CN109618670B - 一种果蔬采摘分拣智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果蔬采摘分拣智能机器人，包括行走升降机构，末端采摘机构，接果输送机构，传送分拣机构，行走升降机构包括移动底座，安装在移动底座上的升降台，末端采摘机构安装在升降台上，采摘果蔬，接果输送机构安装在升降台上，接住果蔬并输送至传送分拣机构处，传送分拣机构安装在升降台表面，依次包括斜坡段，传送段及分拣段，果蔬通过斜坡段滚落至传送段，并输送至分拣段根据果蔬尺寸及成熟度进行分拣。本发明提供的一种果蔬采摘分拣智能机器人，不仅自动采摘，而且在采摘的同时就根据果蔬大小及成熟度对其进行分拣，实现采摘分拣同步进行。

Description

一种果蔬采摘分拣智能机器人

技术领域

本发明涉及一种智能机器人，尤其涉及一种针对球形果蔬的采摘分拣智能机器人。

背景技术

农业机器人是机器人应用的一个重要分支，由于我国长期以来形成的农业习惯以及文化水平的限制，我们国家的农业机器人发展较晚，随着国家的不断重视以及有关政策的大力扶持，我国的农业机械化得到了快速发展，农业机器人及智能化农业装备以高效率、高精度、低强度、低能耗和环境友好为特点，显示了广阔的应用前景。

目前，国内农业机器人主要有蔬菜采摘机器人、水果分选机器人、嫁接机器人和农业生产机器人等。当前我国对于农业机器人的研究还处在初级阶段。如中国农业大学研制出了果实采摘机器人试验样机，并进行了深入的研究。在果实识别、确定果柄位置等方面的研究取得了突破，形成了果实采摘机器人实验平台，应用图像处理技术对果实进行识别和定位，对果实的遮挡以及重叠等情况进行了数学建模，取得了一定的研究数据和研究成果。再如专利“一种蔬果采摘机器人及其控制方法”(2015104061634)中提到的采摘机器人，融合了仿生机器人多传感器，自动行走和多自由度的特点，实现灵活采摘，提升了采摘效率。而中国农业大学研发的茄子采摘机器人利用视觉传感器测量果实与机械臂距离，测量距离在27～57cm范围时，测量误差可被控制在±18mm内，机器人抓取成功率达89％，平均每次摘取耗时37s。中国农业大学研发的黄瓜采摘机器人采用了双目视觉成像装置，主要针对温室环境作业，通过对图像的采集、处理，达到对黄瓜的精确定位。其用来寻找果实的机械手也采用了先进的红外反射式光电传感器。

虽然我国果蔬类机器人已经有了初步研究成果，但普及度并不高，大部分果园和蔬菜园还是采用人管理模式，原因有以下几点：1、果蔬类管理对人手需求存在着季节性区别，对人手需求较大的集中在果蔬采摘季节，而目前市场上有的机器人功能比较单一(仅仅实现采摘功能，分拣需要运输到专门的分拣设备上进行)，不能满足果园的需要2、目前的采摘分拣设备精度不高，以猕猴桃为例，果园果子会在同期进入成熟期，必须及时采摘，否则过熟不易储存，还会被鸟类等啄食。所以在这期间采摘这方面的劳动成本投入就会很高。不光这一方面，猕猴桃从采摘到销售有一过程，为方便储存、运输和销售，还要进行果子的分拣，传统的分拣由人和机器按照体积大小来进行分类，这样的分类不能区分果子的成熟度。当过熟的猕猴桃没有及时的被销售，而与其他猕猴桃一起存放，过熟的猕猴桃会分泌乙醚，会催熟其他猕猴桃，使得存放期缩短。如未及时销售，猕猴桃会大面积的腐烂，这样的损失是惨重的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种果蔬采摘分拣智能机器人，不仅自动采摘，而且在采摘的同时就根据果蔬大小及成熟度对其进行分拣，实现采摘分拣同步进行。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种果蔬采摘分拣智能机器人，包括行走升降机构，末端采摘机构，接果输送机构，传送分拣机构及感应控制系统，其中：

