CN109952865A - 一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，包括采摘作业模块和分级作业模块；采摘作业模块包括第一移动平台，第一移动平台上对称设置四个采摘机械臂，第一移动平台前部设置视觉识别系统，中部设置控制单元，后部设置采后卸果装置；分级作业模块包括第二移动平台，第二移动平台前部设置输送分级装置，输送分级装置上部设置视觉检测箱，后部设置第一集果箱与第二集果箱；作业状态下，分级作业模块跟随采摘作业模块配合完成采摘分级任务，非作业状态下分离，均可独立移动。该发明提出的模块化机器人可在田间配合完成猕猴桃果实的采摘分级，每个模块体积小、转弯灵活，适应狭窄地形。
Description
技术领域
本发明涉及一种农业采摘机器人技术领域，尤其涉及一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人。
背景技术
中国猕猴桃种植面积居世界第一，但猕猴桃主要依靠人工采摘，成本较高；而且猕猴桃未经分级，无法提升其附加价值；农户收入低，无法形成产业优势。
中国专利CN103448061A公开了一种猕猴桃果实末端执行器，包括夹持机构、旋转采摘机构、接近机构、传感器系统以及控制系统。通过两个弧面手指夹持果实，然后旋转采摘机构采用减速步进电机带动夹紧机构旋转实现果柄与果实分离。
中国专利CN108142102A公开了一种猕猴桃四臂采摘机器人及四区域协同逆时针作业方法，是由移动平台、视觉识别系统、万向轮、控制单元、三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂、一号机械臂、末端执行器、果实收集筐、补光灯组成的，所述三号机械臂、二号机械臂、四号机械臂、一号机械臂安装在移动平台上，成矩形分布，所述四只机械臂末端均安装末端执行器。
现有技术中的末端执行器和猕猴桃四臂采摘机器人减轻了人工采摘的负担，但缺少采后卸果装置，易造成损伤，且无法对采后猕猴桃进行分级。目前市面上的一体式水果采摘分级机器人往往体积较大，不适合中国猕猴桃果园密集的种植模式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，该发明设置有采摘作业模块和分级作业模块两个独立移动的部分，采摘作业模块完成猕猴桃采摘、卸果；输送至分级作业模块后，分级作业模块依据猕猴桃果实大小及是否损伤进行分级装箱。该发明提出的模块化机器人可在田间配合完成猕猴桃果实的采摘分级，每个模块体积小、转弯灵活，适应狭窄地形。
为实现上述目的，本发明提供一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，包括采摘作业模块和分级作业模块，其特征在于，所述采摘作业模块包括第一移动平台，第一移动平台上对称设置四个采摘机械臂，第一移动平台前部设置视觉识别系统，中部设置控制单元，后部设置采后卸果装置；所述分级作业模块包括第二移动平台，第二移动平台前部设置输送分级装置，输送分级装置上部设置视觉检测箱，后部设置第一集果箱与第二集果箱。作业状态下，分级作业模块跟随采摘作业模块，配合完成采摘分级任务；非作业状态下分离，均可独立移动。
所述采摘机械臂包括支撑底座，支撑底座通过仿生肩关节与大臂连接，大臂通过仿生肘关节与小臂连接，小臂末端设置仿生腕关节与末端执行器连接。
所述采后卸果装置包括第一机架，设置在第一机架上部的卸果斜面，卸果斜面的坡度为0.57大于猕猴桃果实滚动摩擦系数，设置在第一机架后部的防堵橡胶轮承接从卸果斜面滚落的猕猴桃果实，第一步进电机驱动防堵橡胶轮绕轴转动，防止猕猴桃果实堵塞。
所述输送分级装置包括第二机架，第二机架上设置由第三步进电机驱动的传送带自前向后运动，第二机架前部的过渡板一侧与第二机架铰接，过渡板在第二步进电机驱动下绕轴转动，中部设置单列排序曲面，后部设置舵机支撑座，舵机支撑座安装舵机，由舵机驱动分类挡板转动。
