CN109804787A - 一种多臂型采收机器人及其采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多臂型采收机器人及其采摘方法，所述多臂型采收机器人由采收系统与底盘系统组成。采收系统搭载在底盘系统上，完成果园内果实的采摘任务。所述采收系统由采摘机械臂组、工作平台、果实收存装置组成：采摘机械臂组实现多工位，分层、分块采摘任务；果实采收装置完成果实的收藏任务，提出基于“多个小脑+一个大脑”边缘计算的分层分块采摘策略，采摘效率高，干涉小。本发明中每个机械臂分层布置,协调工作,每个机械臂均可以独立完成柚子的采摘、除袋、收藏、清理、运送等一体化动作，实现多工位采摘任务。
Description
技术领域
本发明涉及农业采摘领域，尤其涉及一种多臂型采收机器人及其采摘方法。
背景技术
果实采摘作业是农业生产中最耗时、最费力的一个环节、属于劳动密集型的工作，特别是水果的采摘作业几乎都是人工进行的，其投入的劳动力约占整个果蔬种植环节中劳动力的投入的50%~70%。随着生活质量的不断提高，人们对于果蔬的要求越来越高，果蔬成熟后需要及时采摘，这不仅对工人提出更高要求，增加了劳动强度，人工采摘还有可能出现危险。即使是在农业中部分可以实现机械化，发达国家更是在设施农业达到高度自动化，但采摘环节依然是靠大量人工来完成。随着计算机图像处理、物联网、机械设计、控制科学和机器学习的发展,自动化、智能化的采摘机器人进入农业生产成为可能。无论是从社会的发展，人工成本的不断提高，还是从技术的不断进步，研究开发采摘机器人势在必行。
随着机器人技术越来越多地应用于农业领域，多种采摘机器人也在农业采摘期起到了不可或缺的作用。但是在现在的发展情况下，大多数采摘机器人采用的是单个机械臂和单个末端执行器来进行农业工作，工作效率不高。
发明内容
针对上述的问题和不足，本发明的目的在于提供一种新型的多臂型采收机器人及其采摘方法。此种机构在采摘平台上搭载了多个采摘机械臂，在采摘方法上采用独立、协同控制的方法，可大幅度提高采摘作业的工作效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多臂型采收机器人，包括采收系统与底盘系统,所述采收系统搭载在所述底盘系统上，所述采收系统包括采摘机械臂组、工作平台、果实收存装置,所述采摘机械臂组包括分别设置有四个机械臂的上层采摘机械臂组和下层采摘机械臂组，所述上层采摘机械臂组和下层采摘机械臂组分别安装在工作平台的顶面与侧面，各机械臂独立控制，所述果实收存装置安装在采摘机械臂组下端，包括相连接的果实储存装置与果实收集装置。
进一步地，搭载在工作平台顶面的上层采摘机械臂组采用垂直安装的方法；安装在工作平台侧面的下层采摘机械臂组，采用水平安装的方法。
进一步地，所述工作平台安装有可双向滑动的导轨滑块机构，所述的在工作平台顶部的采摘机械臂分别安装在所述导轨滑块机构上，可调节各采摘机械臂与采摘树木之间的距离。
进一步地，所述的工作平台朝向采摘树木的两侧的边框设置为凹陷型结构，可拉近采摘树木与工作平台的距离。
进一步地，所述的果实收集装置与果实储存装置安装在采摘机械臂组的下端两侧,所述的收集装置盘旋向下布置，倾角大于度，所述采摘机械臂组采摘果实后将果实放置于果实收集装置的凹槽内，果实因重力因素滚入果实储存装置中。
