CN110089350A - 一种蘑菇采摘机器人系统及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蘑菇采摘机器人系统，该系统包括3D视觉模块和采摘机器人，3D视觉模块包括3D视觉照相机、照明单元、图像采集单元和图像处理单元，采摘机器人包括依次连接的运动控制器、关节驱动器和机械臂，运动控制器与图像处理单元连接，机械臂设有采摘吸盘；本发明还公开了一种采摘方法，该方法应用蘑菇采摘机器人系统，包括步骤：3D视觉模块确定了蘑菇的尺寸及位置后，采摘机器人根据3D视觉模块提供的信息调整机械臂，使采摘吸盘伸向并吸住蘑菇，根据需要对蘑菇施加弯曲和扭转动作完成采摘，并将采摘的蘑菇按尺寸大小分类放在不同的篮子里。与现有技术相比，本发明降低了人工采摘的成本和劳动强度，保证了采摘质量，提高了采摘效率。

Description

一种蘑菇采摘机器人系统及采摘方法

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其是涉及一种蘑菇采摘机器人系统及采摘方法。

背景技术

随着计算机与智能控制技术的快速发展，农业机械将迈入高度自动化和智能化的时期。智能机器人将逐步渗透到农业生产中，在现代农业生产过程中，智能机器人的使用将会成为衡量农业技术水平的重要标志。在蘑菇生产作业过程中，收获采摘约占整个作业量的40％。采摘作业质量的好坏直接影响到蘑菇的存储、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。由于采摘作业的复杂性，目前国内蘑菇采摘作业还是手工完成，尤其在温室环境，工作环境差，收获作业劳动强度大，因此研究蘑菇采摘机器人具有重要意义。蘑菇采摘机器人的首要任务是识别和定位目标，以便为机器人提供可靠的运动参数，并最终完成蘑菇的采摘。视觉部分信息处理直接关系到最终采摘机器人的执行精度和采摘效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蘑菇采摘机器人系统及采摘方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种蘑菇采摘机器人系统，包括：

3D视觉模块：用于采集蘑菇图像并进行实时处理，获取采摘目标的位置、体积和距离，所述的3D视觉模块包括：

3D视觉照相机，用于对采摘目标进行拍摄；

图像采集单元，与3D视觉照相机连接，用于将拍摄的图像转换成数字信号；

图像处理单元，与图像采集单元连接，用于对存储的图像进行处理，获取采摘目标的位置、体积和距离信息；

照明单元，用于提供人工光照环境，提高图像拍摄的质量；

采摘机器人：与3D视觉模块连接，用于根据采摘目标的位置、体积和距离信息进行采摘目标的抓取与分类，所述的采摘机器人包括：

运动控制器，与图像处理单元连接，用于根据采摘目标的位置、体积和距离信息进行轨迹规划，并下发运动指令；

关节驱动器，与运动控制器连接，用于根据运动指令，带动执行机构实现采摘目标的抓取和分离动作；

执行机构，与关节驱动器连接，用于执行采摘动作，所述的执行机构包括六自由度结构的机械臂。

优选地，所述的机械臂包括依次连接的基座、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手腕，所述的基座为旋转基座，所述的肩关节为俯仰肩关节，所述的肘关节为俯仰旋转肘关节，所述的腕关节为俯仰旋转腕关节。

优选地，所述的机械手的手腕末端设有用以吸住蘑菇的采摘吸盘。

优选地，所述的采摘吸盘为真空吸盘。

优选地，所述的照明单元包括LED灯。

优选地，所述的图像处理单元为处理器。

优选地，所述的图像采集单元为图像采集卡。

优选地，所述的采摘机器人还包括与机械臂连接的电控柜，所述的运动控制器和关节驱动器设于电控柜内。

一种采摘方法，该方法应用蘑菇采摘机器人系统，包括以下步骤：

1)将需要采摘的蘑菇的培养基运至采摘机器人系统的采摘范围内，或将蘑菇采摘机器人系统移动至蘑菇的培养基处，启动蘑菇采摘机器人系统；

2)3D视觉照相机对采摘范围内的蘑菇进行拍摄，获取蘑菇图像；

3)图像采集单元将蘑菇图像信息转换成数字信息；

4)根据数字信息，利用图像处理单元判断视场中蘑菇的数量、位置和尺寸，以获取蘑菇抓取点到3D视觉模块坐标原点的坐标；

5)按一定顺序确定一个抓取点目标作为当前采摘对象，并由3D视觉模块坐标原点与采摘机器人原点的相对位置关系，获取与采摘机器人对应的抓取目标的位置信息，发送至采摘机器人的运动控制器；

