CN111602518A - 全自动垄作式草莓采摘机器人及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了全自动垄作式草莓采摘机器人及使用方法，移动底盘装置上安装有用于控制机器人移动路径的自动循迹装置；所述移动底盘装置的顶部通过多根支撑立柱支撑安装有顶板，所述顶板的顶部两侧对称安装有多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的末端安装有用于对草莓采摘的机械手；所述多自由度机械臂的两侧并位于顶板的顶部对称布置安装有丝杠机构，所述丝杠机构上安装有用于盛放草莓的草莓存储框，所述顶板上安装有用于识别草莓的果实识别检测装置。此采摘机器人能够实现草莓的自动化采摘，有效的降低作业人员的劳动强度，工作效率高。

Description

全自动垄作式草莓采摘机器人及使用方法

技术领域

本发明属于草莓采摘装置领域，特别是涉及全自动垄作式草莓采摘机器人及使用方法。

背景技术

传统的草莓采摘过程主要通过人工的采摘方式进行采摘，由于草莓的植被叶径比较矮，采用人工采摘的作业方式，需要始终弯腰采摘，采摘人员作业人员的劳动强度高，工作效率比较低。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供全自动垄作式草莓采摘机器人，此采摘机器人能够实现草莓的自动化采摘，有效的降低作业人员的劳动强度，工作效率高。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：全自动垄作式草莓采摘机器人，它包括用于带动整个机器人行走的移动底盘装置；所述移动底盘装置上安装有用于控制机器人移动路径的自动循迹装置；所述移动底盘装置的顶部通过多根支撑立柱支撑安装有顶板，所述顶板的顶部两侧对称安装有多自由度机械臂，所述多自由度机械臂的末端安装有用于对草莓采摘的机械手；所述多自由度机械臂的两侧并位于顶板的顶部对称布置安装有丝杠机构，所述丝杠机构上安装有用于盛放草莓的草莓存储框，所述顶板上安装有用于识别草莓的果实识别检测装置。

所述移动底盘装置包括底盘，所述底盘的底部四角通过电机支架支撑安装有行走电机，所述行走电机的输出轴安装有麦克纳姆轮，所述行走电机通过信号线与电机驱动器相连，所述电机驱动器通过信号线与控制器相连。

所述自动循迹装置包括固定在移动底盘装置的底盘底部的PID循迹模块，在底盘的顶部分别通过安装支架固定安装有超声波避障模块，所述PID循迹模块和超声波避障模块都分别通过信号线与控制器相连。

所述多自由度机械臂包括机械臂转动底盘，所述机械臂转动底盘的主轴上安装有转盘，所述转盘的顶部固定安装有第一臂，所述第一臂的顶部通过第一舵机安装有第二臂，所述第二臂的顶端通过第二舵机安装有第三臂，所述第三臂的顶端通过第三舵机安装有第四臂，所述第四臂的末端通过舵机安装座安装有第四舵机，所述第四舵机的输出轴与机械手连接。

所述机械手包括机械手安装座，所述机械手安装座的顶部固定安装有第五舵机，所述第五舵机的输出轴穿过机械手安装座，并在其末端安装有同步连杆机构，所述同步连杆机构与对称布置的机械夹指相连，所述机械夹指通过滑动配合安装在机械手安装座前端的滑轨上；所述机械夹指的内端面安装有用于抱紧草莓的切枝包容拾取器。

所述同步连杆机构包括安装在第五舵机输出轴上的转臂，所述转臂的两端分别通过连杆与对应侧机械夹指的尾端铰接相连，并带动两个机械夹指实现夹紧或者松开动作。

所述丝杠机构包括固定在顶板顶部的步进电机，所述步进电机的输出轴通过联轴器与丝杠相连，所述丝杠通过轴承座安装在丝杠支座之间，所述丝杠支座固定安装在顶板的顶部，所述丝杠上通过丝杠传动配合安装有螺母座，所述螺母座与滑块固定相连，所述滑块与固定在顶板上的滑轨构成滑动配合，所述草莓存储框固定安装在滑块的顶部。

所述果实识别检测装置包括固定在顶板顶部前端的第一摄像头，还包括固定在顶板中心部位的摄像云台装置，所述摄像云台装置包括伸缩杆底座，所述伸缩杆底座固定安装在顶板的中心部位，所述伸缩杆底座的顶部安装有伸缩杆，所述伸缩杆的顶部通过云台安装有第二摄像头。

所述第一摄像头和第二摄像头采用OpenMV 摄像头，用于识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，使得多自由度机械臂和机械手快速移动寻找果实，进而通过识别草莓的形状轮廓以及红色鲜艳程度，确定是否成熟，是否达到采摘要求；并结合负反馈控制系统通过输入量与输出量数据比较来准确定位果实位置以及实现成熟果实的抓取；通过调整预先设定的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别。

