CN111328554A - 一种草莓自动采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机器人领域，具体是一种草莓自动采摘机器人，包括底板、安装在底板上的升降装置；还包括：安装在底板上的行走装置，所述行走装置带动所述底板全向移动；采摘装置，所述采摘装置安装在所述升降装置上，所述采摘装置包括识别模块、采摘平台和推杆，所述采摘平台铰接在所述升降装置上；所述推杆设置在所述采摘平台侧，用于将草莓平铺至采摘平台，配合所述识别模块对草莓进行识别、定位；以及控制模块，所述控制模块控制所述升降装置、行走装置和采摘装置工作。本发明的有益效果是：通过顶部的采摘装置可以把草莓从种植槽的边缘移走到采摘平台上进行采摘；结构简单，成本较低，易于操作和维护。

Description

一种草莓自动采摘机器人

技术领域

本发明涉及农业机器人领域，具体是一种草莓自动采摘机器人。

背景技术

草莓采摘收获方面，以现代温室栽培模式的特点，如日本近藤等人研制出适于高架栽培的草莓采摘机器人设备。该采摘机器人采用五个自由度的末端执行机构，视觉系统与其他果蔬采摘机器人相似，采用真空气吸加刀片切割器的末端执行机构。收获时，首先由机器视觉系统定位出采摘成熟草莓的空间位置，随后采摘末端执行机构移动到设定的位置，末端执行机构接近目标直到把目标草莓吸住。由三对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果柄进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。

目前存在的草莓自动采摘机器人普遍采用多目机器视觉系统，结构复杂，成本较高。整体机构庞大，工作过程中占用较多行走空间，影响种植密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种草莓自动采摘机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种草莓自动采摘机器人，包括底板、安装在底板上的升降装置；还包括：安装在底板上的行走装置，所述行走装置带动所述底板全向移动；采摘装置，所述采摘装置安装在所述升降装置上，所述采摘装置包括识别模块、采摘平台和推杆，所述采摘平台铰接在所述升降装置上；所述推杆设置在所述采摘平台侧，用于将草莓平铺至采摘平台，配合所述识别模块对草莓进行识别、定位；以及控制模块，所述控制模块控制所述升降装置、行走装置和采摘装置工作。

作为本发明进一步的方案：所述升降装置包括竖直光杆、水平光杆、平板I、电动推杆I和电动推杆II，所述竖直光杆、电动推杆I安装在所述底板上，所述水平光杆通过所述平板I活动安装在所述竖直光杆上，所述电动推杆I的输出端与所述水平光杆连接，所述水平光杆与所述采摘装置连接，所述电动推杆II安装在所述平板I上。

作为本发明再进一步的方案：所述行走装置包括全向轮、联轴器A、减速电机A和减速电机支架，若干所述全向轮呈周向安装在所述底板上，所述全向轮通过所述联轴器A与所述减速电机A连接，所述减速电机A通过所述减速电机支架安装在所述底板上。

作为本发明再进一步的方案：所述采摘装置还包括剪切件、双向导向件和连接件，所述双向导向件通过所述连接件安装在所述升降装置上，所述双向导向件为所述剪切件导向。

作为本发明再进一步的方案：所述双向导向件包括四边形边框、同步轮、步进电机和同步带，所述四边形边框四边的端部均设有所述同步轮，同边的所述同步轮通过所述同步带连接，所述步进电机提供动力。

作为本发明再进一步的方案：还包括收集装置，所述收集装置包括引导管和收集盒，所述收集盒设置在所述底板上，所述引导管一端设置在所述采摘装置底部，另一端设置在所述收集盒上。

作为本发明再进一步的方案：所述收集装置还包括连杆III、光杆I、电动推杆III和缓冲模块，所述光杆I和电动推杆III安装在所述底板上，所述连杆活动安装在所述光杆I上，所述电动推杆III的输出端与所述连杆III连接，所述缓冲模块安装在与所述收集盒中心相对的所述连杆III上。