一种多臂型采收机器人的采摘方法，该方法采用边缘计算技术实现各机械臂的独立控制和各机械臂之间的协同工作而不发生干涉，通过分层布置的机械臂组实现分层、分块采摘；所述的采摘机械臂组中，四个机械臂采摘机构为一组，每组采摘一棵指定树木的果实，在同一时间两组采摘机构同时工作，第一机械臂、第二机械臂、第五采摘机械臂、第六采摘机械臂采摘一侧的树木果实，第三采摘机械臂、第四采摘机械臂、第七采摘机械臂、第八采摘机械臂采摘另一侧的树木果实，可同时采摘两棵树木的果实；分别对将要采摘的树木带有果实的部分进行划分，各分为四个区域A、B、C、D，这四个区域按照四个机械臂的放置方法来划定，根据现有的一组四个机械臂采摘机构的放置方案，分别将树木有果实的区域按照左上为A区，右上为B区，左下为C区，右下为D区划分；每个机械臂只采摘自己分区内的果实，即第二机械臂和第四采摘机械臂分别采摘两棵果树A区的果实；第一机械臂和第三采摘机械臂分别采摘两棵果树B区的果实；第六采摘机械臂和第八采摘机械臂分别采摘两棵果树C区的果实；第五采摘机械臂和第七采摘机械臂分别采摘两棵果树D区的果实，八个区的采摘工作同时进行。
本方法采用“多个小脑+一个大脑”的采摘方法，每个机械臂自带控制器实现独立控制，即多个小脑的独立控制，机械臂组分层布置实现分层，分块采摘；多臂型采收机器人的总控制中心即大脑协调各个机械臂，保证各个机械臂可以协同工作而不发生干涉。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
1多机械臂同时工作，且可同时采摘两棵树木，可大幅度提高工作效率，缩短了采摘时间。
2多机械臂对树木实现包裹性采集，采摘效益高，防止错漏果实。
3每个机械臂独立、协同控制，互不干涉。
4采摘后即刻收集果实，重心集中，运送方便。
附图说明
图1为本发明中多臂型采摘机器人的示意图。
图2为本发明中多臂型采摘机器人的正视图。
图3为本发明中工作平台凹陷处的俯视图。
图4为本发明中树木的分区示意图。
图中所示为：1-上层采摘机械臂组；101-第一采摘机械臂；102-第二采摘机械臂；103-第三采摘机械臂；104-第四采摘机械臂；2-下层采摘机械臂组；201-第五采摘机械臂；202-第六采摘机械臂；203-第七采摘机械臂；204-第八采摘机械臂；3-导轨滑块机构；4-果实收集装置；5-果实储存装置；6-工作平台；7-底盘系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
实施例
如图1至图2所示，一种多臂型采收机器人，包括采摘机械臂系统与底盘系统 7 ，采摘机械臂系统包括采摘机械臂群组、工作平台6、果实收存装置,所述采摘机械臂群组包括各设置有四个机械臂的上层采摘机械臂群组1和下层采摘机械臂群组2,所述的工作平台6之上安装有导轨滑块机构3，搭载上层采摘机械臂群组1，所述果实收存装置安装在采摘机械臂组下端，包括相连接的果实储存装置5与果实收集装置4。上层采摘机械臂群组1采用垂直安装的方法；下层采摘机械臂群组1安装在工作平台6侧面，采用水平安装的方法。
具体而言，所述的上层采摘机械臂群组1中各个机械臂在工作平台6的安装位置有一定的距离，上层采摘机械臂群组1与下层采摘机械臂群组2的各个机械臂在采摘工作时同时独立工作，互相不干涉。
其中，所述的上层采摘机械臂群组1包括两组相隔一定距离地对称设置在所述工作平台6顶部的采摘机械臂，共计四个采摘机械臂，分别是：第一采摘机械臂101、第二采摘机械臂102、第三采摘机械臂103、第四采摘机械臂104；所述下层采摘机械臂群组2包括两组对称设置在所述工作平台6侧面的采摘机械臂，共计四个采摘机械臂，分别是：第五采摘机械臂201、第六采摘机械臂202、第七采摘机械臂203、第八采摘机械臂204，可以使下层的采摘机械臂与树木侧面的果实的距离更加贴近。
具体而言，所述工作平台6有滑动机构使其长度发生变化，工作平台6顶部设置有可双向滑动的导轨滑块机构3，所述的在工作平台6顶部的采摘机械臂分别设置在所述导轨滑块机构3上，用于调节各采摘机械臂与采摘树木之间的距离，可增加其对采摘树木的包容性。