全自动垄作式草莓采摘机器人的使用方法，它包括以下步骤：

步骤1：将上述的机器人放入到草莓种植园的种植垄之间的位置；

步骤2：启动上述的机器人，通过移动底盘装置配合自动循迹装置控制机器人在种植园内部行走，并沿着草莓种植垄行走；

步骤3：在行走过程中，启动上述的果实识别检测装置，通过果实识别检测装置的第一摄像头和第二摄像头识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，并根据预设的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别；

步骤4：待草莓识别完成之后，通过控制器控制多自由度机械臂和机械手动作，并移动到草莓所在位置，启动机械手；

步骤5：通过机械手的第五舵机带动转臂，通过转臂同步带动与之铰接相连的连杆，通过连杆同步驱动另一端的机械夹指，通过机械夹指带动切枝包容拾取器将需要采摘的草莓抱紧，并通过其自带的伸缩旋转刀片将草莓的根茎剪断；

步骤6：通过控制器控制机械臂多自由度机械臂和机械手将已经采摘的草莓放置到草莓存储框内部；

步骤7：在草莓放置过程中，通过控制丝杠机构调整草莓存储框的放置位置，通过丝杠机构的步进电机驱动丝杠，进而通过丝杠驱动螺母座，进而通过螺母座带动滑块，通过滑块带动其顶部的草莓存储框移动，进而对其位置进行调节；

步骤8：待一个草莓采摘完成之后，再进行下个草莓的采摘。

本发明有如下有益效果：

1、此采摘机器人能够实现草莓的自动化采摘，有效的降低作业人员的劳动强度，工作效率高。

2、通过上述的移动底盘装置能够实现整个机器人的自动行走。

3、通过上述的自动循迹装置能够用于控制整个移动底盘装置的移动路径，进而使其能够适应复杂的路况环境，采用模拟量输出方式，可程序修改触发阈值用于应付多种复杂环境。

4、通过上述的多自由度机械臂能够用于控制机械手的移动，进而使其能够移动到草莓所在位置。

5、通过上述的机械手能够用于实现草莓的采摘动作。所述同步连杆机构包括安装在第五舵机输出轴上的转臂，所述转臂的两端分别通过连杆与对应侧机械夹指的尾端铰接相连，并带动两个机械夹指实现夹紧或者松开动作。

6、通过上述的丝杠机构能够用于调整草莓存储框的放置位置，进而配合机械手实现草莓的放置。

7、通过上述的果实识别检测装置能够用于待采摘的草莓的识别。工作过程中，通过摄像云台装置采集草莓的图像信息，并将图像信号传递到控制器，再通过控制器控制多自由度机械臂和机械手移动到草莓所在位置，并控制其进行草莓的采摘。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明第一视角三维图。

图2为本发明第二视角三维图。

图3为本发明第三视角三维图。

图4为本发明第四视角三维图。

图中：移动底盘装置1、自动循迹装置2、支撑立柱3、顶板4、丝杠机构5、多自由度机械臂6、机械手7、摄像云台装置8、第一摄像头9；

底盘101、行走电机102、电机支架103、麦克纳姆轮104、电机驱动器105；超声波避障模块201、安装支架202、控制器203、PID循迹模块204；

步进电机501、联轴器502、丝杠支座503、丝杠504、滑轨505、滑块506、螺母座507；

机械臂转动底盘601、转盘602、第一臂603、第一舵机604、第二臂605、第三臂606、第二舵机607、第三舵机608、第四臂609、舵机安装座610；

机械手安装座701、第五舵机702、机械夹指703、切枝包容拾取器704、滑轨705、连杆706、转臂707；

第二摄像头801、云台802、伸缩杆803、伸缩杆底座804。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，全自动垄作式草莓采摘机器人，它包括用于带动整个机器人行走的移动底盘装置1；所述移动底盘装置1上安装有用于控制机器人移动路径的自动循迹装置2；所述移动底盘装置1的顶部通过多根支撑立柱3支撑安装有顶板4，所述顶板4的顶部两侧对称安装有多自由度机械臂6，所述多自由度机械臂6的末端安装有用于对草莓采摘的机械手7；所述多自由度机械臂6的两侧并位于顶板4的顶部对称布置安装有丝杠机构5，所述丝杠机构5上安装有用于盛放草莓的草莓存储框10，所述顶板4上安装有用于识别草莓的果实识别检测装置。此采摘机器人能够实现草莓的自动化采摘，有效的降低作业人员的劳动强度，工作效率高。具体使用过程中，通过自动循迹装置2能够辅助控制移动底盘装置1在草莓种植园内部正常的行走，而且能够进行自动的避障，然后通过果实识别检测装置自动识别草莓，待其识别完成之后，通过控制器自动控制多自由度机械臂6和机械手7完成对草莓的采摘，待其采摘完成之后，通过草莓存储框10对其进行储存和放置。

