CN110614622A - 一种智能果实采摘机器人及其实现方法 - Google Patents

一种智能果实采摘机器人及其实现方法 Download PDF

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CN110614622A CN201911005959.3A CN201911005959A CN110614622A CN 110614622 A CN110614622 A CN 110614622A CN 201911005959 A CN201911005959 A CN 201911005959A CN 110614622 A CN110614622 A CN 110614622A
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高琦
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汤旭阳
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Abstract

本发明公开了一种智能果实采摘机器人及其实现方法,通用性好,自动化程度高,且效率高;所述智能果实采摘机器人,包括机器人底座、两个对称安装在底座两侧的履带行走机构、安装在底座上的剪叉式升降机构、位于剪叉式升降机构上的机器手机构、安装在机器手机构前端的采摘执行机构以及安装在底座上的图像采集机构。

Description

一种智能果实采摘机器人及其实现方法
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域,具体涉及一种用于果实采摘的智能果实采摘机器人及其实现方法。
背景技术
农业上关于果树的机械化收获技术的研究已有多年历史,最早的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇式,其缺点就是果实易损伤,收获效率低,尤其无法进行选择性收获,智能化程度低。随着果树栽培方式的改变,人们开始使用梯子、升降台等设备辅助采摘水果,但依然需要雇佣大量的采摘工人,劳动强度高,效率低下,劳动密集型的特点依然存在。因此,利用机电一体化的相关知识进行采摘机器人的整体设计,以实现果树采摘的自动化、智能化、无人化,是果树采摘发展的技术趋势。
我国在农业采摘机器人方面的研究始于上世纪年代中期,相对于发达国家起步较晚,虽然发展很快,但技术并不成熟。中国公开申请号CN201610588623.4的公开申请“智能柑橘采摘机器人及柑橘采摘方法”,设计了由行走机构配合工作台上安装的机器手、视觉系统进行果实采摘的采摘机器人,能够部分实现对果树的无人化采摘。
发明人在研发过程中发现,以上方案还存在以下问题:
(1)机器手结构设计冗余
该装置设计的机器手为多臂关节型机器手,由六个机械臂串联并配合执行机构组成,而每一节机器臂能够实现的主要自由度都为竖直平面内的俯仰运动,造成了运动形式的大量重复与机器手姿态控制复杂程度的巨大提高,同时多个机械臂也对应着多个驱动,而每一级驱动的设置都会让采摘机器人的成本花费及占用空间上升一个等级,对产品的推广利用和满足多变工作环境相对不利;
(2)果实回收装置设置不合理
该机器人在完成对果实的采摘工作后,由执行装置直接放开果实,由设置在执行机构下方的回收软管进行果实收集,但是没有考虑软管在机器人采摘过程中对采摘的阻挡及可能对果树枝叶的破坏性影响,同时也无法保证机器人在工作过程中软管与执行机构的相对位置关系,使得方案实际实现难度增大;
(3)控制方式延迟性大
图像识别模块采集后的信息要先转换为无线信号,发送给计算机进行远程处理,得到目标位置信息后再将信号发送给机器人的控制系统,造成操作延迟的增大以及工作的不连贯,且信号的无线传输受环境影响较大,更加容易造成采摘机器的故障停工,不利于采摘效率的提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种用于苹果等果实采摘的智能果实采摘机器人及其实现方法,通用性好,自动化程度高,且效率高。
