CN109792888A - 双臂苹果采摘梯形分级收集机器人及其采摘分级作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，包括自主移动平台，自主移动平台上部中心位置安装有机器人本体，机器人本体的顶部安装有双目视觉传感器机构，机器人本体前面设置有与其相配合的果实传输分级收集系统；自主移动平台上还设置有蓄电池组，蓄电池组上部安装有中央控制器，蓄电池组为机器人本体和自主移动平台上的所有电机、传感器以及中央控制器提供动力；中央控制器是整个机器人的控制中心，控制所有电器元件工作。同时公开了利用该机器人采摘作业方法。该机器人适应能力强，运动灵活，安全可靠、结构紧凑，具有苹果采摘并分级收集能力。

Description

双臂苹果采摘梯形分级收集机器人及其采摘分级作业方法

技术领域

本发明涉及一种机器人技术，尤其是一种双臂苹果采摘梯形分级收集机器人及其采摘 分级作业方法。

背景技术

水果采摘耗时，耗力，为了保证水果质量，需要适时采摘。目前，我国水果采摘主要通过手工完成，要在短时间内采摘所有水果必须投入大量人力，物力，且采摘劳动强度大。随着机器人技术的进步和现代高效农业的不断发展，机器人取代传统的农业机械是大势所趋。水果采摘机器人是发展现代化农业生产的主要手段之一，果实采摘机器人不仅应具备准确识别成熟果实及准确定位的功能，还能快速规划出合适的采摘路径，实现快速自主采摘。

中国专利文献201410159419.1公开了一种双臂水果采摘机器人及水果采摘方法。双臂 水果采摘机器人包括果实采摘机械装置和控制系统。果实采摘机械装置包括左机械臂，右 机械臂，左末端执行器，右末端执行器，移动平台，果篮。左机械臂和右机械臂结构相同， 分别安装于移动平台的左侧和右侧。左机械臂和右机械臂分别完成将左末端执行器和右末 端执行器送到指定采摘点工作。左末端执行器和右末端执行器结构相同，分别安装于左机 械臂和右机械臂前端。左末端执行器和右末端执行器分别完成机器人行进方向左侧和右侧 果树水果获取，回收工作。控制系统完成机器人导航，行走和采摘的控制任务。本发明还 公开了一种双臂水果采摘机器人的水果采摘方法，机械臂分采摘点进行采摘，一个采摘点 可实现多个果实连续分别采摘。该专利申请技术双臂单独作业，不能实现果实的自动分级 收集。

中国专利申请201810949753.5公开了一种智能采摘机器人，包括：升降杆，所述升降 杆包括主体杆及滑轨，所述滑轨设于所述主体杆；取果钳组件，所述取果钳组件包括钳体 及驱动装置，所述钳体与所述滑轨滑动连接，所述驱动装置用于驱动所述钳体沿所述滑轨 的延伸方向运动；果桶，所述果桶包括桶体，活动板，弹性件及钥匙块，所述桶体与所述滑轨滑动连接，且所述桶体的开口朝向所述钳体，所述活动板设于所述桶体内，所述弹性件弹性连接所述活动板与所述桶体，所述钥匙块固设于所述活动板，且所述活动板覆盖所述弹性件与所述钥匙块；自动锁止件，所述自动锁止件包括转动件，转轴，支撑件，滑道 结构，卡块，弹簧及锁止块，所述转动件通过所述转轴与所述主体杆转动连接，所述转动 件的一端与所述桶体抵接，所述支撑件位于所述主体杆内，且与所述主体杆连接，所述滑 道结构与所述支撑件连接，所述转动件上形成有锁止通道，所述卡块的一端插入所述锁止 通道，所述卡块的另一端滑入所述滑道结构，且与所述滑道结构抵接，所述弹簧弹性连接 所述卡块的另一端与所述支撑件，所述锁止块贯穿所述桶体，并伸入所述锁止通道，且所 述锁止块朝向所述钥匙块设置；其中，所述锁止块的长度等于所述锁止通道的长度，所述 钥匙块的长度大于或者等于所述卡块的长度。该专利申请技术不具有视觉定位功能，且不 能实现果实的自动分级收集。

中国专利申请201710857174.3公开了一种基于机器视觉的智能水果采摘机器人，包括 控制系统及与其分别连接的行走机构，采摘机械手，视觉系统，电源系统，控制系统，电 源系统与行走机构固定连接，采摘机械手为四自由度关节型机械手且通过底座与行走机构 固定连接，视觉系统的视觉传感器固定设置于采摘机械手的腕部上方，视觉系统的视觉控 制模块与控制系统集成并与视觉传感器信号连接，视觉控制模块用于基于图像分割的全卷 积网络图像处理技术对视觉传感器的图像进行目标定位识别，视觉控制模块将目标定位信 息传给控制系统，控制系统控制行走机构移动和/或机械手摘取水果。该专利申请技术视觉 系统的视觉传感器固定设置于采摘机械手的腕部上方，由于枝干树叶的遮挡，采摘可达域 受限；并且该专利申请技术没有果实传输系统，从采摘到收集均由单一机械手完成，采摘 效率较低。

中国专利申请201611222939.8公开了一种基于机器视觉的水果采摘机器人，它包括车 架，广角相机，机械爪，所述车架底部设有蓄电池，所述车架左右两侧设有左前轮，左后 轮，右后轮和右前轮，所述车架上设有广角相机，所述广角相机正下方设有图像处理装置， 通过机器视觉来实现果品的自动识别，通过广角相机和前置摄像头相互配合来实现果品的 精确采摘，解决了双目相机三维重构的精度和效率的不足，实现了实时处理信息，可以对 果品进行快速采摘。该专利申请技术解决了双目相机三维重构的精度和效率的不足，实现 了实时信息处理，但是由于枝干树叶的遮挡，采摘可达域受限，且没有果品收集装置，不 能独立完成采摘作业。

中国专利申请201811099973.X公开了一种水果采摘分级装箱机器人，包括机架，所述 机架的两侧安装有履带行进轮，所述机架内安装有用于驱动履带行进轮转动的驱动装置； 所述机架的左右两侧分别沿竖直方向安装有左侧板和右侧板，所述左侧板和右侧板之间安 装有水平横板，其特征在于，所述水平横板上在靠近前端处安装有左清理机构和右清理机 构，所述水平横板上在所述左清理机构和右清理机构的出口处沿垂直于机架的长度方向分 别安装有用于输送包装盒体的左传送带和右传送带，所述左侧板和右侧板上分别设有用于 向左传送带和右传送带上放置包装盒体的投放口；所述左侧板和右侧板之间架设有用于将 水果从左清理机构的出口抓取放置到位于左传送带上的包装盒体内，以及将水果从右清理 机构的出口抓取放置到位于右传送带上的包装盒体内的抓取机构；所述水平横板上在靠近 其后端处沿机架的长度方向安装有与左传送带配合的左后传送带，与右传送带配合的右后 传送带；所述水平横板上在左清理机构和左传送带之间设有用于将左传送带上的包装盒体 推送至左后传送带上的左推送机构，在右清理机构和右传送带之间设有用于将右传送带上 的包装盒体推送至右后传送带上的右推送机构；所述左侧板和右侧板之间架设有用于给位 于左后传送带上的包装盒体，以及位于右后传送带上的包装盒体封盖的包装机构；所述左 侧板上安装有用于采摘水果并且根据水果大小将水果放置到左清理机构和右清理机构内的 采摘机构，所述采摘机构上安装有用于控制采摘机构和驱动装置的智能摄像头。该专利申 请技术智能摄像头安装在采摘机构上，由于枝干树叶的遮挡，采摘可达域受限；并且，该 专利申请技术没有果实传输系统，从采摘到收集均由单一机械手完成，采摘效率较低。