行走升降机构包括移动底座，安装在移动底座上的升降台；

末端采摘机构安装在升降台上，包括多节机械臂，前端机械爪，安装在机械爪上的剪切机构，通过多节机械臂移动到果蔬位置，利用机械爪抓取果蔬，并通过剪切机构切断果茎；

接果输送机构安装在升降台上，包括接果网兜，与网兜底部相连通的输果管，机械爪摘取的果蔬送入接果网兜，并从输果管落下；

传送分拣机构安装在升降台表面，依次包括斜坡段，传送段及分拣段，斜坡段位于传送段的起始端，包括倾斜的底板及两侧挡板，且斜坡段的起始位置位于输果管正下方，所述传送段包括主动辊，从动辊及传送带，分拣段位于传送段的末端，包括支架，安装在支架顶部的转向阀，安装在转向阀上的分拣板，分拣板末端正对的移动底座上并排放置有多个果蔬框，输果管掉落的果蔬通过斜坡段滚落至传送段，并送至分拣段，分拣段根据果蔬尺寸及成熟度选择对应果蔬框下料；

所述感应控制系统包括控制器，与控制器连接的多个红外传感器，重力传感器及视觉传感器，多个红外传感器并排安装在斜坡段两侧的挡板上，感应果蔬与两侧挡板上红外传感器的距离，重力传感器安装传送带下表面，感应传送带上方果蔬重力值，视觉传感器安装在机械爪上，获取果子位置。

作为优选，所述行走机构为滚轮式或履带式。

作为优选，所述升降台为X形升降台，由电缸控制升降。

作为优选，所述输果管直径大于一颗果蔬直径，小于两颗果蔬直径。

作为优选，所述分拣板包括水平段及倾斜段，水平段与转向阀固定，而倾斜段则向下倾斜15～20°。

作为优选，所述分拣板两侧折弯形成第二挡板。

与现有技术相比，本发明所揭示的果蔬采摘分拣智能机器人，具有如下

有益效果：

升降台的设置可以根据树上果子高度来自动调节，配合多节机械臂实现采摘距离的远近调节，增加采摘范围；

采用网兜配合输果管来实现采摘果蔬的输送，网兜可以对果蔬进行缓冲，避免撞击造成的果蔬表面损伤，通过控制输果管的直径来确保每次只能掉落一个果蔬，确保后续尺寸及重量检测的精准度；

在升降台上设置传送分拣装置，利用斜坡段上设置的红外传感器配合控制器获取果蔬尺寸，利用重力传感器获取果蔬重量值，同时控制器根据果蔬重量及尺寸计算其成熟度，根据果蔬尺寸及成熟度进行分拣，通过后端的三向阀门来选择对应的果蔬框，实现采摘分拣一体化操作。

附图说明

图1是本发明结构原理图；

图2是本发明末端采摘机构的示意图；

图3是本发明接果输送机构的示意图；

图4是本发明传送分拣机构的示意图；

图5是本发明分拣段的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1～5所示，本发明所揭示的果蔬采摘分拣智能机器人，主要实现对球类果蔬的智能采摘，比如水果中的苹果，猕猴桃，橘子之类，蔬菜中的番茄，实现对这些果蔬的自动采摘，然后根据其尺寸及成熟度进行分拣。具体结构包括行走升降机构，末端采摘机构，接果输送机构，传送分拣机构及感应控制系统，具体说来：

所述行走升降机构包括移动底座1，以及安装在移动底座上的升降台2，该移动底座具有多种结构形式，如平坦的地面则采用滚轮式，通过电机驱动轮子转动，实现底座的移动，针对坑洼较小的地面就可以采用履带式的结构，而针对坑洼较大的地面则可以采用机械腿结构，具体的结构可以参照现有的技术。升降台的使用可以提升采摘的高度值，加大采摘的距离范围，该升降台优选X型升降台，通过电缸控制器升降，而电缸则与感应控制系统连接，由感应控制系统中的主控器进行控制。