所述视觉检测箱包括箱体，悬架，悬架中部设置kinect相机，kinect相机用于获取猕猴桃果实大小特征信息，悬架两侧对称设置光源与CCD相机，CCD相机用于获取猕猴桃外观特征信息。
作为本发明的进一步优化，第一移动平台和第二移动平台均以履带结构作为行走机构，均为电动移动平台，相互独立，也可协同作业。
作为本发明的进一步优化，作业状态下过渡板打开，连接前方的采摘作业模块，承接从采后卸果装置滚落的猕猴桃果实，送入输送分级装置；非作业状态下过渡板收起。
本发明的优势如下所示。
（1）本发明通过采摘作业模块与分级作业模块的配合，可在田间自动完成猕猴桃果实的采摘分级，节约了人力成本。
（2）非作业状态下采摘作业模块与分级作业模块分离，可独立移动、体积小、转弯灵活，适应狭窄地形。
（3）在田间依据猕猴桃果实大小和是否损伤进行分级，提高猕猴桃果实的附加价值，增加果农收益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为采摘机械臂结构示意图。
图3为采后卸果装置结构示意图。
图4为采后卸果装置正剖视图。
图5为输送分级装置结构示意图。
图6为猕猴桃果实输送分级示意图。
图7为视觉检测箱结构示意图。
【附图标记】
A、采摘作业模块；B、分级作业模块；1、第一移动平台；2、控制单元；3、视觉识别系统；4、采摘机械臂；401、支撑底座；402、大臂；403、小臂；404、末端执行器；405、仿生腕关节；406、仿生肘关节；407、仿生肩关节；5、采后卸果装置；501、第一步进电机；502、第一机架；503、卸果斜面；504、防堵橡胶轮；6、输送分级装置；601、第二机架；602、第二步进电机；603、过渡板；604、传送带；605、第三步进电机；606、舵机；607、舵机支撑座；608、分类挡板；609、单列排序曲面；7、视觉检测箱；701、箱体；702、悬架；703、kinect相机；704、CCD相机；705、光源；8、第一集果箱；9、第二集果箱；10、第二移动平台；11、猕猴桃果实。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在对本发明说明之前，需要定义的是，本发明所述方位词，如前部是以采摘作业模块中视觉识别系统所在方向，后部为采后卸果装置所在方向。
如图1所示：执行采摘分级作业任务时，采摘作业模块A先进入猕猴桃果园，分级作业模块B跟随采摘作业模块A进入并调整位置。采摘作业模块A前部视觉识别系统3与控制单元2通过部署深度学习目标检测算法，竖直向上实时识别猕猴桃果实，当第一次识别到猕猴桃果实信息时，第一移动平台1停止，第二移动平台10接受来自控制单元2的信号，并调整距离使得输送分级装置6与采后卸果装置5相配合后停止。当第一移动平台1和第二移动平台10停止移动后，控制单元2将视觉识别系统3获取的猕猴桃果实三维坐标信息平均分配给四个采摘机械臂4进行采摘作业。采摘后的猕猴桃果实通过采后卸果装置5到达输送分级装置6，通过视觉检测箱7将猕猴桃果实分为一级果与二级果，一级果装入第一集果箱8，二级果装入第二集果箱9，在田间完成猕猴桃果实的采摘分级。
如图1与图2所示：采摘机械臂4获取猕猴桃果实三维坐标信息后，通过控制仿生肩关节407与仿生肘关节406使大臂402和小臂403到达指定位置，最终通过仿生腕关节405与末端执行器404抓取猕猴桃果实，实现采摘。每个采摘机械臂4完成一次采摘动作后，通过复位使小臂403末端到达采后卸果装置5上方，末端执行器404取消对猕猴桃果实的夹持，将其送入采后卸果装置5。
如图3与图4所示：采后卸果装置5上方卸果斜面503使采摘后的猕猴桃果实滚落至防堵橡胶轮504，第一步进电机501驱动防堵橡胶轮504绕轴转动，防止猕猴桃果实堵塞。通过采后卸果装置5，猕猴桃果实离开采摘作业模块A，准备进入分级作业模块B。
如图5与图6所示：猕猴桃果实11经过渡板603进入分级作业模块B。由第三步进电机605驱动传送带604，将猕猴桃果实11自前向后输送。经过单列排序曲面609将猕猴桃果实11排成一列，依次送入视觉检测箱7，通过检测猕猴桃果实11大小及是否损伤对其进行分级。非作业状态下，过渡板603在第二步进电机602驱动下绕轴转动，将其收起。