上述采摘机器人均可用于苹果采摘，由于采用单臂单独作业，没有充分考虑枝干树叶 的遮挡，采摘可达域受限。开发一种结构简单，适应能力强，安全可靠的苹果采摘机器人 具有理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有苹果采摘机器人技术的不足，提供一种适应能力强， 运动灵活，安全可靠的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人及其采摘分级作业方法，该机器 人结构紧凑，运动灵活，具有苹果采摘并分级收集能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，包括自主移动平台，自主移动平台上部中心 位置安装有机器人本体，机器人本体的顶部安装有双目视觉传感器机构，机器人本体前面 设置有与其相配合的果实传输分级收集系统；自主移动平台上还设置有蓄电池组，蓄电池 组上部安装有中央控制器，蓄电池组为机器人本体和自主移动平台上的所有电机、传感器 以及中央控制器提供动力；中央控制器是整个机器人的控制中心，控制所有电器元件工作；

所述果实传输分级收集系统包括由上下两部分组成的果实传输通道，上下两部分之间 设置有与其相对应的梯形果实自动分级器，上部分果实传输通道和下部分果实传输通道的 上端均通过支撑装置安装于机器人本体前侧面上，梯形果实自动分级器安装于支撑装置上， 下部分果实传输通道的中间安装于三坐标移动系统总成上，果实传输通道的末端延伸至设 置于自主移动平台上的果实收集箱内，三坐标移动系统总成底部安装于自主移动平台上， 果实收集箱对应设置于三坐标移动系统总成的门式框架下方；

所述梯形果实自动分级器包括果实分级第一支撑装置和果实分级第二支撑装置，果实 分级第一支撑装置和果实分级第二支撑装置之间有间距，两个果实分级电机安装在果实分 级第二支撑装置外部，果实分级电机的输出轴经联轴器与穿过果实分级第二支撑装置的旋 转轴相连，旋转轴的两端分别由安装在果实分级第一、第二支撑装置上的旋转轴支撑组件 支撑，两根旋转轴和位于其两端的果实分级第一、第二支撑装置共同组成一梯形结构，两 根旋转轴的外表面均为弹性橡胶材质，可以对落在梯形果实自动分级器上果实的进行缓冲。

中央控制器为工控机、单片机或PLC。

所述双目视觉传感器机构包括双目视觉传感器，双目视觉传感器通过视觉传感器支架 固定在机器人本体的顶部。

所述机器人本体包括安装在自主移动平台上的机座，机座中固定有纵向设置的机身驱 动电机，机身驱动电机的输出轴竖直向上，且输出轴与机身的下端固定连接，组成转动副， 驱动机身绕三维笛卡尔坐标中Z轴方向转动；机身顶部两侧分别安装有一个采摘机械臂机 构。

两个采摘机械臂机构均包括一个与机身相连的采摘机械臂，两个采摘机械臂的前端分 别通过六维力传感器安装有采摘手爪机构和推挡手爪。

所述采摘手爪机构包括采摘手爪，采摘手爪上通过采摘手指基座对称安装有三个采摘 手指；每个采摘手指均具有两个以三维笛卡尔坐标中X轴向方向为旋转轴的主动自由度， 分别是采摘手指第一转动副和采摘手指第二转动副；

采摘手指具体结构包括采摘手指基座，采摘手指基座上固定有采摘手指第一连杆驱动 电机，第一连杆驱动电机输出轴与采摘手指第一连杆下端固连构成采摘手指第一转动副， 采摘手指第一连杆上端固定有采摘手指第二连杆驱动电机，第二连杆驱动电机输出轴与采 摘手指第二连杆下端固连构成采摘手指第二转动副；采摘手指第一连杆和采摘手指第二连 杆的内侧面上分别对应固定有采摘手指第一触觉传感器和采摘手指第二触觉传感器。

所述采摘机械臂包括一个以三维笛卡尔坐标系Z轴方向为旋转轴的采摘机械臂第一转 动副,两个以三维笛卡尔坐标Y轴方向为旋转轴的主动自由度，分别是采摘机械臂第二转 动副和采摘机械臂第四转动副，一个以三维笛卡尔坐标中X轴方向为旋转轴的采摘机械臂 第三转动副。

所述采摘机械臂的具体结构包括一个固定在机身侧面的采摘机械臂第一驱动电机，其 输出轴与采摘机械臂第二驱动电机底座固连构成采摘机械臂第一转动副；

采摘机械臂第二驱动电机固定在采摘机械臂第二驱动电机底座上，采摘机械臂第二驱 动电机的输出轴与采摘机械臂第一连杆接头固连构成采摘机械臂第二转动副；

采摘机械臂第一连杆的两端分别与采摘机械臂第一连杆接头和采摘机械臂第三驱动电 机底座固连；

采摘机械臂第三驱动电机固定在采摘机械臂第三驱动电机底座上，采摘机械臂第三驱 动电机的输出轴与采摘机械臂第二连杆接头固连构成采摘机械臂第三转动副；

采摘机械臂第二连杆的两端分别与采摘机械臂第二连杆接头和采摘机械臂第四驱动电 机底座固连；

采摘机械臂第四驱动电机固定在采摘机械臂第四驱动电机底座上，其输出轴与采摘机 械臂第三连杆接头固连构成采摘机械臂第四转动副；

采摘机械臂第三连杆的一端与采摘机械臂第三连杆接头固连，另一端通过六维力传感 器与采摘手爪或推挡手爪相连。

所述采摘机械臂第一、第二、第三和第四驱动电机均内置旋转编码器。

所述采摘机械臂第二、四驱动电机底座和采摘机械臂第一、第三连杆接头均呈L型结 构，L型结构两端连接的两个部件分别连接在L型结构的水平部分和竖直部分上。

所述采摘机械臂第三驱动电机底座和采摘机械臂第二连杆接头均为圆柱形结构。

所述支撑装置包括第一通道出口连接支撑环、第二通道入口连接支撑环、第三通道入 口连接支撑环，安装于机器人本体前侧面上的第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，以 及安装于三坐标移动系统总成上的第四通道入口支撑环和第五通道入口支撑环。

所述上部分果实传输通道为第一通道，第一通道为倒锥形螺纹管，其入口端通过第一 支撑架固定在机器人本体前侧面上，出口端固定在第一通道出口连接支撑环上，第一通道 出口连接支撑环通过第二支撑架固定在机器人本体前侧面上。

所述下部分果实传输通道为独立的两部分，其中一部分为上端口与第一通道出口端相 对应的第三通道，第三通道下端口通过第五通道入口支撑环与第五通道上端口相连通，第 五通道下端口伸入至一个果实收集箱内；另一部分包括设置于第三通道一侧的第二通道， 第二通道下端口通过第四通道入口支撑环与第四通道上端口相连通，第四通道下端口伸入 至另一个果实收集箱内。

所述第一通道、第二通道、第三通道、第四通道及第五通道均由波纹管构成。

所述第二、第三通道上端口分别对应固定在第二、第三通道入口连接支撑环上，第二、 第三通道入口连接支撑环对称安装于第三支撑架上，第三支撑架固定在机器人本体前侧面 上。

所述第三通道的长度大于第三通道入口连接支撑环到第五通道上端口之间的直线距离； 所述第二通道的长度大于第二通道入口连接支撑环到第四通道上端口之间的直线距离；通 过增加第二、第三通道的长度，使第二、第三通道始终处于弯曲状态，实现通道内果实的 缓冲，减速，增加第二、第三通道的可达位置。

所述果实分级电机包括果实分级第一电机和果实分级第二电机，两电机的分别安装在 果实分级第一电机安装底座和果实分级第二电机安装底座上表面上，且该上表面为斜面， 相对的下表面为平面，果实分级第一、第二电机安装底座均安装于机器人本体前侧面上； 斜面的设置能够使电机倾斜安装，使两根旋转轴前端逐渐靠近；

所述果实分级第一支撑装置包括一平板，平板上两端前后面上分别设置有果实分级第 一支撑装置底座，果实分级第一支撑装置底座分别固定连接在第二支撑架和第三支撑架上；

所述果实分级第二支撑装置呈倾倒放置的四腿凳子形状，其四条腿的末端分别固定在 第二支撑架的横梁和第三支撑架的横梁上；

所述果实分级第一、第二支撑装置之间的间距足以容纳第二、第三通道入口连接支撑 环于其内；位于第二、第三通道入口连接支撑环正上方区间的两根旋转轴之间距离大于等 于第二、第三通道入口连接支撑环的内径，从而保证苹果从两根旋转轴落下后不被对应的 第二或第三通道入口连接支撑环卡住。