本发明一方面提供的一种智能果实采摘机器人的技术方案是:
一种智能果实采摘机器人,包括机器人底座、两个对称安装在底座两侧的履带行走机构、安装在底座上的剪叉式升降机构、位于剪叉式升降机构上的机器手机构、安装在机器手机构前端的采摘执行机构以及安装在底座上的图像采集机构。
进一步的,所述履带行走机构包括至少两个安装在底座侧面的履带带轮、绕设在至少两个履带带轮上的行走履带和安装在底座上的用于驱动履带带轮的驱动机构。
进一步的,所述剪叉式升降机构包括对称设置的支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ,所述支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ的顶端与机器手机构连接,所述支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ的底端与位于底座内的升降机构驱动机构连接,通过升降机构驱动机构驱动支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ做剪叉式的上升和下降运动。
进一步的,所述机器手机构包括大臂、小臂和腕部;所述大臂的底端与剪叉式升降机构连接,所述大臂的顶端与所述小臂的一端连接,所述小臂的另一端与腕部连接,所述腕部前端连接所述采摘执行机构。
进一步的,所述大臂的底端与剪叉式升降机构的连接处以及所述大臂的顶端与所述小臂的一端的连接处分别布置有伺服电机。
进一步的,所述腕部包括腕部壳体Ⅰ和位于腕部壳体Ⅰ前端的腕部壳体Ⅱ;
所述腕部壳体Ⅰ的前端与设置在小臂内的谐波减速器连接,所述小臂内的谐波减速器与设置在小臂内的伺服电机连接;
所述腕部壳体Ⅰ内设置有两组齿形带轮机构,每组齿形带轮机构分别连接有用于驱动齿形带轮的伺服电机;
所述腕部壳体Ⅱ通过设置在其上的谐波减速器与一齿形带轮机构的齿形带轮连接;所述腕部壳体Ⅱ内设置有垂直分布的锥齿轮组,所述锥齿轮组中水平分布的锥齿轮与另一齿形带轮机构的齿形带轮连接;
所述腕部壳体Ⅱ通过设置在其内部的谐波减速器和法兰盘连接采摘执行机构。
进一步的,所述采摘执行机构包括与腕部前端连接的套筒、嵌设在套筒内的实心连杆以及铰链连接在套筒末端的四爪机构;
进一步的,所述采摘执行机构还包括至少四个内侧推杆,所述内侧推杆的一端与四爪机构连接,另一端与实心连杆连接,所述实心连杆的另一端与腕部连接,通过实心连杆的直线移动实现四爪机构的放松与抓紧。
进一步的,所述图像采集机构包括布置在机器人底座上的可升降云台及设置在云台上的摄像头。
进一步的,还包括安装在机器人底座内的控制系统,所述控制系统包括电源模块、摄像头图像识别模块、主控电路模块以及压力传感器模块;
所述电源模块,用于给整个机器人供电;
所述摄像头图像识别模块,用于获取图像采集机构采集的果树图像,采用机器视觉算法对果树图像进行处理,计算图像各个部分的红黄色占比,确定果实是否成熟及其位置信息,并无线传输给主控电路模块;
所述压力传感器模块安装在采摘执行机构上,用于采集采摘执行机构抓取果实时的压力信号,并传输给主控电路模块;
所述主控电路模块,用于根据果实的位置信息,采用机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构及机器手机构运行,驱动采摘执行机构移动到目标成熟果实附近;控制机械手机构和采摘执行机构进行果实抓取;接收压力传感器模块采集的压力信号,判断压力信号是否达到阈值,当压力信号达到设定的阈值后,控制机械手机构停止运行,并控制采摘执行机构摘取果实,完成对果实的采摘工作。
本发明另一方面提供的一种智能果实采摘机器人的实现方法的技术方案是:
一种基于如上所述的智能果实采摘机器人的实现方法,该方法包括以下步骤:
获取果树图像,采用机器视觉算法对果树图像进行处理,计算图像各个部分的红黄色占比,确定果实是否成熟及其位置信息;