如图7所示：由两侧光源705提供稳定光照，通过kinect相机703获取猕猴桃果实投影面积大小及高度，投影面积大小与高度的乘积为猕猴桃果实大小的判定依据，通过试验确定其阈值，大于阈值的被判定为一级果，小于阈值的被判定为二级果；通过两侧CCD相机704从两个不同角度对猕猴桃果实是否存在表面损伤进行判断，利用颜色特征与边缘特征对猕猴桃果实图像进行损伤特征提取，无损伤的被判定为一级果，存在损伤的被判定为二级果。
如图1与图6所示：每个经过视觉检测箱7的果实会被打上0或1的标签信号，0代表一级果，1代表二级果，利用标签信号控制舵机606。当标签信号为0时，舵机606驱动分类挡板608，将猕猴桃果实输送至第一集果箱8，当标签信号为1时，猕猴桃果实被输送至第二集果箱9。第一集果箱8存放优质的一级果，第二集果箱9存放有表面损伤或较小的二级果。至此，完成猕猴桃果实的田间分级。
完成一轮采摘分级作业任务后，采摘作业模块A向前移动1.5米后停止，分级作业模块B前进相同的距离，并与其配合完成下一轮采摘分级任务。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，包括采摘作业模块（A）和分级作业模块（B），其特征在于，所述采摘作业模块（A）包括第一移动平台（1），第一移动平台（1）上对称设置四个采摘机械臂（4），第一移动平台（1）前部设置视觉识别系统（3），中部设置控制单元（2），后部设置采后卸果装置（5）；所述分级作业模块（B）包括第二移动平台（10），第二移动平台（10）前部设置输送分级装置（6），输送分级装置上部设置视觉检测箱（7），后部设置第一集果箱（8）与第二集果箱（9）。
2.根据权利要求1所述猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，其特征在于，采后卸果装置（5）包括第一机架（502），设置在第一机架（502）上部的卸果斜面（503），卸果斜面（503）的坡度为0.57大于猕猴桃果实滚动摩擦系数，设置在第一机架（502）后部的防堵橡胶轮（504）承接从卸果斜面（503）滚落的猕猴桃果实，第一步进电机（501）驱动防堵橡胶轮（504）绕轴转动，防止猕猴桃果实堵塞。
3.根据权利要求1所述猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，其特征在于，输送分级装置（6）包括第二机架（601），第二机架（601）上设置由第三步进电机（605）驱动的传送带（604）自前向后运动，第二机架（601）前部设置的过渡板（603）一侧与第二机架（601）铰接，过渡板（603）在第二步进电机（602）驱动下绕轴转动，中部设置单列排序曲面（609），后部设置舵机支撑座（607），舵机支撑座（607）安装舵机（606），由舵机（606）驱动分类挡板（608）转动。
4.根据权利要求1所述猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，其特征在于，视觉检测箱（7）包括箱体（701），悬架（702），悬架（702）中部设置kinect相机（703），kinect相机（703）用于获取猕猴桃果实大小特征信息，悬架（702）两侧对称设置光源（705）与CCD相机（704），CCD相机（704）用于获取猕猴桃外观特征信息。
5.根据权利要求1所述猕猴桃田间采摘分级模块化机器人，其特征在于，第一移动平台（1）和第二移动平台（10）均以履带结构作为行走机构，均为电动移动平台，相互独立，也可协同作业。
6.根据权利要求3所述输送分级装置，其特征在于，作业状态下过渡板（603）打开，连接前方的采摘作业模块（A），承接从采后卸果装置（5）滚落的猕猴桃果实，送入输送分级装置（6）；非作业状态下过渡板（603）收起。
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