其中，所述工作平台6顶部设置有两组可双向滑动的导轨滑块机构3，所述的第一采摘机械臂101、第二采摘机械臂102、第三采摘机械臂103、第四采摘机械臂104采用垂直安装的方式分别方式对称设置在设置在所述导轨滑块机构3上，其中，第二采摘机械臂102、第三采摘机械臂103可以沿同一导轨直线往复移动，所述的第一采摘机械臂101和第四采摘机械臂104可以沿同一导轨直线往复移动，通过移动导轨滑块机构3可调节各采摘机械臂与采摘树木之间的距离，实现上层的四个采摘机械臂相对于采摘的树木远近方向的移动，为其提供与树木距离远近可变的自由度，使其在采摘时对目标树木的机械臂包围位置可变，增强其对目标树木的采摘包裹性。
具体而言，所述的工作平台6朝向采摘树木的一侧的边框设置为凹陷型，可拉近采摘树木与工作平台6的距离，特别是下层采摘机械臂群组2与树木的距离，在采摘的过程中八个采摘机械臂对目标树木呈包容形状，增强机构对目标树木的采摘包裹性。
具体而言，所述的果实收集装置4与果实储存装置5安装在采摘机械臂系统的下端,采摘机械臂系统采摘果实后将果实放置于果实收集装置4的凹槽内，因重力因素滚入果实储存装置5中，可提高果实收集的方便性。
所述底盘系统7带动采摘结构到达两棵指定的采摘树木中间时，采摘机构开始工作。通过调节导轨滑块机构3相对于机器人的位置，使得上层的四个采摘机械臂相对于采摘的树木远近方向的移动，这样在采摘树冠半径不同的果实时有更好的灵活性，保证采摘机械臂与树木不干涉，也保证采摘机械臂可以采撷到果实，为其提供与树木距离远近可变的自由度，使其在采摘时对目标树木的采摘机械臂包围位置可变，对树木形成包裹和包容的采摘，增强其对目标树木的包裹性，从而使将整个树木的果实范围都容于采摘机构的能力范围之内。
上述的多臂型采收机器人中，位于上下层的八个采摘机械臂中，四个采摘机械臂为一组，共分为两组，每组采摘一棵指定树木的果实，在同一时间两组采摘机械臂同时工作，可同时采摘两棵树木的果实。
本实施例中，所述果实储存装置5与果实收集装置4安装在工作平台6底部侧面，采摘机械臂采撷到果实后可及时和顺利地将果实放入果实收集装置4并滚入所述果实储存装置5中，然后积攒到一定程度时工人可集中收集果实，一次收集多个果实。
一种多臂型采收机器人的采摘方法，该方法采用边缘计算技术实现各机械臂的独立控制和各机械臂之间的协同工作而不发生干涉，通过分层布置的机械臂组实现分层、分块采摘；所述的采摘机械臂组中，四个机械臂采摘机构为一组，每组采摘一棵指定树木的果实，在同一时间两组采摘机构同时工作，第一机械臂101、第二机械臂102、第五采摘机械臂201、第六采摘机械臂202采摘一侧的树木果实，第三采摘机械臂103、第四采摘机械臂104、第七采摘机械臂203、第八采摘机械臂204采摘另一侧的树木果实，可同时采摘两棵树木的果实；分别对将要采摘的树木带有果实的部分进行划分，各分为四个区域A、B、C、D，这四个区域按照四个机械臂的放置方法来划定，根据现有的一组四个机械臂采摘机构的放置方案，分别将树木有果实的区域按照左上为A区，右上为B区，左下为C区，右下为D区划分；每个机械臂只采摘自己分区内的果实，即第二机械臂102和第四采摘机械臂104分别采摘两棵果树A区的果实；第一机械臂101和第三采摘机械臂103分别采摘两棵果树B区的果实；第六采摘机械臂202和第八采摘机械臂204分别采摘两棵果树C区的果实；第五采摘机械臂201和第七采摘机械臂203分别采摘两棵果树D区的果实，八个区的采摘工作同时进行。
本实施例采用“多个小脑+一个大脑”的采摘方法，每个机械臂自带控制器实现独立控制，即多个小脑的独立控制，机械臂组分层布置实现分层，分块采摘；多臂型采收机器人的总控制中心即大脑协调各个机械臂，保证各个机械臂可以协同工作而不发生干涉。可以看出，本实施例的各采摘机械臂采用六自由度仿生机械臂，多臂型采摘机器人结构在同一时间两组采摘机械臂可同时工作，所述第一采摘机械臂101、第二采摘机械臂102、第五采摘机械臂201、第六采摘机械臂202采摘一侧的树木果实；所述第三采摘机械臂103、第四采摘机械臂104、第七采摘机械臂203、第八采摘机械臂204采摘另一侧的树木果实，同时采摘两棵树木的果实。