所述三坐标移动系统总成包括两组门式框架，每一组门式框架均包括上中下平行设置 的三根横梁和两根竖梁，三根横梁两端分别安装于两根竖梁上，三根横梁上共同设置有横 向移动系统，横向移动系统上安装有竖向移动系统，竖梁的底部固定在纵向移动系统上， 纵向移动系统固定于机器人自主移动平台上；横向、纵向和竖向分别与三维笛卡尔坐标系 中X轴、Y轴和Z轴相对应。

所述横向移动系统包括安装在最上面和最下面横梁前侧面上的X轴方向直线导轨，每 根X轴方向直线导轨上均安装有一个X轴方向移动滑块构成直线导轨副；

中间横梁上的安装有X轴方向驱动电机，X轴方向驱动电机输出轴通过联轴器与X轴方 向丝杠相连，X轴方向丝杠两端分别通过支撑组件支撑在中间横梁上，X轴方向丝杠上安装 有X轴方向螺母构成丝杠螺母副。

所述竖向移动系统包括一个倒L型支撑板，所述支撑板侧板背面分别与两个X轴方向 移动滑块和X轴方向螺母固定连接；所述支撑板的顶板上安装有Z轴方向驱动电机，Z轴方 向驱动电机的输出轴穿过顶板通过联轴器与Z轴方向丝杠相连，Z轴方向丝杠的两端分别通 过Z轴方向支撑组件固定于支撑板侧板前面，Z轴方向丝杠两侧对称设置有固定于所述支撑 板上的Z轴方向直线导轨，每根Z轴方向直线导轨上均安装有一个Z轴方向滑块构成直线 导轨副，Z轴方向丝杠上安装有与两个Z轴方向滑块均固定连接Z轴方向螺母，Z轴方向丝 杠与Z轴方向螺母构成丝杠螺母副。

所述第四通道入口支撑环和第五通道入口支撑环对应固定于Z轴方向螺母上。

所述纵向移动系统包括与竖梁底部固定连接的Y轴方向滑块，Y轴方向滑块安装于Y轴 方向直线导轨上构成直线导轨副，门式框架的其中一根竖梁底部外侧面上安装有Y轴方向 驱动电机，Y轴方向驱动电机所在竖梁底部外侧安装有一根与Y轴方向直线导轨平行的齿条， Y轴方向驱动电机的输出齿轮轴上的齿轮与所述齿条啮合；Y轴方向直线导轨和齿条均固定 于机器人自主移动平台上。

所述机器人自主移动平台包括板状支架，板状支架下部前端和后端分别安装有转向系 统和驱动系统；与转向系统所对应的板状支架上部安装有蓄电池组支撑平台，蓄电池组支 撑平台上安装有蓄电池组，蓄电池组上部设置有隔热板，隔热板上固定有中央控制器；与 驱动系统相对应的板状支架上表面上安装有果实收集箱限位挡板。

所述转向系统包括安装在转向支撑架上的转向轮，转向支撑架上端固定安装有转向轴， 转向轴上由上至下依次安装有转向轴承和转向从动齿轮，转向轴承通过转向轴承座的法兰 盘安装于板状支架下表面上，转向从动齿轮与安装于板状支架上的转向电机的输出齿轮轴 上的齿轮啮合；所述转向电机上设有旋转编码器。

所述驱动系统包括安装在驱动齿轮轴两端的驱动车轮，驱动齿轮轴上安装有两个驱动 轴承，驱动轴承安装于驱动轴承座内，驱动轴承座与固定在板状支架下表面上的轴承座顶 盖固定连接；驱动齿轮轴中部的齿轮与安装于板状支架下表面的驱动电机的输出齿轮轴上 的齿轮啮合；驱动车轮上安装有速度传感器。

一种双臂采摘分级机器人采摘分级作业方式，包括以下步骤：

1)自动平稳运行；中央控制器根据双目视觉传感器反馈的路面信息，控制机器人自主 移动平台的运动，根据速度传感器和旋转编码器的反馈信息调整机器人自主移动平台驱动 电机的转速和转向电机角位移，控制机器人自主移动平台的运行速度和转向角，实现机器 人平稳运行；

2)采摘作业；到达指定的采摘目的地时，双臂采摘机器人本体及左侧的采摘机械臂和 采摘手爪与右侧的采摘机械臂和推挡手爪配合完成果实抓取任务，中央控制器根据双目视 觉传感器反馈的成熟果实的位置信息，规划两个机械臂的运动路径，到达目标位置后，根 据三个采摘手爪手指的采摘手指第一触觉传感器和采摘手指第二触觉传感器及采摘手爪与 采摘机械臂末端连接处的六维力传感器的反馈信息，控制采摘手指第二连杆驱动电机和采 摘手指第一连杆驱动电机的输出力矩，使采摘手爪生成合适的抓取力；根据推挡手爪与采 摘机械臂末端连接处的六维力传感器的反馈信息，调整与推挡手爪相连的采摘机械臂各关 节的输出力矩，产生合适推挡力；从而模仿人类的采摘动作完成果实的采摘任务；

3)果实分级；采摘机械臂和采摘手爪将采摘后的果实放入果实传输分级收集系统，一 般果实经由第一通道，直接穿过梯形果实自动分级器经由第三通道、第五通道进入与其相 对应的一个果实收集箱内；较大的果实经由第一通道到达梯形果实自动分级器时，被果实 分级器的梯形结构卡住，果实分级电机启动，带动果实分级旋转轴转动，同步带动果实向 梯形结构开口较大的方向移动，当果实移动到果实传输第二通道入口连接支撑环上方时， 果实进入第二通道，经第四通道进入另一个果实收集箱。；

4)果实收集箱整理与更换；中央控制器根据各内置旋转编码器的反馈数值，控制三坐 标移动系统总成中两个Y轴方向驱动电机，两个X轴方向驱动电机，两个Z轴方向驱动电 机的转动，分别拉动第三通道和第二通道伸缩往复运动，实现第五通道和第四通道在两个 果实收集箱内的多方位运动，从而将果实按照既定位置摆放；只要任何一个果实收集箱收 集满后，采摘作业停止，中央控制器控制机器人自主移动平台将双臂苹果采摘分级收集机 器人运送至果实收集箱更换点，更换果实收集箱后，进行新的采摘作业。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

(1)双臂配合作业的类人工采摘模式，采摘效率高；

(2)推挡机械臂作业，可以有效避免枝干树叶对视觉传感器的遮挡；

(3)果实自动分级收集装置可以自动将果品根据大小分级，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的一种双臂苹果采摘分级收集机器人整体结构示意图；

图2是本发明中双臂苹果采摘机器人本体结构示意图；

图3是本发明中采摘手爪结构示意图；

图4是本发明中采摘机械臂结构示意图；

图5是本发明中果实传输分级收集系统结构示意图；

图6是本发明中支撑分级系统总成结构示意图；

图7是本发明中梯形果实自动分级器立体结构示意图；

图8是本发明中三坐标移动系统总成整体结构示意图；

图9是本发明中三坐标移动系统总成X₀方向移动系统结构示意图；

图10是本发明中三坐标移动系统总成Z₀方向移动系统结构示意图；

图11a是本发明中机器人自主移动平台立体结构示意图；

图11b是本发明中机器人自主移动平台分解结构示意图；

其中，11.双臂苹果采摘机器人本体，12.蓄电池组，13.隔热板，14.中央控制器，15.视觉传感器支架，16.双目视觉传感器，17.果实传输分级收集系统，18.机器人自主移动平台；

21.采摘手爪手指，22.采摘手爪，23.两个六维力传感器，24.采摘机械臂，25.双臂苹 果采摘机器人机身，26.采摘机器人第一驱动电机(即机身驱动电机)，27.双臂苹果采摘机 器人机座，28.推挡手爪；