作为本发明再进一步的方案：还包括缓冲机构，所述缓冲机构是振动电机和弹簧，所述振动电机安装在采摘平台上，所述弹簧安装在所述采摘平台与所述升降装置之间。

作为本发明再进一步的方案：所述控制模块包括控制器，所述控制器与所述识别模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过顶部的采摘装置可以把草莓从种植槽的边缘移走到采摘平台上进行采摘；结构简单，成本较低，易于操作和维护。

附图说明

图1为一种草莓自动采摘机器人的结构示意图。

图2为一种草莓自动采摘机器人中升降装置的结构示意图。

图3为一种草莓自动采摘机器人中采摘装置的结构示意图。

图4为一种草莓自动采摘机器人中收集装置的结构示意图。

图5为一种草莓自动采摘机器人中行走装置的结构示意图。

图6为一种草莓自动采摘机器人中采摘装置的局部放大图。

图7为本发明实施例中成熟草莓识别流程图。

图8为一种草莓自动采摘机器人中控制模块的系统原理图。

附图中：1-行走装置、2-收集装置、3-升降装置、4-采摘装置、5-缓冲机构；

101-全向轮、102-联轴器A、103-减速电机A、104-减速电机支架、105-底板；

201-扇叶、202-收集盒、203-减速电机B、204-连杆III、205-光杆I、206-直线轴承A、207-电动推杆III、208-扇叶轴；

301-竖直光杆、302-电动推杆I、303-平板I、304-平板II、305-水平光杆、306-直线轴承B、307-电动推杆II；

41-采摘平台、42-振动电机、43-弹簧、44-电机、45-推杆、46-连杆I、47-同步轮、48-步进电机、49-连接件、410-光杆II、411-同步带、412-摄像头、413-连杆II、414-伸缩轴、415-联轴器B、416-钩子、417-平板II、418-剪切件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明实施例中，一种草莓自动采摘机器人，包括底板105、安装在底板上的升降装置3；还包括：安装在底板上的行走装置1，所述行走装置1带动所述底板105全向移动；采摘装置4，所述采摘装置4安装在所述升降装置3上，所述采摘装置包括识别模块、采摘平台和推杆，所述采摘平台铰接在所述升降装置上；所述推杆设置在所述采摘平台侧，用于将草莓平铺至采摘平台，配合所述识别模块对草莓进行识别、定位；以及控制模块，所述控制模块控制所述升降装置3、行走装置1和采摘装置4工作。

具体的，升降装置3推动所述采摘装置4靠近成熟草莓区域，所述推杆45铰接在所述采摘平台41侧端，所述采摘平台41上设有电机44，推动所述推杆45将草莓推至所述采摘平台上进行平铺，识别模块对采摘平台41上成熟与未成熟草莓的信息采集与判断，然后采摘装置4对其覆盖范围内的成熟草莓进行采摘。采摘方向将会随实际采摘目标的变化而改变；识别模块将数据传递给控制模块，控制模块控制升降装置3和行走装置1进行位置改变，使采摘装置4移动到反馈的位置进行采摘。

所述底板是铝合金材质，用于支撑连接草莓自动采摘机器人各机械部件；所述行走装置用于负载草莓自动采摘机器人，并进行较大范围全向移动。

请参阅图2，本发明实施例中，所述升降装置包括竖直光杆301、水平光杆305、平板I303、电动推杆I302和电动推杆II307，所述竖直光杆301、电动推杆I302安装在所述底板105上，所述水平光杆305通过所述平板I活动安装在所述竖直光杆上，所述电动推杆I的输出端与所述水平光杆305连接，所述水平光杆305与所述采摘装置4连接，所述电动推杆II307安装在所述平板I303上。