综上所述，本发明的上述实施例中，多臂型采摘机器人利用基于分块分层多工位采摘方法来提高采摘效率，采收装备由仿生多臂式机器人组成，模仿章鱼的动作，基于边缘计算技术，实现多工位，分层、分块采摘，采摘效率高、不干涉。且每个采摘机械臂独立完成果实的采摘、除袋、收藏、清理、运送等一体化动作，适用于各种果实的采摘收集，且效率高，运送快捷。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多臂型采收机器人，其特征在于：包括采收系统与底盘系统( 7 )，所述采收系统搭载在所述底盘系统( 7 )上，所述采收系统包括采摘机械臂组、工作平台(6)、果实收存装置,所述采摘机械臂组包括设有分别设置有四个机械臂的上层采摘机械臂组（1）和下层采摘机械臂组（2），所述上层采摘机械臂组（1）和下层采摘机械臂组（2）分别安装在工作平台的顶面与侧面，各机械臂独立控制，所述果实收存装置安装在采摘机械臂组下端，包括相连接的果实储存装置(5)与果实收集装置（4）。
2.根据权利要求1所述的一种多臂型采收机器人，其特征在于：搭载在工作平台顶面的上层采摘机械臂组（1）采用垂直安装的方法；安装在工作平台侧面的下层采摘机械臂组（2），采用水平安装的方法。
3.根据权利要求1所述的一种多臂型采收机器人，其特征在于：所述工作平台（6）安装有可双向滑动的导轨滑块机构（3），所述的在工作平台（6）顶部的采摘机械臂分别安装在所述导轨滑块机构（3）上，可调节各采摘机械臂与采摘树木之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种多臂型采收机器人，其特征在于：所述的工作平台（6）朝向采摘树木的两侧的边框设置为凹陷型结构，可拉近采摘树木与工作平台（6）的距离。
5.根据权利要求1所述的一种多臂型采收机器人，果实收集装置其特征在于：所述的果实收集装置（4）与果实储存装置（5）安装在采摘机械臂组的下端两侧,所述的收集装置（4）盘旋向下布置，倾角大于20度，所述采摘机械臂组采摘果实后将果实放置于果实收集装置（4）的凹槽内，果实因重力因素滚入果实储存装置（5）中。
6.一种多臂型采收机器人的采摘方法，其特征在于：该方法采用边缘计算技术实现各机械臂的独立控制和各机械臂之间的协同工作而不发生干涉，通过分层布置的机械臂组实现分层、分块采摘；所述的采摘机械臂组中，四个机械臂采摘机构为一组，每组采摘一棵指定树木的果实，在同一时间两组采摘机构同时工作，第一机械臂（101）、第二机械臂（102）、第五采摘机械臂（201）、第六采摘机械臂（202）采摘一侧的树木果实，第三采摘机械臂（103）、第四采摘机械臂（104）、第七采摘机械臂（203）、第八采摘机械臂（204）采摘另一侧的树木果实，可同时采摘两棵树木的果实；分别对将要采摘的树木带有果实的部分进行划分，各分为四个区域A、B、C、D，这四个区域按照四个机械臂的放置方法来划定，根据现有的一组四个机械臂采摘机构的放置方案，分别将树木有果实的区域按照左上为A区，右上为B区，左下为C区，右下为D区划分；每个机械臂只采摘自己分区内的果实，即第二机械臂（102）和第四采摘机械臂（104）分别采摘两棵果树A区的果实；第一机械臂（101）和第三采摘机械臂（103）分别采摘两棵果树B区的果实；第六采摘机械臂（202）和第八采摘机械臂（204）分别采摘两棵果树C区的果实；第五采摘机械臂（201）和第七采摘机械臂（203）分别采摘两棵果树D区的果实，八个区的采摘工作同时进行。
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