31.采摘手指基座，32.采摘手指第一连杆，33.采摘手指第一触觉传感器，34.采摘手 指第二连杆驱动电机，35.采摘手指第二连杆，36.采摘手指第二触觉传感器，37.采摘手指 第二转动副，38.采摘手指第一转动副，39.采摘手指第一连杆驱动电机；

41.采摘机械臂第一驱动电机，42.采摘机械臂第二驱动电机底座，43.采摘机械臂第 二驱动电机，44.采摘机械臂第一连杆接头，45.采摘机械臂第一连杆，46.采摘机械臂第三 驱动电机底座，47.采摘机械臂第三驱动电机，48.采摘机械臂第二连杆接头，49.采摘机械臂第二连杆，410.采摘机械臂第四驱动电机底座，411.采摘机械臂第四驱动电机，412.采摘机械臂第三连杆接头，413.采摘机械臂第三连杆，414.采摘机械臂第四转动副，415.采摘机械臂第三转动副，416.采摘机械臂第二转动副，417.采摘机械臂第一转动副；

51.果实传输分级收集系统第一支撑架，52.果实传输第一通道，53.三坐标移动系统总 成，54.支撑分级系统总成，55.果实传输第二通道，56.果实传输第三通道，57.果实传输 第四通道，58.果实收集箱，59.果实传输第五通道；

61.果实传输第三通道入口连接支撑装置(或支撑环)，62.梯形果实自动分级器，63. 果实传输第一通道出口连接支撑装置(或支撑环)，64.果实传输分级收集系统第二支撑架， 65.果实传输分级收集系统第三支撑架，66.果实传输第二通道入口连接支撑装置(或支撑 环)；

71.果实分级第一电机安装底座，72.果实分级第一电机，73.果实分级第一联轴器，74. 果实分级第一支撑装置底座，75.果实分级第一支撑装置，76.果实分级第一旋转轴第一支 撑装置，77.果实分级第一旋转轴，78.T字型果实分级第二支撑装置底座，79.果实分级第 二支撑装置，710.果实分级第一旋转轴第二支撑装置，711.果实分级第二旋转轴第二支撑 装置，712.果实分级第二旋转轴，713.果实分级第二旋转轴第一支撑装置，714.果实分级 第二联轴器，715.果实分级第二电机，716.果实分级第二电机安装底座；

81.Y₀方向移动系统驱动电机，82.Y₀方向移动系统驱动电机安装机座，83.Z₀方向移 动系统，84.X₀方向移动系统，85.门式框架第一横梁，86.门式框架第二横梁，87.门 式框架第三横梁，88.门式第一框架，89.齿条，810.Y₀方向移动系统直线导轨，811.Y₀方 向移动系统滑块，812.门式第二框架，813.门式框架底座；

91.X₀方向移动系统直线导轨，92.X₀方向移动系统滑块，93.X₀方向移动系统丝杠第二支撑组件，94.X₀方向移动系统螺母，95.X₀方向移动系统丝杠，96.X₀方向移动系 统丝杠第一支撑组件，97.X₀方向移动系统联轴器，98.X₀方向移动系统驱动电机；

101.Z₀方向移动系统直线导轨，102.Z₀方向移动系统滑块，103.Z₀方向移动系统支撑板，104.Z₀方向移动系统驱动电机，105.Z₀方向移动系统联轴器，106.Z₀方向移动系 统丝杠第一支撑组件，107.Z₀方向移动系统丝杠，108.Z₀方向移动系统螺母，109.波纹 管连接装置，1010.Z₀方向移动系统丝杠第二支撑组件；

111.机器人自主移动平台转向系统，112.蓄电池组支撑平台，113.机器人自主移动 平台支架，114.果实收集箱X₀方向限位挡板，115.果实收集箱Y₀方向限位挡板，116.机器人自主移动平台驱动系统，117.机器人自主移动平台转向系统车轮，118.转向轮车轴，119.转向轮轮毂轴承，1110.转向系统支撑架，1111.转向从动齿轮，1112.转向轴承座，1113.第一轴承，1114.机器人自主移动平台转向系统安装孔，1115.转向驱动电机安装 孔，1116.转向轴，1117.轴承座顶盖，1118.果实收集箱Y₀方向限位挡板安装槽，1119. 驱动轮轮毂轴承，1120.轴承座，1121.第二轴承，1122.机器人自主移动平台齿轮轴，1123 速度传感器，1124.机器人自主移动平台驱动系统车轮，1125.转向驱动电机，1126.旋 转编码器，1127.机器人自主移动平台驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容， 以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上 的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的 功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时， 本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦 仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明中的X₀、Y₀、Z₀是指三维坐标系中横轴方向、纵轴方向和竖轴方向。

如图1所示，本发明的一种双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，包括一个双臂苹果采 摘机器人本体11，一个蓄电池组12，一个隔热板13，一个中央控制器14，一个视觉传感器支架15，一台双目视觉传感器16，一个果实传输分级收集系统17，一个机器人自主移动平台18。

双臂苹果采摘机器人本体11设置于机器人自主移动平台18的中心位置；蓄电池组固 定在机器人自主移动平台18的蓄电池组支撑平台112上；隔热板固定在蓄电池组12的上方；中央控制器14固定在隔热板的上方；视觉传感器支架15固定在双臂苹果采摘机器人 本体11的双臂苹果采摘机器人机身23上方；双目视觉传感器16安装在视觉传感器支架15 上。

蓄电池组12为双臂苹果采摘分级收集机器人所有电机，传感器，控制器提供动力；所 述中央控制器14是整个机器人的控制中心。

如图2所示，本发明的双臂苹果采摘机器人本体11，包括三个采摘手指21，一个采摘 手爪22，两个六维力传感器23，两个采摘机械臂24，一个双臂苹果采摘机器人机身25，一个采摘机器人第一驱动电机26，一个双臂苹果采摘机器人机座27，一个推挡手爪28。所述三个采摘手指21的采摘手指基座31对称安装在采摘手爪22上，采摘手爪22和推挡手 爪28分别固定在两个采摘机械臂24的末端，连接处均安装六维力传感器23；两个采摘机 械臂24分别固定在双臂苹果采摘机器人机身25的两侧；采摘机器人第一驱动电机26安装 在双臂苹果采摘机器人基座27上，其输出轴与双臂苹果采摘机器人机身25的下端固连， 构成转动副，驱动双臂苹果采摘机器人机身25绕Z₀方向的转动。

采摘手指21具有两个以X₀方向为旋转轴的主动自由度，分别是采摘手指第一转动副 39和采摘手指第二转动副37。其结构如图3所示，包括一个采摘手指基座31，一个采摘手指第一连杆32，一个采摘手指第一触觉传感器33，一个采摘手指第二连杆驱动电机34，一个采摘手指第二连杆35，一个采摘手指第二触觉传感器36，一个采摘手指第一连杆驱动电机38。所述采摘手指第一连杆驱动电机38固定在采摘手指基座31上，其输出轴与采摘手 指第一连杆32固连构成采摘手指第一转动副39；所述采摘手指第二连杆驱动电机34固定 在采摘手指第一连杆32上，其输出轴与采摘手指第二连杆35固连构成采摘手指第二转动 副37；所述采摘手指第一触觉传感器33固定在采摘手指第一连杆32上，采摘手指第二触 觉传感器36固定在采摘手指第二连杆35上。