具体的，两个所述竖直光杆301相对安装在所述底板105上，两个所述平板I303通过直线轴承B306相对安装在靠近底板侧所述底板105上，所述电动推杆I302的输出端与底部的一个平板I303连接，用于推动平板I升降；所述水平光杆305安装在所述平板I303之间，受平板I303移动同步移动；所述水平光杆305远离所述竖直光杆301的一端安装有平板II304，所述电动推杆II307的输出端与所述平板II304连接，所述平板II304与所述采摘装置4连接。所述采摘平台41铰接在所述升降装置3的所述平板II304上，当所述电动推杆II307的输出端运动时，带动所述采摘平台41移动，配合所述推杆45将草莓平铺在所述采摘平台上，形成一个平面，配合识别模块完成的草莓的分析识别及定位。

优选的，设有两组如上所述的竖直光杆301及其上的安装机构，相对安装在所述底板105上；形成两个相背的所述水平光杆305，所述水平光杆305均设有用于安装所述采摘装置4的平板II304。实现对草莓的双面采摘。进一步利用空间，提升效率。

请参阅图5，本发明实施例中，所述行走装置包括全向轮101、联轴器A102、减速电机A103和减速电机支架104，若干所述全向轮101呈周向安装在所述底板105上，所述全向轮101通过所述联轴器A102与所述减速电机A103连接，所述减速电机A103通过所述减速电机支架104安装在所述底板105上。

具体的，四个所述减速电机A103通过所述减速电机支架104呈周向安装在所述底板105底部，所述全向轮101通过所述联轴器A102与所述减速电机A103的输出轴连接，所述减速电机A103通过所述联轴器A102带动所述全向轮101转动，所述减速电机A103受控制模块控制，所述控制模块可以控制一个、两个或多个所述减速电机A103同时运作，实现单向、多向的同时移动。满足空间狭小、底面凹凸条件下的移动和转向。四个减速电机A和四个全向轮101带动整个机构实现大范围的前后左右运动，电动推杆I和平台I可以带动整个采摘装置上下运动，电动推杆II和平台II可以带动整个采摘装置左右运动，实现精密控制采摘装置由更好的与种植槽密切接触。

请参阅图3，本发明实施例中，所述采摘装置还包括剪切件、双向导向件和连接件，所述双向导向件通过所述连接件安装在所述升降装置上，所述双向导向件为所述剪切件导向。

具体的，所述双向导向件通过所述连接件安装在所述升降装置上，所述连接件与所述平板I303通过连杆I46连接，所述剪切件通过光杆II410十字连接所述双向导向件，所述光杆II410两端设有齿轮，所述齿轮与双向导向件内设有的同步带411啮合。

所述剪切件包括刀片、伸缩轴414和钩子416，所述伸缩轴414安装在所述光杆II410上，所述刀片和钩子416安装在所述伸缩轴414底部，用于对草莓进行限位切割。所述伸缩轴414的上下移动对草莓进行采摘。

请参阅图6，本发明实施例中，所述双向导向件包括四边形边框、同步轮、步进电机和同步带，所述四边形边框四边的端部均设有所述同步轮，同边的所述同步轮通过所述同步带连接，所述步进电机提供动力。

具体的，所述步进电机48通过联轴器B415带动所述同步轮47转动；所述同步轮47带动所述同步带411转动，同时，与之相对的同步带同步转动，从而带动所述光杆II410，光杆II410与所述伸缩轴414销轴配合，因此，所述同步带411的转动转化为所述伸缩轴414水平方向、竖直方向的移动。实现对识别模块定位草莓的精确采摘。

请参阅图4，本发明实施例中，还包括收集装置2，所述收集装置2包括引导管和收集盒202，所述收集盒202设置在所述底板105上，所述引导管一端设置在所述采摘装置4底部，另一端设置在所述收集盒202上。

具体的，所述引导管上部设有漏斗，用于承接所述采摘装置4采摘的草莓，并通过引导管导入至收集盒202内。收集盒202为圆形，通过铝型材与底板固定连接，用于放置草莓收纳容器。