进一步的，所述移动底盘装置1包括底盘101，所述底盘101的底部四角通过电机支架103支撑安装有行走电机102，所述行走电机102的输出轴安装有麦克纳姆轮104，所述行走电机102通过信号线与电机驱动器105相连，所述电机驱动器105通过信号线与控制器相连。通过上述的移动底盘装置1能够实现整个机器人的自动行走。工作过程中，通过行走电机102驱动麦克纳姆轮104，进而通过麦克纳姆轮104带动底盘101行走。

进一步的，所述自动循迹装置2包括固定在移动底盘装置1的底盘101底部的PID循迹模块204，在底盘101的顶部分别通过安装支架202固定安装有超声波避障模块201，所述PID循迹模块204和超声波避障模块201都分别通过信号线与控制器203相连。通过上述的自动循迹装置2能够用于控制整个移动底盘装置1的移动路径，进而使其能够适应复杂的路况环境，采用模拟量输出方式，可程序修改触发阈值用于应付多种复杂环境。

进一步的，所述多自由度机械臂6包括机械臂转动底盘601，所述机械臂转动底盘601的主轴上安装有转盘602，所述转盘602的顶部固定安装有第一臂603，所述第一臂603的顶部通过第一舵机604安装有第二臂605，所述第二臂605的顶端通过第二舵机607安装有第三臂606，所述第三臂606的顶端通过第三舵机608安装有第四臂609，所述第四臂609的末端通过舵机安装座610安装有第四舵机611，所述第四舵机611的输出轴与机械手7连接。通过上述的多自由度机械臂6能够用于控制机械手7的移动，进而使其能够移动到草莓所在位置。具体工作过程中，通过机械臂转动底盘601能够带动整个转盘602转动，进而带动第一臂603转动，通过第一舵机604带动第二臂605转动，通过第二舵机607带动第三臂606，并有第三舵机608驱动第四臂609转动，进而通过第四臂609驱动舵机安装座610转动，通过第四舵机611带动整个机械手7实现旋转动作。

进一步的，所述机械手7包括机械手安装座701，所述机械手安装座701的顶部固定安装有第五舵机702，所述第五舵机702的输出轴穿过机械手安装座701，并在其末端安装有同步连杆机构，所述同步连杆机构与对称布置的机械夹指703相连，所述机械夹指703通过滑动配合安装在机械手安装座701前端的滑轨705上；所述机械夹指703的内端面安装有用于抱紧草莓的切枝包容拾取器704。通过上述的机械手7能够用于实现草莓的采摘动作。所述同步连杆机构包括安装在第五舵机702输出轴上的转臂707，所述转臂707的两端分别通过连杆706与对应侧机械夹指703的尾端铰接相连，并带动两个机械夹指703实现夹紧或者松开动作。工作过程中，通过第五舵机702带动转臂707，通过转臂707同步带动与之铰接相连的连杆706，通过连杆706同步驱动另一端的机械夹指703，通过机械夹指703带动切枝包容拾取器704将需要采摘的草莓抱紧，并通过其自带的伸缩旋转刀片将草莓的根茎剪断，最终实现草莓的采摘。

进一步的，所述丝杠机构5包括固定在顶板4顶部的步进电机501，所述步进电机501的输出轴通过联轴器502与丝杠504相连，所述丝杠504通过轴承座安装在丝杠支座503之间，所述丝杠支座503固定安装在顶板4的顶部，所述丝杠504上通过丝杠传动配合安装有螺母座507，所述螺母座507与滑块506固定相连，所述滑块506与固定在顶板4上的滑轨505构成滑动配合，所述草莓存储框10固定安装在滑块506的顶部。通过上述的丝杠机构5能够用于调整草莓存储框10的放置位置，进而配合机械手7实现草莓的放置。工作过程中，通过步进电机501驱动丝杠504，通过丝杠504驱动螺母座507，进而通过螺母座507带动与之相连的滑块506沿着滑轨505滑动，进而带动草莓存储框10滑动。

进一步的，所述果实识别检测装置包括固定在顶板4顶部前端的第一摄像头9，还包括固定在顶板4中心部位的摄像云台装置8，所述摄像云台装置8包括伸缩杆底座804，所述伸缩杆底座804固定安装在顶板4的中心部位，所述伸缩杆底座804的顶部安装有伸缩杆803，所述伸缩杆803的顶部通过云台802安装有第二摄像头801。通过上述的果实识别检测装置能够用于待采摘的草莓的识别。工作过程中，通过摄像云台装置8采集草莓的图像信息，并将图像信号传递到控制器，再通过控制器控制多自由度机械臂6和机械手7移动到草莓所在位置，并控制其进行草莓的采摘。