采摘机械臂22具有一个以Z₀方向为旋转轴的采摘机械臂第一转动副417,两个以Y₀方 向为旋转轴的主动自由度，分别是采摘机械臂第二转动副416和采摘机械臂第四转动副414， 一个以X₀方向为旋转轴的采摘机械臂第三转动副415。其结构如图4所示，包括一个采摘 机械臂第一驱动电机41，一个采摘机械臂第二驱动电机底座42，一个采摘机械臂第二驱动 电机43，一个采摘机械臂第一连杆接头44，一个采摘机械臂第一连杆45，一个采摘机械臂 第三驱动电机底座46，一个采摘机械臂第三驱动电机47，一个采摘机械臂第二连杆接头48， 一个采摘机械臂第二连杆49，一个采摘机械臂第四驱动电机底座410，一个采摘机械臂第 四驱动电机411，一个采摘机械臂第三连杆接头412，一个采摘机械臂第三连杆413。所述采摘机械臂第一驱动电机41，采摘机械臂第二驱动电机43，采摘机械臂第三驱动电机47 及采摘机械臂第四驱动电机411均内置旋转编码器；所述采摘机械臂第一驱动电机41固定 在双臂苹果采摘机器人机身25的侧面，其输出轴与采摘机械臂第二驱动电机底座42固连 构成采摘机械臂第一转动副417；所述采摘机械臂第二驱动电机43固定在采摘机械臂第二 驱动电机底座42上，其输出轴与采摘机械臂第一连杆接头44固连构成采摘机械臂第二转 动副416；所述采摘机械臂第一连杆45的两端分别与采摘机械臂第一连杆接头44和采摘机 械臂第三驱动电机底座46固连；所述采摘机械臂第三驱动电机47固定在采摘机械臂第三 驱动电机底座46上，其输出轴与采摘机械臂第二连杆接头48固连构成采摘机械臂第三转 动副415；采摘机械臂第二连杆49的两端分别与采摘机械臂第二连杆接头48和采摘机械臂 第四驱动电机底座410固连；所述采摘机械臂第四驱动电机411固定在采摘机械臂第四驱 动电机底座410上，其输出轴与采摘机械臂第三连杆接头412固连构成采摘机械臂第四转 动副414；所述采摘机械臂第三连杆413的一端与采摘机械臂第三连杆接头412固连，另一 端通过六维力传感器23与采摘手爪22或推挡手爪28相连。

如图5所示，本发明的果实传输分级收集系统17，包括一个果实传输分级收集系统第 一支撑架51，一个果实传输第一通道52，一个三坐标移动系统总成53，一个支撑分级系统 总成54，一个果实传输第二通道55，一个果实传输第三通道56，一个果实传输第四通道57，两个果实收集箱58，一个果实传输第五通道59。

果实传输分级收集系统第一支撑架51固定在双臂苹果采摘机器人机身25的前向平面； 所述果实传输第一通道52为倒锥形螺纹管，其果实入口端固定在果实传输分级收集系统第 一支撑架51上，果实出口端固定在果实传输第一通道出口连接支撑装置63上；所述果实 传输第一通道52，果实传输第二通道55，果实传输第三通道56，果实传输第四通道57及 果实传输第五通道59均由波纹管构成。所述果实传输第三通道55的长度大于果实传输第 三通道入口连接支撑装置66到Z₀方向移动系统83中波纹管连接装置109之间的直线距离； 所述果实传输第二通道55的长度大于果实传输第二通道入口连接支撑装置61到Z₀方向移 动系统83中波纹管连接装置109之间的直线距离；通过增加果实传输第二通道55和果实 传输第三通道56的长度实现通道内果实的缓冲，减速，增加果实传输第二通道55和果实传输第三通道56的可达位置。

图6所示，本发明的支撑分级系统总成54，包括一个果实传输第三通道入口连接支撑 装置61，一个梯形果实自动分级器62，一个果实传输第一通道出口连接支撑装置63，一个 果实传输分级收集系统第二支撑架64，一个果实传输分级收集系统第三支撑架65，一个果 实传输第二通道入口连接支撑装置66。

果实传输第三通道55和果实传输第二通道56的一端分别固定在果实传输第二通道入 口连接支撑装置66和果实传输第三通道入口连接支撑装置61上，另一端分别固定在Z₀方 向移动系统83中两个波纹管连接装置109上。

果实传输第一通道出口连接支撑装置63固定在果实传输分级收集系统第二支撑架64 的横梁上；所述果实传输第三通道入口连接支撑装置61和果实传输第二通道入口连接支撑 装置66分别固定在果实传输分级收集系统第三支撑架65横梁的内外两侧；

梯形果实自动分级器62位于果实传输分级收集系统第二支撑架64和果实传输分级收 集系统第三支撑架65之间；所述果实传输分级收集系统第二支撑架64和果实传输分级收 集系统第三支撑架65均固定在双臂苹果采摘机器人机身25的前向平面上。

本发明的梯形果实自动分级器62如图7所示，包括一个果实分级第一电机安装底座71， 一个果实分级第一电机72，一个果实分级第一联轴器73，四个果实分级第一支撑装置底座 74，一个果实分级第一支撑装置75，一个果实分级第一旋转轴第一支撑装置76，一个果实 分级第一旋转轴77，四个T字型果实分级第二支撑装置底座78，一个果实分级第二支撑装 置79，一个果实分级第一旋转轴第二支撑装置710，一个果实分级第二旋转轴第二支撑装 置711，一个果实分级第二旋转轴712，一个果实分级第二旋转轴第一支撑装置713，一个 果实分级第二联轴器714，一个果实分级第二电机715，一个果实分级第二电机安装底座716。

果实分级第一电机安装底座71和果实分级第二电机安装底座716上表面即与果实分级 第一电机72和果实分级第二电机715接触的平面为斜面，保证其下表面为平面，固定在双 臂苹果采摘机器人机身25的前向平面；所述果实分级第一电机72和果实分级第二电机715 分别固定在果实分级第一电机安装底座71和果实分级第二电机安装底座716上，其输出轴 分别通过果实分级第一联轴器73和果实分级第二联轴器714与果实分级第一旋转轴77和 果实分级第二旋转轴712相连，分别带动果实分级第一旋转轴77和果实分级第二旋转轴712 转动；所述果实分级第一旋转轴77和果实分级第二旋转轴712的外表面均为弹性橡胶材质， 可以对落在梯形果实自动分级器上果实的进行缓冲；所述果实分级第一旋转轴77的两端分 别由果实分级第一旋转轴第一支撑装置76和果实分级第一旋转轴第二支撑装置710支撑； 所述果实分级第二旋转轴712的两端分别由果实分级第二旋转轴第一支撑装置713和果实 分级第二旋转轴第二支撑装置711支撑；

果实分级第一旋转轴77和果实分级第二旋转轴712呈梯形安装在果实分级第一支撑装 置75和果实分级第二支撑装置79之间；所述果实分级第一支撑装置75的底板上设有一个 果实分级第一旋转轴第一支撑装置76，一个果实分级第二旋转轴第一支撑装置713，其侧 面设有四个果实分级第一支撑装置底座74；所述果实分级第一支撑装置底座74分别与果实 传输分级收集系统第二支撑架64和果实传输分级收集系统第三支撑架65相连；

果实分级第二支撑装置79的底板上设有一个果实分级第一旋转轴第二支撑装置710和 一个果实分级第二旋转轴第二支撑装置711，其背面设有四个T字型果实分级第二支撑装置 底座78；所述T字型果实分级第二支撑装置底座78固定在果实传输分级收集系统第二支 撑架64和果实传输分级收集系统第三支撑架65的两个横梁上。

如图8所示，本发明中三坐标移动系统总成53，包括两个Y₀方向移动系统驱动电机81， 两个Y₀方向移动系统驱动电机安装机座82，两个Z₀方向移动系统83，两个X₀方向移动系统84，二个门式框架第一横梁85，二个门式框架第二横梁86，二个门式框架第三横梁87， 一个门式第一框架88，两个齿条89，四个Y₀方向移动系统直线导轨810，八个Y₀方向移动 系统滑块811，一个门式第二框架812，四个门式框架底座813。

四个Y₀方向移动系统直线导轨810分别固定在机器人自主移动平台支架113上的四个 果实收集箱X₀方向限位挡板114外侧；所述八个Y₀方向移动系统滑块811平均分为四组安 装在四个Y₀方向移动系统直线导轨810上，构成四个直线导轨副；所述门式第一框架88和 门式第二框架812分别设置有一个门式框架第一横梁85，一个门式框架第二横梁86，一个 门式框架第三横梁87和两个门式框架底座813；四个门式框架底座813分别固定在四个Y₀方 向移动系统直线导轨810对应的四组Y₀方向移动系统滑块811上；所述两个Y₀方向移动系 统驱动电机安装机座82分别设置在门式第一框架88左侧和门式第二框架812右侧的门式 框架底座813上；所述两个齿条89与四个Y₀方向移动系统直线导轨810平行固定在机器人 自主移动平台支架113上，分别位于两个Y₀方向移动系统驱动电机安装机座82的外侧；所 述两个Y₀方向移动系统驱动电机81分别安装在两个Y₀方向移动系统驱动电机安装机座82 上，其输出齿轮轴上的齿轮分别与两个齿条89啮合；