请参阅图4，本发明实施例中，所述收集装置2还包括连杆III204、光杆I205、电动推杆III207和缓冲模块，所述光杆I205和电动推杆III207安装在所述底板上，所述连杆III204活动安装在所述光杆I205上，所述电动推杆III207的输出端与所述连杆III204连接，所述缓冲模块安装在与所述收集盒202中心相对的所述连杆III204上。

具体的，所述缓冲模块包括扇叶201、扇叶轴208及减速电机B203，所述减速电机B203安装在与所述收集盒202中心相对的所述连杆III204上，安装在扇叶201于所述减速电机B203连接的扇叶轴208的端部，所述连杆通过直线轴承A206活动安装在所述光杆I上，所述减速电机B203带动所述扇叶201缓慢转动，对落入扇叶201的草莓进行减速缓冲，减小草莓的下落速度，保护草莓不被损坏。所述电动推杆III207调节所述所述连杆III204的高度，进而调节所述扇叶201的高度，使草莓在所述收集盒202进行收集。扇叶201具有一定的柔性，也减少了对草莓的冲击。

请参阅图1、3，本发明实施例中，还包括缓冲机构5，所述缓冲机构是振动电机42和弹簧43，所述振动电机42安装在采摘平台上，所述弹簧43安装在所述采摘平台41与所述升降装置3之间。

具体的，所述弹簧43安装在所述采摘平台41与所述平板II304之间；所述振动电机42和所述弹簧43均辅助所述推杆45完成对草莓三维转二维化，为识别模块的工作提供便利。振动电机42一直转动使采摘平台有小的振幅，便于把草莓平摊在采摘平台上利于草莓识别与定位，提高了采摘效率和识别模块的定位准确性及定位效率；弹簧使采摘平台在振动电机的带动下使平台有一定的振幅；原本生长在立体空间坐标系中的草莓，经采摘装置转化后使草莓平摊在采摘平台上，可以使草莓采摘定位的三维定位问题转换成二维的定位问题，使草莓容易采摘，通过采摘平台使复杂的问题简单化，减轻了识别模块的识别难度，提高了识别模块的定位的准确性和间接草莓的采摘效率降低了成本。

请参阅图1、7、8，本发明实施例中，所述控制模块包括控制器，所述控制器与所述识别模块连接。

具体的，所述识别模块是摄像头412，所述控制器内封装有单片机，如图7所示，所述单片机用于接收摄像头412的反馈信息，计算行走装置的导航数据以及控制各执行机构运动，所述摄像头412通过连杆II413安装在所述平板I303上；所述摄像头412的识别功能基于OPENMV3(摄像头)机器视觉算法来进行设计，通过设定成熟草莓的红、绿、蓝的颜色阈值，将成熟草莓颜色阈值标记在单片机中，在图像识别中识别出成熟的草莓并标记出该草莓的大小与质心。摄像头412只读取草莓的二维坐标，简化了该机器人的设计，将识别的草莓的每个像素点都视为一个坐标点，因此当识别出为成熟草莓时，再进行质心的检测。质心的检测为：用正方形标记出成熟的草莓后，只要读取正方形的质心就是成熟草莓的质心。之后，单片机发出指令，控制所述采摘装置采摘草莓。

如图7，识别模块的工作过程：草莓的轮廓存在差异。但成熟草莓约3/4左右的轮廓形状与圆近似，因此为了计算简单方便，以圆形近似表示草莓的形状轮廓，则成熟草莓轮廓在图像中的参数方程为

式中x₀、y₀是成熟草莓图像形心坐标，r₀为草莓轮廓的半径；

首先，识别草莓成熟度和空间位置，先将成熟草莓果实的图像从复杂的背景图像中提取出来，即对实际拍摄的彩色图像进行分割。用区域标记对图像中的不同部分进行区分，即给图像中连接在一起的像素赋上相同的标记，不同的连接成分赋上不同的标记。同时计算各个区域的面积。区域面积就是对区域内的像素进行计数。当面积过小时，该区域可以认为是干扰去除，可以消除前面处理部分没有去除掉的干扰。