根据果实的位置信息,采用机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构及机器手机构运行,驱动采摘执行机构移动到目标成熟果实附近;控制机械手机构和采摘执行机构进行果实抓取;
采集采摘执行机构抓取果实时的压力信号,并传输给主控电路模块,判断压力信号是否达到阈值,当压力信号达到设定的阈值后,控制机械手机构的腕部停止运行,并控制采摘执行机构摘取果实,完成对果实的采摘工作。
通过上述技术方案,本发明的有益效果是:
(1)本发明通过在果实采摘机器人的腰部设置剪叉式的升降机构,使得果实采摘机器人能针对果树不同高度层面上的果实进行大范围的采摘,同时剪叉式的升降机构能够通过折叠收回在机器人底座的内部,从而有效减少机器人整体的空间占用,也更利于果实采摘机器人进入果树间隔较小的工作环境,提高果实采摘机器人的通用性。
(2)本发明通过机电一体化的设计方式,将控制系统与机械系统进行整体集成,使得方案的实际可行性大幅提高,同时将主控芯片集成在机器人主控电路模块,实现对信息的快速响应处理与动作执行,与远程无线通信的控制方式相比减少了工作时的动作延迟,并提高了采摘的自动化程度。
(3)本发明通过对采摘执行机构的改进设计,使采摘的效率和质量大幅提高,通过使用表面防滑硅胶材质的四爪采摘执行机构,结合主控电路与压力传感器进行采摘压力的闭环控制,使得机器人能够稳定采摘果实而又不造成损害,同时利用图像识别模块的苹果成熟程度判断功能和执行机构的液压缸传动与锥齿轮传动机构对果实进行抓取和采摘操作,保证了采摘过程的可靠性与稳定性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本发明的不当限定。
图1是实施例一智能苹果采摘机器人的主视图;
图2是实施例一智能苹果采摘机器人的立体图;
图3是实施例一智能苹果采摘机器人的控制系统结构框图;
图4是实施例一智能苹果采摘机器人的腕部结构示意图;
图5是实施例一智能苹果采摘机器人的采摘执行结构立体示意图;
其中,1、行走履带;2、履带带轮;3、驱动机构;4、云台;5、摄像头;6、剪叉式升降机构;7、机器手机构;8、大臂;9、小臂;10、腕部;11、采摘框;12、采摘执行机构;13、腰部伺服电机;14、小臂伺服电机Ⅰ;15、腕部伺服电机Ⅰ;16、果框支撑;17、底座;18、支撑架Ⅰ;19、支撑架Ⅱ;20、小臂伺服电机Ⅱ;21、小臂外壳;22、谐波减速器Ⅰ;23、腕部壳体Ⅰ;24、齿形带轮Ⅰ;25、同步带Ⅰ;26、腕部伺服电机Ⅱ;27、齿形带轮Ⅱ;28、谐波减速器Ⅱ;29、腕部壳体Ⅱ;30、谐波减速器Ⅲ;31、法兰盘;32、锥齿轮Ⅰ;33、锥齿轮Ⅱ;34、齿形带轮Ⅲ;35、同步带Ⅱ;36、齿形带轮Ⅳ;37、腕部伺服电机Ⅰ;38、实心连杆;39、内侧推杆;40、表面压力传感器;41、四爪机构;42、套筒。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例以苹果为例,对本实施例提出的智能苹果采摘机器人进行详细说明。
图1是本实施例涉及的智能苹果采摘机器人的主视图。如图1所示,所述智能苹果采摘机器人包括机械系统和控制系统;其中:
所述机械系统包括机器人底座1、两个对称安装在底座两侧的履带行走机构、安装在底座上的剪叉式升降机构、位于剪叉式升降机构上的四自由度机器手机构、安装在机器手机构前端的采摘执行机构以及安装在底座上的图像采集机构。
如图1所示,所述履带行走机构包括两个安装在机器人底座侧面前、后的履带带轮2、绕设在两个履带带轮上的行走履带1和安装在底座上的用于驱动履带带轮的驱动机构3,所述驱动机构3包括布置在底座上的蓄电池、驱动电机和减速器,所述减速器与驱动电机连接,所述驱动电机通过传动轴与履带带轮2连接,通过传动轴、滚动轴承与底座构成机器人的行走系统,通过履带式的行走方式,使果实采摘机器人能够适应更加复杂的地形环境。