两个X₀方向移动系统84结构完全相同分别固定在门式第一框架88和门式第二框架 812上；

两个Z₀方向移动系统83结构完全相同分别固定在两个X₀方向移动系统84的两个X₀方向移动系统滑块92上。

如图9所示，本发明中三坐标移动系统总成53X₀方向移动系统84，包括两个X₀方向移动系统直线导轨91，两个X₀方向移动系统滑块92，一个X₀方向移动系统丝杠第二支撑 组件93，一个X₀方向移动系统螺母94，一个X₀方向移动系统丝杠95，一个X₀方向移动 系统丝杠第一支撑组件96，一个X₀方向移动系统联轴器97，一个X₀方向移动系统驱动电 机98。

所述两个X₀方向移动系统直线导轨91分别平行安装在门式框架第一横梁85和门式框 架第三横梁87的前向平面；所述两个X₀方向移动系统滑块92分别安装在两个X₀方向移动 系统直线导轨91上，构成直线导轨副；

所述X₀方向移动系统驱动电机98，X₀方向移动系统丝杠第一支撑组件96和X₀方向移动系统丝杠第二支撑组件93从左向右依次固定在门式框架第二横梁86上；所述X₀方向移动系统驱动电机98的输出轴通过X₀方向移动系统联轴器97与X₀方向移动系统丝杠95 相连；所述X₀方向移动系统丝杠95的两端分别由X₀方向移动系统丝杠第一支撑组件96 和X₀方向移动系统丝杠第二支撑组件93支撑；所述X₀方向移动系统螺母94安装在X₀方 向移动系统丝杠95上构成丝杠螺母副。

如图10所示，本发明中三坐标移动系统总成53Z₀方向移动系统84，包括两个Z₀方向移动系统直线导轨101，两个Z₀方向移动系统滑块102，一个Z₀方向移动系统支撑板103， 一个Z₀方向移动系统驱动电机104，一个Z₀方向移动系统联轴器105，一个Z₀方向移动系 统丝杠第一支撑组件106，一个Z₀方向移动系统丝杠107，一个Z₀方向移动系统螺母108， 一个波纹管连接装置109，一个Z₀方向移动系统丝杠第二支撑组件1010。

Z₀方向移动系统支撑板103呈倒L型，其底板背面固定在两个X₀方向移动系统滑块92上，且与X₀方向移动系统螺母94相连；所述两个Z₀方向移动系统直线导轨101平行固 定在Z₀方向移动系统支撑板103的底板上；所述两个Z₀方向移动系统滑块102分别安装在 两个Z₀方向移动系统直线导轨101上构成直线导轨副；所述Z₀方向移动系统驱动电机104 固定在倒L型Z₀方向移动系统支撑板103的侧板上，其输出轴通过Z₀方向移动系统联轴器 105与Z₀方向移动系统丝杠107相连；Z₀方向移动系统丝杠107的两端分别固定在Z₀方向 移动系统丝杠第一支撑组件106和Z₀方向移动系统丝杠第二支撑组件1010上；所述Z₀方 向移动系统螺母108固定在两个Z₀方向移动系统滑块102上，且与Z₀方向移动系统丝杠107 相连构成丝杠螺母副；所述波纹管连接装置109固定在Z₀方向移动系统螺母108上。

如图11a和11b所示，本发明中机器人自主移动平台18，包括一个机器人自主移动平 台转向系统111，一个蓄电池组支撑平台112，一个机器人自主移动平台支架113，四个果实收集箱X₀方向限位挡板114，四个果实收集箱Y₀方向限位挡板115，一个机器人自主移 动平台驱动系统116；一个机器人自主移动平台转向系统车轮117，一个转向轮车轴118， 一个转向轮轮毂轴承119，一个转向系统支撑架1110，一个转向从动齿轮1111，一个转向 轴承座1112，一个第一轴承1113，一个机器人自主移动平台转向系统安装孔1114，一个转 向驱动电机安装孔1115，一个转向轴1116，两个轴承座顶盖1117，四个果实收集箱Y₀方向 限位挡板安装槽1118，两个驱动轮轮毂轴承1119，两个轴承座1120，两个第二轴承1121， 一个机器人自主移动平台齿轮轴1122，一个速度传感器1123，两个机器人自主移动平台驱 动系统车轮1124，一个转向驱动电机1125，一个旋转编码器1126，一个机器人自主移动平 台驱动电机1127。

所述机器人自主移动平台支架113设有一个机器人自主移动平台转向系统安装孔1114， 一个转向驱动电机安装孔1115和四个果实收集箱Y₀方向限位挡板安装槽1118；所述蓄电池 组支撑平台112，四个果实收集箱X₀方向限位挡板114均固定在机器人自主移动平台支架 113的上表面；

所述机器人自主移动平台转向系统111，和机器人自主移动平台驱动系统116分别通过 转向轴承座1112的法兰盘和两个轴承座顶盖1117与机器人自主移动平台支架113相连；所 述四个果实收集箱Y₀方向限位挡板115分别安装在四个果实收集箱Y₀方向限位挡板安装槽1118内，可自由抽出；

转向轴承座1112内部安装有两个面对面角接触球轴承(即第一轴承)1113，其圆形法 兰盘与机器人自主移动平台转向系统安装孔1114同心，安装在机器人自主移动平台支架113 的下表面；所述转向轴1116穿过一个第一轴承1113，固定在转向系统支撑架1110的上表 面；所述转向从动齿轮1111与转向轴1116过盈配合，安装在转向轴承座1112与转向系统 支撑架1110之间，且与转向驱动电机1125的输出齿轮轴啮合；所述转向驱动电机1125设有旋转编码器1126，其圆形法兰盘与转向驱动电机安装孔1115同心，固定在机器人自主移动平台支架113的上表面；所述转向系统支撑架1110固定在转向轮车轴118上；所述转向 轮车轴118穿过转向轮轮毂轴承119与机器人自主移动平台转向系统车轮117相连；

所述两个轴承座顶盖1117一端固定在机器人自主移动平台支架113的下表面，另一端 分别与两个轴承座1120相连；所述两个轴承座1120内设有两个第二轴承1121；所述机器 人自主移动平台齿轮轴1122两端分别穿过两个第二轴承1121，与两个驱动轮轮毂轴承1119 过盈配合，安装在两个机器人自主移动平台驱动系统车轮1124上，机器人自主移动平台驱 动系统车轮1124上安装有速度传感器1123；所述机器人自主移动平台驱动电机1127固定 在机器人自主移动平台支架113的下表面，其输出齿轮轴与机器人自主移动平台齿轮轴1122 的齿轮啮合。

利用双臂采摘圆形分级机器人的采摘分级作方法业，包括以下步骤：

一、自动平稳运行。中央控制器14根据双目视觉传感器16反馈的路面信息，控制机器人自主移动平台18的运动，根据速度传感器1123和旋转编码器1126的反馈信息调整机器人自主移动平台驱动电机1127的转速和转向驱动电机1125角位移，控制机器人自主移动平台的运行速度和转向角，实现机器人平稳运行。

二、采摘作业。到达指定的采摘目的地时，双臂采摘机器人本体11及左侧的采摘机械 臂26和采摘手爪22与右侧的采摘机械臂26和推挡手爪27配合完成果实抓取任务，中央控制器14根据双目视觉传感器16反馈的成熟果实的位置信息，规划两个机械臂26的运动路径，到达目标位置后，根据三个采摘手爪手指21的采摘手指第一触觉传感器33和采摘 手指第二触觉传感器36及采摘手爪22与采摘机械臂26末端连接处的六维力传感器23的 反馈信息，控制采摘手指第二连杆驱动电机34和采摘手指第一连杆驱动电机39的输出力 矩，使采摘手抓22生成合适的抓取力；根据推挡手爪27与采摘机械臂末端连接处的六维 力传感器23的反馈信息，调整与推挡手爪27相连的采摘机械臂26各关节的输出力矩，产 生合适推挡力；从而模仿人类的采摘动作完成果实的采摘任务。