所述末端采摘机构直接安装在升降台上，包括多节机械臂3，前端机械爪4，安装在机械爪上的剪切机构5，通过多节机械臂移动到果蔬位置，利用机械爪抓取果蔬，并通过剪切机构切断果茎，具体的末端摘取机构可以参照现有的技术结构，主要实现果蔬采摘；

所述接果输送机构安装在升降台上，包括固定架6，安装在固定架上的接果网兜7，与网兜底部相连通的输果管8，其中接果网兜为绳网结构，用于承载机械爪摘取的输果，绳网结构可以对果蔬进行缓冲，免去撞击对果蔬造成的损伤，输果管的作用是将网兜里的果蔬输送到后端分拣机构中，输果管的直径设置成小于两个果蔬直径，大于一个果蔬直径，可以确保每次只能通过一个果蔬，输果管可以采用直管，也可以采用波纹管来调节输送方向。

所述传送分拣机构安装在升降台表面，包括支撑架以及依次安装在支撑架14上的斜坡段9，传送段10及分拣段11，其中斜坡段包括倾斜的底板12及两侧挡板13，斜坡段的起始位置位于输果管正下方，两侧的挡板可以防止掉落的果蔬从侧边滚落，所述传送段包括主动辊15，从动辊16及传送带17，主动辊通过电机驱动，传送带将倾斜段掉落的果蔬送至分拣段，所述分拣段包括支架18，安装在支架顶部的转向阀19，安装在转向阀上的分拣板20，分拣板包括水平段21及倾斜段22，水平段与转向阀固定，而倾斜段则向下倾斜15～20°，同时分拣板两侧向上折弯形成第二挡板23，分拣板末端对应的移动底座上并排放置有多个果蔬框24，三向阀门具有多个旋转角度，每个角度下的分拣板对应一个果蔬框，从而实现不同尺寸或者成熟度果蔬的分拣。

所述感应控制系统包括控制器25，与控制器连接的多个红外传感器26，重力传感器27及视觉传感器28，控制器固定在支撑架14上，多个红外传感器并排安装在斜坡段两侧的挡板上，感应果蔬与两侧挡板上红外传感器的距离，重力传感器安装传送带下表面，感应传送带上方果蔬重力值，视觉传感器安装在机械爪上，获取果子位置信息。

在上述机器人结构基础上，还可以在果蔬框底部的移动底座上安装有重力传感器与控制器连接，检测果蔬框内果子重量值，并与控制器内预存的重力临界值进行对比，一旦达到重力临界值控制末端采摘机构停止采摘，移动底座移动到田埂处进行人工或配合其他卸货机器人进行卸货，更换空的果蔬框后，移动底座移动到上一次采摘处继续进行采摘分拣操作。

下面对本发明所揭示的智能机器人的工作原理进行详细说明：移动底座移动到待采摘的果树下方，机械臂抬起，利用前段的视觉传感器后去果树上果子的位置以及成熟度(利用视觉传感器配合视觉分析仪即可获知，属于已知技术)，获取的图像信息传递给控制器，运算出果子与机械爪之间的距离，然后调节升降机的升降高度，同时控制机械臂移动到果子位置，通过机械爪抓取果子并通过剪切机构切段果茎，缩回机械臂将果子送入接果网兜；

果子顺着输果管掉落至倾斜段并向下滚落，滚动的同时两侧挡板的红外传感器感应果子与传感器之间的距离，探测数据发送至控制器，控制器根据距离数据就进行果子直径运算，每一对红外传感器运算得到一个果子直径值D＝L-a*t/2-b*t/2，其中L为两侧板之间的距离，a为一侧挡板上红外传感器发射光光速，b为另一侧挡板上红外传感器发射光光速，t为光发射碰触到果子反射回接收器所用时间，然后对多个红外测量数据进行就平均得到果子的直径(也就是果子的大小尺寸)；