图2是本实施例涉及的智能苹果采摘机器人的立体图。如图1和2所示,所述剪叉式升降机构6包括对称设置的支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19,位于底座中的升降机构驱动机构,所述升降机构驱动机构包括两根传动轴、直齿齿轮和升降机构伺服电机,所述支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19之间留有安装机器手机构7的间隙,所述支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19分别由四个呈四边形布置的连杆组成,所述支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19的一端分别与机器手机构的底端连接,另一端位于底座内且连接在底座中两根不同的传动轴,两根传动轴通过位于底座中的一对相同参数的直齿齿轮啮合传动,所述直齿齿轮与升降机构伺服电机连接,通过升降机构伺服电机的驱动使两个传动轴具有相同的运动速度与相反的运动方向,从而带动支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19做剪叉式的上升和下降运动,实现对机器手机构采摘高度的灵活调节。
如图1和图2所示,所述四自由度机器手机构7安装在剪叉式升降机构上,与底座17组成一体,机器手机构7包括大臂8、小臂9和腕部10,所述大臂8的末端与支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19的顶端连接,所述大臂8的末端与支撑架Ⅰ18和支撑架Ⅱ19的顶端连接处布置有腰部伺服电机13;所述大臂8的顶端与小臂9的一端连接,所述大臂8的顶端与小臂9的一端连接处布置有小臂伺服电机Ⅰ14,通过腰部伺服电机13和小臂伺服电机Ⅰ14实现大臂与小臂在竖直平面内的俯仰偏转;所述小臂9的另一端与腕部10连接;所述大臂8中部安装有采摘框11,用以存放采摘后的苹果,所述采摘框11通过果框支撑16固定在大臂上。
在本实施例中,所述小臂9内部设置有伸缩关节,由电机驱动丝杆螺母机构以实现机器手机构沿小臂方向的直线移动,扩大采摘执行机构的工作范围与机器手机构姿态的灵活性。
所述腕部10用于实现机械手机构的腕部的旋转运动与采摘执行机构竖直平面内的俯仰运动和其沿中心线的旋转运动。图4是腕部的结构示意图。如图4所示,所述腕部包括腕部壳体Ⅰ23和腕部壳体Ⅱ29,所述腕部壳体Ⅰ23的一端与设置在小臂末端的谐波减速器Ⅰ22连接,所述谐波减速器Ⅰ22与设置在小臂外壳21内的小臂伺服电机Ⅱ20相连,所述腕部壳体Ⅰ23的另一端设置有矩形凹槽,所述腕部壳体Ⅰ23内设置有齿形带轮Ⅰ24、齿形带轮Ⅱ27、同步带Ⅰ25、腕部伺服电机Ⅰ37、齿形带轮Ⅲ34、齿形带轮Ⅳ36、同步带Ⅱ35和腕部伺服电机Ⅱ26,所述齿形带轮Ⅰ24和齿形带轮Ⅱ27位于所述腕部壳体Ⅰ23内的一侧,所述齿形带轮Ⅰ24和齿形带轮Ⅱ27上绕设有所述同步带Ⅰ25,所述齿形带轮Ⅰ24与腕部伺服电机Ⅰ37的输出轴连接;所述齿形带轮Ⅲ34和齿形带轮Ⅳ36位于所述腕部壳体Ⅰ23内的另一侧,所述齿形带轮Ⅲ34和齿形带轮Ⅳ36上绕设有所述同步带Ⅱ35,所述齿形带轮Ⅲ34与所述腕部伺服电机Ⅱ26的输出轴连接;所述腕部壳体Ⅱ29位于所述腕部壳体Ⅰ23另一端的凹槽内,所述腕部壳体Ⅱ29上设置有谐波减速器Ⅱ28,所述谐波减速器Ⅱ28与齿形带轮Ⅱ27连接,所述腕部壳体Ⅱ29内设置有相互垂直布置的锥齿轮Ⅰ32和锥齿轮Ⅱ33,所述锥齿轮Ⅱ33通过连接轴与齿形带轮Ⅲ34连接,所述腕部壳体Ⅱ29内设置有谐波减速器Ⅲ30,所述谐波减速器Ⅲ30与用于连接采摘执行机构的法兰盘31连接。
本实施例由布置在小臂末端内的伺服电动机Ⅱ20直连谐波减速器Ⅰ22经输出端法兰盘与腕部壳体Ⅰ23相连,实现腕部的旋转,由腕部内布置的伺服电动机Ⅰ37通过齿形带轮Ⅰ24带动同步带Ⅰ25旋转,再通过齿形带轮Ⅱ27、谐波减速器Ⅱ28及输出端的法兰盘实现腕部末端的采摘执行机构在竖直平面内的20°以内小角度俯仰运动,进行对机器手机构姿态的精准控制;同时在腕部壳体Ⅱ29中设置一对锥齿轮传动,由锥齿轮Ⅰ32与锥齿轮Ⅱ33啮合传动改变腕部伺服电机Ⅱ26的传动运动方向,经过齿形带轮Ⅳ36带动同步带Ⅱ35旋转再通过齿形带轮Ⅲ34带动锥齿轮传动,通过谐波减速器Ⅲ30及法兰盘31带动与之相连的执行机构12旋转运动,控制四爪机构扭动将苹果拧下,完成对苹果的采摘工作。