三、果实分级。采摘机械臂26和采摘手爪22将采摘后的果实放入果实传输分级收集 系统17，一般果实经由果实传输第一通道52，直接穿过果实自动分级器62经由果实传输第三通道56，果实传输第五通道59进入其中一个果实收集箱58；较大的果实经由果实传 输第一通道52到达果实自动分级器62时，被果实分级第一旋转轴77和果实分级第二旋转 轴712组成的梯形构架卡住，果实分级第一电机72和果实分级第二电机715启动，分别带 动果实分级第一旋转轴77和果实分级第二旋转轴712转动，从而果实向梯形构架开口较大 的方向移动，当果实移动到果实传输第二通道入口连接支撑装置66上方时，果实进入果实 传输第二通道55，经由果实传输第四通道57进入另一个果实收集箱58。

四、果实收集箱整理与更换。中央控制器14根据各内置旋转编码器的反馈数值，控制三 坐标移动系统总成53中两个Y₀方向移动系统驱动电机81，两个X₀方向移动系统驱动电机98， 两个Z₀方向移动系统驱动电机104的转动，使两个波纹管连接装置109分别拉动果实传输第三 通道55和果实传输第二通道56的伸缩往复运动，实现果实传输第五通道59和果实传输第四通 道57在两个果实收集箱58内的多方位运动，从而将果实按照既定位置摆放。只要任何一个果 实收集箱58转满后，采摘作业停止，机器人自主移动平台18将双臂苹果采摘分级收集机器人 运送至果实收集箱58更换点，将相应的果实收集箱Y₀方向限位挡板115抽出，更换果实收集箱 58后，再将果实收集箱Y₀方向限位挡板插入，进行新的采摘作业。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，包括自主移动平台，自主移动平台上部中心位置安装有机器人本体，机器人本体的顶部安装有双目视觉传感器机构，机器人本体前面设置有与其相配合的果实传输分级收集系统；自主移动平台上还设置有蓄电池组，蓄电池组上部安装有中央控制器，蓄电池组为机器人本体和自主移动平台上的所有电机、传感器以及中央控制器提供动力；中央控制器是整个机器人的控制中心，控制所有电器元件工作；

所述果实传输分级收集系统包括由上下两部分组成的果实传输通道，上下两部分之间设置有与其相对应的梯形果实自动分级器，上部分果实传输通道和下部分果实传输通道的上端均通过支撑装置安装于机器人本体前侧面上，梯形果实自动分级器安装于支撑装置上，下部分果实传输通道的中间安装于三坐标移动系统总成上，果实传输通道的末端延伸至设置于自主移动平台上的果实收集箱内，三坐标移动系统总成底部安装于自主移动平台上，果实收集箱对应设置于三坐标移动系统总成的门式框架下方；

所述梯形果实自动分级器包括果实分级第一支撑装置和果实分级第二支撑装置，果实分级第一支撑装置和果实分级第二支撑装置之间有间距，两个果实分级电机安装在果实分级第二支撑装置外部，果实分级电机的输出轴经联轴器与穿过果实分级第二支撑装置的旋转轴相连，旋转轴的两端分别由安装在果实分级第一、第二支撑装置上的旋转轴支撑组件支撑，两根旋转轴和位于其两端的果实分级第一、第二支撑装置共同组成一梯形结构。

2.如权利要求1所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述双目视觉传感器机构包括双目视觉传感器，双目视觉传感器通过视觉传感器支架固定在机器人本体的顶部。

3.如权利要求1所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述机器人本体包括安装在自主移动平台上的机座，机座中固定有纵向设置的机身驱动电机，机身驱动电机的输出轴竖直向上，且输出轴与机身的下端固定连接，组成转动副，驱动机身绕三维笛卡尔坐标中Z轴方向转动；机身顶部两侧分别安装有一个采摘机械臂机构。

4.如权利要求3所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，两个采摘机械臂机构均包括一个与机身相连的采摘机械臂，两个采摘机械臂的前端分别通过六维力传感器安装有采摘手爪机构和推挡手爪；

所述采摘手爪机构包括采摘手爪，采摘手爪上通过采摘手指基座对称安装有三个采摘手指；每个采摘手指均具有两个以三维笛卡尔坐标中X轴向方向为旋转轴的主动自由度，分别是采摘手指第一转动副和采摘手指第二转动副；

采摘手指具体结构包括采摘手指基座，采摘手指基座上固定有采摘手指第一连杆驱动电机，第一连杆驱动电机输出轴与采摘手指第一连杆下端固连构成采摘手指第一转动副，采摘手指第一连杆上端固定有采摘手指第二连杆驱动电机，第二连杆驱动电机输出轴与采摘手指第二连杆下端固连构成采摘手指第二转动副；采摘手指第一连杆和采摘手指第二连杆的内侧面上分别对应固定有采摘手指第一触觉传感器和采摘手指第二触觉传感器。

5.如权利要求4所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述采摘机械臂包括一个以三维笛卡尔坐标系Z轴方向为旋转轴的采摘机械臂第一转动副, 两个以三维笛卡尔坐标Y轴方向为旋转轴的主动自由度，分别是采摘机械臂第二转动副和采摘机械臂第四转动副，一个以三维笛卡尔坐标中X轴方向为旋转轴的采摘机械臂第三转动副；

所述采摘机械臂的具体结构包括一个固定在机身侧面的采摘机械臂第一驱动电机，其输出轴与采摘机械臂第二驱动电机底座固连构成采摘机械臂第一转动副；

采摘机械臂第二驱动电机固定在采摘机械臂第二驱动电机底座上，采摘机械臂第二驱动电机的输出轴与采摘机械臂第一连杆接头固连构成采摘机械臂第二转动副；

采摘机械臂第一连杆的两端分别与采摘机械臂第一连杆接头和采摘机械臂第三驱动电机底座固连；

采摘机械臂第三驱动电机固定在采摘机械臂第三驱动电机底座上，采摘机械臂第三驱动电机的输出轴与采摘机械臂第二连杆接头固连构成采摘机械臂第三转动副；

采摘机械臂第二连杆的两端分别与采摘机械臂第二连杆接头和采摘机械臂第四驱动电机底座固连；

采摘机械臂第四驱动电机固定在采摘机械臂第四驱动电机底座上，其输出轴与采摘机械臂第三连杆接头固连构成采摘机械臂第四转动副；

采摘机械臂第三连杆的一端与采摘机械臂第三连杆接头固连，另一端通过六维力传感器与采摘手爪或推挡手爪相连；

所述采摘机械臂第一、第二、第三和第四驱动电机均内置旋转编码器；

所述采摘机械臂第二、四驱动电机底座和采摘机械臂第一、第三连杆接头均呈L型结构，L型结构两端连接的两个部件分别连接在L型结构的水平部分和竖直部分上；

所述采摘机械臂第三驱动电机底座和采摘机械臂第二连杆接头均为圆柱形结构。

6.如权利要求1所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述支撑装置包括第一通道出口连接支撑环、第二通道入口连接支撑环、第三通道入口连接支撑环，安装于机器人本体前侧面上的第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，以及安装于三坐标移动系统总成上的第四通道入口支撑环和第五通道入口支撑环；

所述上部分果实传输通道为第一通道，第一通道为倒锥形螺纹管，其入口端通过第一支撑架固定在机器人本体前侧面上，出口端固定在第一通道出口连接支撑环上，第一通道出口连接支撑环通过第二支撑架固定在机器人本体前侧面上；

所述下部分果实传输通道为独立的两部分，其中一部分为上端口与第一通道出口端相对应的第三通道，第三通道下端口通过第五通道入口支撑环与第五通道上端口相连通，第五通道下端口伸入至一个果实收集箱内；另一部分包括设置于第三通道一侧的第二通道，第二通道下端口通过第四通道入口支撑环与第四通道上端口相连通，第四通道下端口伸入至另一个果实收集箱内；

