集箱在水平面内转动；所述收集爪的底部高于所述收集箱底部，且前高后低形成倾斜面。

4.根据权利要求3所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述收集爪通过相对应的舵机与所述收集箱转动连接。

5.根据权利要求3所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述收集爪的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端端底部向所述收集爪内侧延伸出圆弧形底板，所述圆弧形底板周边均布有若干塑料片；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部设置有向所述收集爪内侧延伸的锯齿形塑料挡片，所述板结构的另一端与所述收集箱转动连接。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述采摘装置包括固定杆和转动杆，所述固定杆和所述转动杆均呈U形或V形或半圆环形，所述固定杆和所述转动杆的空腔内分别设置有毛刷板，所述毛刷板上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；所述固定杆和所述转动杆可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔。

7.根据权利要求6所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述固定杆和所述转动杆的对接连接处设置有舵机；所述采摘装置的固定杆与所述升降机构的升降台固接。

8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述升降机构包括承载架、升降带和升降台，所述升降带通过所述承载架设置在所述行走底盘上，所述升降台中部与所述升降带连接，所述升降台两端分别套装在所述承载架的两根支撑杆上，所述升降带带动所述升降台沿所述承载架的支撑杆上下移动；所述升降带由电机驱动。

9.根据权利要求1、2、4、5或7所述的用于竞赛的果实收获机器人，其特征在于，所述果实检测装置包括光电开关和摄像头，所述光电开关设置在所述行走底盘的底板上，所述摄像头设置在所述采摘装置的固定杆上。

10.一种用于竞赛的果实收获机器人的工作方法，其特征在于，所述机器人是上述权利要求1至9任一所述的用于竞赛的果实收获机器人，所述工作方法包括：

首先，初始状态时，收集装置的两收集爪处于合拢状态，采摘装置的转动杆和固定杆相互垂直，并随升降机构的升降台一同处于最低位置；

其次，工作开始后，所述机器人开始沿着机器人行走参考线行走，当果实检测装置检测到果实成熟的果树的位置时，所述机器人停止行进并向所述果树横移，同时所述收集爪的舵机控制相应收集爪张开，所述升降机构运行，带动所述升降台移动，进而带动所述采摘装置向上移动至一定高度；

然后，当果树下部树干进入所述两收集爪形成的中间空位时，所述机器人停止横移，所述两收集爪合拢抱住树干，同时相应舵机控制所述转动杆旋转使所述转动杆和所述固定杆处于同一水平面，所述果树正位于所述采摘装置的毛刷板围成的圆孔下方；随后，所述升降机构带动所述采摘装置下降,所述采摘装置的毛刷随着转动杆和固定杆自上而下移动，果树树干从毛刷间隙中穿过，而果实被所述毛刷刷下，所述收集爪和所述收集箱收获被所述毛刷刷下来的果实；

再后，所述升降机构带动所述采摘装置向上移动，当所述采摘装置到达一定高度脱离果树后，转动所述转动杆至和所述固定杆垂直；随后，所述机器人后退，所述果树的树干从所述两收集爪的间隙中拔出；待所述机器人离开果树后，所述两收集爪进一步合拢以防止果实从所述收集箱中掉落；

最后，所述采集装置恢复到初始状态，所述机器人返回机器人行走参考线继续沿线行进，重复上述工作过程遍历比赛场地中的果树，最后回到终止区。