图5是采摘执行机构的结构示意图。如图5所示,所述采摘执行机构12包括套筒42、嵌设在套筒内的实心连杆38以及铰链连接在套筒末端的四爪机构41,所述采摘执行机构12通过套筒连接在机器手机构的腕部前端,所述四爪机构41包括四个爪,所述四个爪分别连接有内侧推杆39,所述内侧推杆39的一端与爪连接,另一端与实心连杆38连接,通过实心连杆38的直线移动实现四爪机构41的放松与抓紧,并通过实心连杆38的旋转带动四爪机构的扭动。
本实施例的采摘执行机构12的实心连杆38由腕部内置的液压装置液压缸驱动,当主控电路模块将采摘执行机构12运动到目标成熟苹果附近后,由主控芯片发出PMW控制信号控制驱动内置在腕部的伺服电机运行,液压缸将电机的旋转运动转换为实心连杆12的向外移动,控制与之相连的四个内侧推杆39向外运动,将四爪机构41通过铰链连接42放松张开,之后实心连杆12由液压缸向内侧牵引,使内侧推杆向内收缩,将四爪机构41通过铰链连接42收缩抓紧苹果,同时在四爪机构41表面设置有压力传感器40,返回抓取苹果时的压力信号,并通过主控芯片进行闭环控制,当压力信号达到设定的阈值后,控制腕部驱动电机停止运行,达到抓紧苹果而又不损伤苹果的目的,并控制四爪机构41绕实心连杆38扭动将苹果拧下,完成对苹果的采摘工作,最后机器手将采摘的苹果放入机器手大臂8中部设置的果框11中,完成采摘。
本实施例在腕部壳体Ⅱ中设置一对锥齿轮传动,改变腕部中伺服电机的传动运动方向,转换为采摘执行机构相对与实心连杆的旋转运动,控制四爪机构扭动将苹果拧下,完成对苹果的采摘工作,最后机器手机构将采摘的苹果放入位于机械手大臂中部设置的采摘框中,完成全部苹果采摘。
如图1所示,所述图像采集机构包括布置在机器人底座1上表面的可升降云台4及设置在云台上的摄像头5,通过云台可以使摄像头获取更广的环境信息。
图3是控制系统的结构框图。如图3所示,所述控制系统包括电源模块、摄像头图像识别模块和主控电路模块,其中:
所述电源模块采用24V的蓄电池作为采摘机器人供电的总电源,安装在机器人底座的后侧位置;所述电源模块包括L7805CV稳压电路、LM1117稳压电路、LM2586S直流稳压降压电路,采用L7805CV稳压电路将将24电压降为5V电压作为摄像头图像识别模块的电源输入,采用LM1117稳压电路将24V电压降为3.3V作为主控电路的电源输入,采用LM2586S直流稳压降压电路将24V电压将为12V实现对履带直流电机、升降机构伺服电机与腰部伺服电机、腕部伺服电机的供电,达到利用一个电源对果实采摘机器人所有机构和模块的供电。
所述摄像头图像识别模块采用openMV摄像头模块,搭载MicroPython解释器与图像处理芯片,能通过电机驱动云台升降使摄像头采集完整果树图像,并运算Python机器视觉算法,计算图像各个部分的红黄色占比,确定苹果是否成熟及其精确位置信息,实现选择性采摘。
所述主控电路模块采用STM32F103芯片作为主控芯片,能通过UART串口与openMV摄像头模块进行有线通信,以便快速获得经过图像处理后成熟苹果的精确位置信息,并根据定位信息通过运行机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构伺服电机及机器手机构各部分伺服电机的运行,使得采摘机器人能够快速响应,让采摘执行机构移动到目标成熟苹果的附近。
本实施例提出的智能果实采摘机器人,将控制系统与机械系统进行整体集成,使得方案的实际可行性大幅提高,同时将主控芯片集成在机器人主控电路模块本地,实现对信息的快速响应处理与动作执行,与远程无线通信的控制方式相比减少了工作时的动作延迟,并提高了采摘的自动化程度。
实施例二