果子顺着倾斜段掉落至传送段，通过重力传感器获取果子重量值，然后将重量值回传至控制器，控制器根据重量值以及果子直径运算得到果子成熟度R＝G/C，其中G表示果子的重量，C表示果子的体积，由直径运算得到，然后利用模糊PID分析系统计算出每种果子的成熟度系数，与控制器内预设的成熟度临界值进行对比，若超过临界值则表示过度成熟，则要单独放置一个果蔬框，若没有超过临界值则判断其圆周尺寸与控制器内预存的尺寸进行对比，如果大于预存尺寸则放在一个果蔬框，若小于预存尺寸则放在另一个果蔬框，具体的果蔬框选择通过转向阀调节，转向阀具有中间，右转60°，左转60°三个位置，不同位置对应不同的果蔬框。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种果蔬采摘分拣智能机器人，实现对球类果蔬的智能采摘，其特征在于：包括行走升降机构，末端采摘机构，接果输送机构，传送分拣机构及感应控制系统，其中：

行走升降机构包括移动底座，安装在移动底座上的升降台；

末端采摘机构安装在升降台上，包括多节机械臂，前端机械爪，安装在机械爪上的剪切机构，通过多节机械臂移动到果蔬位置，利用机械爪抓取果蔬，并通过剪切机构切断果茎；

接果输送机构安装在升降台上，包括接果网兜，与网兜底部相连通的输果管，所述输果管直径大于一颗果蔬直径，小于两颗果蔬直径，机械爪摘取的果蔬送入接果网兜，并从输果管逐一落下；

传送分拣机构安装在升降台表面，依次包括斜坡段，传送段及分拣段，斜坡段位于传送段的起始端，包括倾斜的底板及两侧挡板，且斜坡段的起始位置位于输果管正下方，所述传送段包括主动辊，从动辊及传送带，分拣段位于传送段的末端，包括支架，安装在支架顶部的转向阀，安装在转向阀上的分拣板，分拣板末端正对的移动底座上并排放置有多个果蔬框，输果管掉落的果蔬通过斜坡段滚落至传送段，并送至分拣段，分拣段根据果蔬尺寸及成熟度选择对应果蔬框下料；

所述感应控制系统包括控制器，与控制器连接的多个红外传感器，重力传感器及视觉传感器，多个红外传感器并排安装在斜坡段两侧的挡板上，感应果蔬滚落距离，探测的数据发送至控制器，控制器根据距离数据计算果子直径，具体直径的计算方式为，每一对红外传感器运算得到一个果子直径值D＝L-a*t/2-b*t/2，其中L为两侧板之间的距离，a为一侧挡板上红外传感器发射光光速，b为另一侧挡板上红外传感器发射光光速，t为光发射碰触到果子反射回接收器所用时间，然后对多个红外测量数据进行就平均得到果子的直径，所述重力传感器安装传送带下表面，感应传送带上方果蔬重力值，并将重量值回传至控制器，控制器根据重量值以及果子直径运算得到果子成熟度R＝G/C，其中G表示果子的重量，C表示果子的体积，由直径运算得到，然后利用模糊PID分析系统计算出每种果子的成熟度系数，与控制器内预设的成熟度临界值进行对比，若超过临界值则表示过度成熟，则要单独放置一个果蔬框，若没有超过临界值则判断其圆周尺寸与控制器内预存的尺寸进行对比，如果大于预存尺寸则放在一个果蔬框，若小于预存尺寸则放在另一个果蔬框，视觉传感器安装在机械爪上，获取果子位置。

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘分拣智能机器人，其特征在于：所述行走升降机构为滚轮式或履带式。

3.根据权利要求1所述的果蔬采摘分拣智能机器人，其特征在于：所述升降台为X形升降台，由电缸控制升降。

4.根据权利要求1所述的果蔬采摘分拣智能机器人，其特征在于：所述分拣板包括水平段及倾斜段，水平段与转向阀固定，而倾斜段则向下倾斜25～30°。

5.根据权利要求4所述的果蔬采摘分拣智能机器人，其特征在于：所述分拣板两侧折弯形成第二挡板。