所述第一通道、第二通道、第三通道、第四通道及第五通道均由波纹管构成；

所述第二、第三通道上端口分别对应固定在第二、第三通道入口连接支撑环上，第二、第三通道入口连接支撑环对称安装于第三支撑架上，第三支撑架固定在机器人本体前侧面上；

所述第三通道的长度大于第三通道入口连接支撑环到第五通道上端口之间的直线距离；所述第二通道的长度大于第二通道入口连接支撑环到第四通道上端口之间的直线距离；通过增加第二、第三通道的长度，使第二、第三通道始终处于弯曲状态，实现通道内果实的缓冲，减速，增加第二、第三通道的可达位置。

7.如权利要求6所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述果实分级电机包括果实分级第一电机和果实分级第二电机，两电机的分别安装在果实分级第一电机安装底座和果实分级第二电机安装底座上表面上，且该上表面为斜面，相对的下表面为平面，果实分级第一、第二电机安装底座均安装于机器人本体前侧面上；斜面的设置能够使电机倾斜安装，使两根旋转轴前端逐渐靠近；

所述果实分级第一支撑装置包括一平板，平板上两端前后面上分别设置有果实分级第一支撑装置底座，果实分级第一支撑装置底座分别固定连接在第二支撑架和第三支撑架上；

所述果实分级第二支撑装置呈倾倒放置的四腿凳子形状，其四条腿的末端分别固定在第二支撑架的横梁和第三支撑架的横梁上；

所述果实分级第一、第二支撑装置之间的间距足以容纳第二、第三通道入口连接支撑环于其内；位于第二、第三通道入口连接支撑环正上方区间的两根旋转轴之间距离大于等于第二、第三通道入口连接支撑环的内径，从而保证苹果从两根旋转轴落下后不被对应的第二或第三通道入口连接支撑环卡住。

8.如权利要求1所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述三坐标移动系统总成包括两组门式框架，每一组门式框架均包括上中下平行设置的三根横梁和两根竖梁，三根横梁两端分别安装于两根竖梁上，三根横梁上共同设置有横向移动系统，横向移动系统上安装有竖向移动系统，竖梁的底部固定在纵向移动系统上，纵向移动系统固定于机器人自主移动平台上；横向、纵向和竖向分别与三维笛卡尔坐标系中X轴、Y轴和Z轴相对应；

所述横向移动系统包括安装在最上面和最下面横梁前侧面上的X轴方向直线导轨，每根X轴方向直线导轨上均安装有一个X轴方向移动滑块构成直线导轨副；

中间横梁上的安装有X轴方向驱动电机，X轴方向驱动电机输出轴通过联轴器与X轴方向丝杠相连，X轴方向丝杠两端分别通过支撑组件支撑在中间横梁上，X轴方向丝杠上安装有X轴方向螺母构成丝杠螺母副；

所述竖向移动系统包括一个倒L型支撑板，所述支撑板侧板背面分别与两个X轴方向移动滑块和X轴方向螺母固定连接；所述支撑板的顶板上安装有Z轴方向驱动电机，Z轴方向驱动电机的输出轴穿过顶板通过联轴器与Z轴方向丝杠相连，Z轴方向丝杠的两端分别通过Z轴方向支撑组件固定于支撑板侧板前面，Z轴方向丝杠两侧对称设置有固定于所述支撑板上的Z轴方向直线导轨，每根Z轴方向直线导轨上均安装有一个Z轴方向滑块构成直线导轨副，Z轴方向丝杠上安装有与两个Z轴方向滑块均固定连接Z轴方向螺母，Z轴方向丝杠与Z轴方向螺母构成丝杠螺母副；

所述第四通道入口支撑环和第五通道入口支撑环对应固定于Z轴方向螺母上；

所述纵向移动系统包括与竖梁底部固定连接的Y轴方向滑块，Y轴方向滑块安装于Y轴方向直线导轨上构成直线导轨副，门式框架的其中一根竖梁底部外侧面上安装有Y轴方向驱动电机，Y轴方向驱动电机所在竖梁底部外侧安装有一根与Y轴方向直线导轨平行的齿条，Y轴方向驱动电机的输出齿轮轴上的齿轮与所述齿条啮合；Y轴方向直线导轨和齿条均固定于机器人自主移动平台上。

9.如权利要求1所述的双臂苹果采摘梯形分级收集机器人，其特征是，所述机器人自主移动平台包括板状支架，板状支架下部前端和后端分别安装有转向系统和驱动系统；与转向系统所对应的板状支架上部安装有蓄电池组支撑平台，蓄电池组支撑平台上安装有蓄电池组，蓄电池组上部设置有隔热板，隔热板上固定有中央控制器；与驱动系统相对应的板状支架上表面上安装有果实收集箱限位挡板；

所述转向系统包括安装在转向支撑架上的转向轮，转向支撑架上端固定安装有转向轴，转向轴上由上至下依次安装有转向轴承和转向从动齿轮，转向轴承通过转向轴承座的法兰盘安装于板状支架下表面上，转向从动齿轮与安装于板状支架上的转向电机的输出齿轮轴上的齿轮啮合；所述转向电机上设有旋转编码器；

所述驱动系统包括安装在驱动齿轮轴两端的驱动车轮，驱动齿轮轴上安装有两个驱动轴承，驱动轴承安装于驱动轴承座内，驱动轴承座与固定在板状支架下表面上的轴承座顶盖固定连接；驱动齿轮轴中部的齿轮与安装于板状支架下表面的驱动电机的输出齿轮轴上的齿轮啮合；驱动车轮上安装有速度传感器。

10.一种双臂采摘梯形分级机器人采摘分级作业方法，包括以下步骤：

1）自动平稳运行；中央控制器根据双目视觉传感器反馈的路面信息，控制机器人自主移动平台的运动，根据速度传感器和旋转编码器的反馈信息调整机器人自主移动平台驱动电机的转速和转向电机角位移，控制机器人自主移动平台的运行速度和转向角，实现机器人平稳运行；

2）采摘作业；到达指定的采摘目的地时，双臂采摘机器人本体及左侧的采摘机械臂和采摘手爪与右侧的采摘机械臂和推挡手爪配合完成果实抓取任务，中央控制器根据双目视觉传感器反馈的成熟果实的位置信息，规划两个机械臂的运动路径，到达目标位置后，根据三个采摘手爪手指的采摘手指第一触觉传感器和采摘手指第二触觉传感器及采摘手爪与采摘机械臂末端连接处的六维力传感器的反馈信息，控制采摘手指第二连杆驱动电机和采摘手指第一连杆驱动电机的输出力矩，使采摘手爪生成合适的抓取力；根据推挡手爪与采摘机械臂末端连接处的六维力传感器的反馈信息，调整与推挡手爪相连的采摘机械臂各关节的输出力矩，产生合适推挡力；从而模仿人类的采摘动作完成果实的采摘任务；

3）采摘机械臂和采摘手爪将采摘后的果实放入果实传输分级收集系统，一般果实经由第一通道，直接穿过梯形果实自动分级器经由第三通道、第五通道进入与其相对应的一个果实收集箱内；较大的果实经由第一通道到达梯形果实自动分级器时，被果实分级器的梯形结构卡住，果实分级电机启动，带动果实分级旋转轴转动，同步带动果实向梯形结构开口较大的方向移动，当果实移动到果实传输第二通道入口连接支撑环上方时，果实进入第二通道，经第四通道进入另一个果实收集箱；

4）果实收集箱整理与更换；中央控制器根据各内置旋转编码器的反馈数值，控制三坐标移动系统总成中两个Y轴方向驱动电机，两个X轴方向驱动电机，两个Z轴方向驱动电机的转动，分别拉动第三通道和第二通道伸缩往复运动，实现第五通道和第四通道在两个果实收集箱内的多方位运动，从而将果实按照既定位置摆放；只要任何一个果实收集箱收集满后，采摘作业停止，中央控制器控制机器人自主移动平台将双臂苹果采摘分级收集机器人运送至果实收集箱更换点，更换果实收集箱后，进行新的采摘作业。