6)运动控制器对获取的蘑菇尺寸和位置信息进行顺序排列和轨迹规划，获取各关节的最佳运动参数后，引导机械臂抓取采摘，机械臂利用采摘吸盘吸住蘑菇，施加弯曲和扭转动作，使蘑菇从培养基上脱落，并依据设定尺寸标准将蘑菇分类放置在不同的篮子里；

7)重复步骤2)～步骤6)，对采摘范围内的多个目标进行连续采摘，直至无对应抓取点时，重新执行步骤1)；本次采摘周期中，蘑菇的培养基中未达到采摘尺寸标准的蘑菇于下一个采摘周期进行重复采摘。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明的蘑菇采摘机器人系统将3D视觉技术和机器人技术相结合，实现了蘑菇采摘的自动化和智能化，降低了作业劳动强度，节约了人力成本；

二、本发明的蘑菇采摘机器人系统结构简单、集成度高，有助于提高机器人的环境适应能力和工作效率；

三、本发明的蘑菇采摘机器人系统设有照明单元，通过设置人工照明环境可有效减少自然光对图像的影响，提高图像获取质量；

四、本发明的3D视觉模块和采摘机器人皆采用嵌入式处理平台，更适于高温、潮湿的温室环境，具有集成能力强，稳定性好、运算速度快、系统成本低、功耗小等优势。

附图说明

图1为本发明一种蘑菇采摘机器人系统的结构示意图；

图1中标号所示：

1、机械臂，2、培养基，3、3D视觉照相机，4、照明单元，5、采摘吸盘，6、电控柜，7、基座，8、肩关节，9、大臂，10、肘关节，11、小臂，12、腕关节，13、手腕。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种蘑菇采摘机器人系统，该系统包括3D视觉模块和与之连接的采摘机器人。

3D视觉模块包括3D视觉照相机3、照明单元4、图像采集单元和图像处理单元。3D视觉照相机3、照明单元4设于采摘机器人上方，照明单元4对3D视觉照相机3提供人工光照，提高拍摄的图像质量；图像采集单元与3D视觉照相机3连接，用于将拍摄的图像转换成数字信号；图像处理单元与图像采集单元连接，用于对数字信号进行处理，获取采摘目标的位置、体积和距离信息。本实施例采用的照明单元4为LED灯；采用的图像存储单元为存储器；采用的图像采集单元为图像采集卡。

采摘机器人包括运动控制器、关节驱动器、机械臂1和电控柜6。电控柜6与机械臂1连接，用于为机械臂1提供电能；运动控制器和关节驱动器设于电控柜6内。运动控制器与图像处理单元连接，关节驱动器与运动控制器连接，机械臂1与关节驱动器连接。运动控制器获取采摘目标的位置、体积和距离信息后进行轨迹规划，下发运动指令至关节驱动器；关节驱动器根据运动指令，带动机械臂1实现采摘目标的抓取和分离动作。机械臂1包括依次连接的基座7、肩关节8、大臂9、肘关节10、小臂11、腕关节12、手腕13和采摘吸盘5，采摘吸盘5设于手腕13的末端，机械臂1为六自由度设计，即分别为基座旋转、肩关节俯仰、肘关节俯仰、肘关节旋转、腕关节俯仰、腕关节旋转。

3D视觉模块和采摘机器人皆采用嵌入式处理平台。3D视觉模块输出蘑菇的数量、尺寸大小及与采摘机器人的相对位置信息，采摘机器人完成采摘蘑菇的抓取和分离动作，并对蘑菇进行分类。当采摘机器人接收到3D视觉模块发送的采摘目标信息后，运动控制器进行顺序排列和轨迹规划，推算出各关节的运动参数后发送运动指令，由关节驱动器带动机械臂1实现蘑菇的采摘和分类。

本发明还提供了一种采摘方法，该方法应用所述的蘑菇采摘机器人系统，具体包括以下步骤：

1)将需要采摘的蘑菇的培养基2运送至蘑菇采摘机器人系统的采摘范围内，或将蘑菇采摘机器人系统移动至蘑菇的培养基处，使蘑菇的培养基2位于蘑菇采摘机器人系统的采摘范围内后，启动蘑菇采摘机器人系统；