本实施例提供一种智能果实采摘机器人的实现方法,该方法包括以下步骤:
图像采集机构的摄像头采集完整果树图像,并传输给摄像头图像识别模块;
摄像头图像识别模块采用Python机器视觉算法对得到的果树图像进行处理,计算图像各个部分的红黄色占比,确定苹果是否成熟及其精确位置信息,并通过UART串口有线传输给主控电路模块;
主控电路模块获得经过摄像头图像识别模块图像处理后得到的成熟苹果的精确位置信息,并根据定位信息,采用机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构伺服电机及机器手机构各部分伺服电机的运行,使得采摘机器人能够快速响应,让采摘执行机构移动到目标成熟苹果的附近;
当主控电路模块控制采摘执行机构12运动到目标成熟苹果附近后,由主控电路模块的主控芯片发出PMW控制信号控制驱动内置在腕部的伺服电机运行,液压缸将电机的旋转运动转换为实心连杆12的向外移动,控制与之相连的四个内侧推杆39向外运动,将四爪机构41通过铰链连接42放松张开,之后实心连杆12由液压缸向内侧牵引,使内侧推杆向内收缩,将四爪机构41通过铰链连接42收缩抓紧苹果,同时在四爪机构41表面设置的压力传感器40向主控电路模块的主控芯片返回抓取苹果时的压力信号,并通过主控芯片进行闭环控制,当压力信号达到设定的阈值后,控制腕部驱动电机停止运行,达到抓紧苹果而又不损伤苹果的目的,并控制四爪机构41绕实心连杆38扭动将苹果拧下,完成对苹果的采摘工作,最后机器手将采摘的苹果放入机器手大臂8中部设置的果框11中,完成采摘。
从以上的描述中,可以看出,上述的实施例实现了如下技术效果:
(1)通过在果实采摘机器人的腰部设置剪叉式的升降机构,使得果实采摘机器人能针对果树不同高度层面上的果实进行大范围的采摘,同时剪叉式的升降机构能够通过折叠收回在机器人底座的内部,从而有效减少机器人整体的空间占用,也更利于果实采摘机器人进入果树间隔较小的工作环境,提高果实采摘机器人的通用性。
(2)通过机电一体化的设计方式,将控制系统与机械系统进行整体集成,使得方案的实际可行性大幅提高,同时将主控芯片集成在机器人主控电路模块,实现对信息的快速响应处理与动作执行,与远程无线通信的控制方式相比减少了工作时的动作延迟,并提高了采摘的自动化程度。
(3)通过对采摘执行机构的改进设计,使采摘的效率和质量大幅提高,通过使用表面防滑硅胶材质的四爪采摘执行机构,结合主控电路与压力传感器进行采摘压力的闭环控制,使得机器人能够稳定采摘果实而又不造成损害,同时利用图像识别模块的苹果成熟程度判断功能和执行机构的液压缸传动与锥齿轮传动机构对果实进行抓取和采摘操作,保证了采摘过程的可靠性与稳定性。
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)

1.一种智能果实采摘机器人,其特征是,包括机器人底座、两个对称安装在底座两侧的履带行走机构、安装在底座上的剪叉式升降机构、位于剪叉式升降机构上的机器手机构、安装在机器手机构前端的采摘执行机构以及安装在底座上的图像采集机构。
2.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述履带行走机构包括至少两个安装在底座侧面的履带带轮、绕设在至少两个履带带轮上的行走履带和安装在底座上的用于驱动履带带轮的驱动机构。
3.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述剪叉式升降机构包括对称设置的支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ,所述支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ的顶端与机器手机构连接,所述支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ的底端与位于底座内的升降机构驱动机构连接,通过升降机构驱动机构驱动支撑架Ⅰ和支撑架Ⅱ做剪叉式的上升和下降运动。