采用Hough变换(霍夫变换)识别草莓，对于任一轮廓点增加所有满足式(1)的参数累计单元，求取累计单元的极大值点，最后用加权平均法合并这些极大值点，获取有效的极大值点。每个有效极值点对应一个圆参数方程，即一个成熟草莓。对图像各个有效区域依次进行处理，可完成整幅图像的草莓识别。基于Hough变换的成熟草莓识别方法。无论是单个分离的成熟草莓，还是多个相互仅靠或重叠的，或者被叶子或其它物体遮掩的复杂情况，相对于整个成熟草莓来说，识别误差较小，能够满足本发明的要求。

本发明的工作原理：升降装置推动所述采摘装置靠近成熟草莓区域，识别模块对采摘装置内成熟与未成熟草莓的信息采集与判断，然后采摘装置对其覆盖范围内的成熟草莓进行采摘。采摘方向将会随实际采摘目标的变化而改变；识别模块将数据传递给控制模块，控制模块控制行走装置进行位置改变，使采摘装置移动到反馈的位置进行采摘。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种草莓自动采摘机器人，包括底板、安装在底板上的升降装置；其特征在于，还包括：

安装在底板上的行走装置，所述行走装置带动所述底板全向移动；

采摘装置，所述采摘装置安装在所述升降装置上，所述采摘装置包括识别模块、采摘平台和推杆，所述采摘平台铰接在所述升降装置上；所述推杆设置在所述采摘平台侧，用于将草莓平铺至采摘平台，配合所述识别模块对草莓进行识别、定位；以及

控制模块，所述控制模块控制所述升降装置、行走装置和采摘装置工作。

2.根据权利要求1所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述升降装置包括竖直光杆、水平光杆、平板I、电动推杆I和电动推杆II，所述竖直光杆、电动推杆I安装在所述底板上，所述水平光杆通过所述平板I活动安装在所述竖直光杆上，所述电动推杆I的输出端与所述水平光杆连接，所述水平光杆与所述采摘装置连接，所述电动推杆II安装在所述平板I上。

3.根据权利要求1所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述行走装置包括全向轮、联轴器A、减速电机A和减速电机支架，若干所述全向轮呈周向安装在所述底板上，所述全向轮通过所述联轴器A与所述减速电机A连接，所述减速电机A通过所述减速电机支架安装在所述底板上。

4.根据权利要求1所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述采摘装置还包括剪切件、双向导向件和连接件，所述双向导向件通过所述连接件安装在所述升降装置上，所述双向导向件为所述剪切件导向。

5.根据权利要求4所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述双向导向件包括四边形边框、同步轮、步进电机和同步带，所述四边形边框四边的端部均设有所述同步轮，同边的所述同步轮通过所述同步带连接，所述步进电机提供动力。

6.根据权利要求1所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，还包括收集装置，所述收集装置包括引导管和收集盒，所述收集盒设置在所述底板上，所述引导管一端设置在所述采摘装置底部，另一端设置在所述收集盒上。

7.根据权利要求6所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述收集装置还包括连杆III、光杆I、电动推杆III和缓冲模块，所述光杆I和电动推杆III安装在所述底板上，所述连杆活动安装在所述光杆I上，所述电动推杆III的输出端与所述连杆III连接，所述缓冲模块安装在与所述收集盒中心相对的所述连杆III上。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，还包括缓冲机构，所述缓冲机构是振动电机和弹簧，所述振动电机安装在采摘平台上，所述弹簧安装在所述采摘平台与所述升降装置之间。

9.根据权利要求1所述的一种草莓自动采摘机器人，其特征在于，所述控制模块包括控制器，所述控制器与所述识别模块连接。

Images