2)启动照明单元4，利用3D视觉照相机3对采摘范围内的蘑菇进行拍摄，获取蘑菇图像；

3)图像采集单元将蘑菇图像信息转换成数字信息；

4)图像处理单元根据数字信息判断视场中蘑菇的数量、位置和尺寸，进而获取蘑菇抓取点到3D视觉模块坐标原点的坐标；

5)图像处理单元按一定顺序确定一个抓取点目标作为当前采摘对象，并由3D视觉模块坐标原点与采摘机器人原点的相对位置关系，获取与采摘机器人对应的抓取目标的位置信息，发送至采摘机器人的运动控制器；

6)运动控制器对获取的蘑菇尺寸和位置信息进行顺序排列和轨迹规划，获取各关节的最佳运动参数，引导机械臂1进行采摘，机械臂1执行抓取动作，并通过采摘吸盘5吸住蘑菇，施加弯曲和扭转动作，使蘑菇从培养基上脱落，并依据设定的尺寸标准将蘑菇分类放置在不同的篮子里；

7)重复步骤2)～步骤6)，对采摘范围内的多个目标进行连续采摘，直至无对应抓取点时，重新执行步骤1)；本次采摘周期中，蘑菇的培养基上因未达到采摘尺寸标准的蘑菇于下一个采摘周期进行重复采摘。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，包括：

3D视觉模块：用于采集蘑菇图像并进行实时处理，获取采摘目标的位置、体积和距离，所述的3D视觉模块包括：

3D视觉照相机，用于对采摘目标进行拍摄；

图像采集单元，与3D视觉照相机连接，用于将拍摄的图像转换成数字信号；

图像处理单元，与图像采集单元连接，用于对存储的图像进行处理，获取采摘目标的位置、体积和距离信息；

照明单元，用于提供人工光照环境，提高图像拍摄的质量；

采摘机器人：与3D视觉模块连接，用于根据采摘目标的位置、体积和距离信息进行采摘目标的抓取与分类，所述的采摘机器人包括：

运动控制器，与图像处理单元连接，用于根据采摘目标的位置、体积和距离信息进行轨迹规划，并下发运动指令；

关节驱动器，与运动控制器连接，用于根据运动指令，带动执行机构实现采摘目标的抓取和分离动作；

执行机构，与关节驱动器连接，用于执行采摘动作，所述的执行机构包括六自由度结构的机械臂。

2.根据权利要求1所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的机械臂包括依次连接的基座、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手腕，所述的基座为旋转基座，所述的肩关节为俯仰肩关节，所述的肘关节为俯仰旋转肘关节，所述的腕关节为俯仰旋转腕关节。

3.根据权利要求2所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的机械手的手腕末端设有用以吸住蘑菇的采摘吸盘。

4.根据权利要求3所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的采摘吸盘为真空吸盘。

5.根据权利要求1所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的照明单元包括LED灯。

6.根据权利要求1所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的图像处理单元为处理器。

7.根据权利要求1所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的图像采集单元为图像采集卡。

8.根据权利要求1所述的一种蘑菇采摘机器人系统，其特征在于，所述的采摘机器人还包括与机械臂连接的电控柜，所述的运动控制器和关节驱动器设于电控柜内。

9.一种应用如权利要求1-8所述的任一项蘑菇采摘机器人系统的采摘方法，该方法包括以下步骤：

1)将需要采摘的蘑菇的培养基运至采摘机器人系统的采摘范围内，或将蘑菇采摘机器人系统移动至蘑菇的培养基处，启动蘑菇采摘机器人系统；

2)3D视觉照相机对采摘范围内的蘑菇进行拍摄，获取蘑菇图像；

3)图像采集单元将蘑菇图像信息转换成数字信息；

4)图像处理单元根据数字信息判断视场中蘑菇的数量、位置和尺寸，以获取蘑菇抓取点到3D视觉模块坐标原点的坐标；

5)图像处理单元按一定顺序确定一个抓取点目标作为当前采摘对象，并由3D视觉模块坐标原点与采摘机器人原点的相对位置关系，获取与采摘机器人对应的抓取目标的位置信息后，将位置信息发送至采摘机器人的运动控制器；

6)运动控制器对获取的蘑菇尺寸和位置信息进行顺序排列和轨迹规划，获取各关节的最佳运动参数后，引导机械臂采摘，机械臂执行抓取动作，并通过采摘吸盘吸住蘑菇，施加弯曲和扭转动作，使蘑菇从培养基上脱落，并依据所需标准将脱落的蘑菇按尺寸大小分类放置在不同的篮子里；

7)重复步骤2)～步骤6)，对采摘范围内的多个目标进行连续采摘，直到无对应抓取点时，重新执行步骤1)。