4.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述机器手机构包括大臂、小臂和腕部;所述大臂的底端与剪叉式升降机构连接,所述大臂的顶端与所述小臂的一端连接,所述小臂的另一端与腕部连接,所述腕部前端连接所述采摘执行机构。
5.根据权利要求4所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述大臂的底端与剪叉式升降机构的连接处以及所述大臂的顶端与所述小臂的一端的连接处分别布置有伺服电机。
6.根据权利要求4所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述腕部包括腕部壳体Ⅰ和位于腕部壳体Ⅰ前端的腕部壳体Ⅱ;
所述腕部壳体Ⅰ的前端与设置在小臂内的谐波减速器连接,所述小臂内的谐波减速器与设置在小臂内的伺服电机连接;
所述腕部壳体Ⅰ内设置有两组齿形带轮机构,每组齿形带轮机构分别连接有用于驱动齿形带轮的伺服电机;
所述腕部壳体Ⅱ通过设置在其上的谐波减速器与一齿形带轮机构的齿形带轮连接;所述腕部壳体Ⅱ内设置有垂直分布的锥齿轮组,所述锥齿轮组中水平分布的锥齿轮与另一齿形带轮机构的齿形带轮连接;
所述腕部壳体Ⅱ通过设置在其内部的谐波减速器和法兰盘连接采摘执行机构。
7.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述采摘执行机构包括与腕部前端连接的套筒、嵌设在套筒内的实心连杆以及铰链连接在套筒末端的四爪机构;
进一步的,所述采摘执行机构还包括至少四个内侧推杆,所述内侧推杆的一端与四爪机构连接,另一端与实心连杆连接,所述实心连杆的另一端与腕部连接,通过实心连杆的直线移动实现四爪机构的放松与抓紧。
8.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,所述图像采集机构包括布置在机器人底座上的可升降云台及设置在云台上的摄像头。
9.根据权利要求1所述的智能果实采摘机器人,其特征是,还包括安装在机器人底座内的控制系统,所述控制系统包括电源模块、摄像头图像识别模块、主控电路模块以及压力传感器模块;
所述电源模块,用于给整个机器人供电;
所述摄像头图像识别模块,用于获取图像采集机构采集的果树图像,采用机器视觉算法对果树图像进行处理,计算图像各个部分的红黄色占比,确定果实是否成熟及其位置信息,并无线传输给主控电路模块;
所述压力传感器模块安装在采摘执行机构上,用于采集采摘执行机构抓取果实时的压力信号,并传输给主控电路模块;
所述主控电路模块,用于根据果实的位置信息,采用机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构及机器手机构运行,驱动采摘执行机构移动到目标成熟果实附近;控制机械手机构和采摘执行机构进行果实抓取;接收压力传感器模块采集的压力信号,判断压力信号是否达到阈值,当压力信号达到设定的阈值后,控制机械手机构停止运行,并控制采摘执行机构摘取果实,完成对果实的采摘工作。
10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的智能果实采摘机器人的实现方法,其特征是,该方法包括以下步骤:
获取果树图像,采用机器视觉算法对果树图像进行处理,计算图像各个部分的红黄色占比,确定果实是否成熟及其位置信息;
根据果实的位置信息,采用机器手姿态控制算法,输出PMW信号控制升降机构及机器手机构运行,驱动采摘执行机构移动到目标成熟果实附近;控制机械手机构和采摘执行机构进行果实抓取;
采集采摘执行机构抓取果实时的压力信号,并传输给主控电路模块,判断压力信号是否达到阈值,当压力信号达到设定的阈值后,控制机械手机构的腕部停止运行,并控制采摘执行机构摘取果实,完成对果实的采摘工作。
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