进一步的，所述第一摄像头9和第二摄像头801采用OpenMV 摄像头，用于识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，使得多自由度机械臂6和机械手7快速移动寻找果实，进而通过识别草莓的形状轮廓以及红色鲜艳程度，确定是否成熟，是否达到采摘要求；并结合负反馈控制系统通过输入量与输出量数据比较来准确定位果实位置以及实现成熟果实的抓取；通过调整预先设定的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别。

实施例2：

全自动垄作式草莓采摘机器人的使用方法，它包括以下步骤：

步骤1：将上述的机器人放入到草莓种植园的种植垄之间的位置；

步骤2：启动上述的机器人，通过移动底盘装置1配合自动循迹装置2控制机器人在种植园内部行走，并沿着草莓种植垄行走；

步骤3：在行走过程中，启动上述的果实识别检测装置，通过果实识别检测装置的第一摄像头9和第二摄像头801识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，并根据预设的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别；

步骤4：待草莓识别完成之后，通过控制器203控制多自由度机械臂6和机械手7动作，并移动到草莓所在位置，启动机械手7；

步骤5：通过机械手7的第五舵机702带动转臂707，通过转臂707同步带动与之铰接相连的连杆706，通过连杆706同步驱动另一端的机械夹指703，通过机械夹指703带动切枝包容拾取器704将需要采摘的草莓抱紧，并通过其自带的伸缩旋转刀片将草莓的根茎剪断；

步骤6：通过控制器203控制机械臂多自由度机械臂6和机械手7将已经采摘的草莓放置到草莓存储框10内部；

步骤7：在草莓放置过程中，通过控制丝杠机构5调整草莓存储框10的放置位置，通过丝杠机构5的步进电机501驱动丝杠504，进而通过丝杠504驱动螺母座507，进而通过螺母座507带动滑块506，通过滑块506带动其顶部的草莓存储框10移动，进而对其位置进行调节；

步骤8：待一个草莓采摘完成之后，再进行下个草莓的采摘。

Claims (10)

1.全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：它包括用于带动整个机器人行走的移动底盘装置（1）；所述移动底盘装置（1）上安装有用于控制机器人移动路径的自动循迹装置（2）；所述移动底盘装置（1）的顶部通过多根支撑立柱（3）支撑安装有顶板（4），所述顶板（4）的顶部两侧对称安装有多自由度机械臂（6），所述多自由度机械臂（6）的末端安装有用于对草莓采摘的机械手（7）；所述多自由度机械臂（6）的两侧并位于顶板（4）的顶部对称布置安装有丝杠机构（5），所述丝杠机构（5）上安装有用于盛放草莓的草莓存储框（10），所述顶板（4）上安装有用于识别草莓的果实识别检测装置。

2.根据权利要求1所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述移动底盘装置（1）包括底盘（101），所述底盘（101）的底部四角通过电机支架（103）支撑安装有行走电机（102），所述行走电机（102）的输出轴安装有麦克纳姆轮（104），所述行走电机（102）通过信号线与电机驱动器（105）相连，所述电机驱动器（105）通过信号线与控制器相连。

3.根据权利要求1所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述自动循迹装置（2）包括固定在移动底盘装置（1）的底盘（101）底部的PID循迹模块（204），在底盘（101）的顶部分别通过安装支架（202）固定安装有超声波避障模块（201），所述PID循迹模块（204）和超声波避障模块（201）都分别通过信号线与控制器（203）相连。

4.根据权利要求1所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述多自由度机械臂（6）包括机械臂转动底盘（601），所述机械臂转动底盘（601）的主轴上安装有转盘（602），所述转盘（602）的顶部固定安装有第一臂（603），所述第一臂（603）的顶部通过第一舵机（604）安装有第二臂（605），所述第二臂（605）的顶端通过第二舵机（607）安装有第三臂（606），所述第三臂（606）的顶端通过第三舵机（608）安装有第四臂（609），所述第四臂（609）的末端通过舵机安装座（610）安装有第四舵机（611），所述第四舵机（611）的输出轴与机械手（7）连接。

5.根据权利要求1或4所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述机械手（7）包括机械手安装座（701），所述机械手安装座（701）的顶部固定安装有第五舵机（702），所述第五舵机（702）的输出轴穿过机械手安装座（701），并在其末端安装有同步连杆机构，所述同步连杆机构与对称布置的机械夹指（703）相连，所述机械夹指（703）通过滑动配合安装在机械手安装座（701）前端的滑轨（705）上；所述机械夹指（703）的内端面安装有用于抱紧草莓的切枝包容拾取器（704）。

6.根据权利要求5所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述同步连杆机构包括安装在第五舵机（702）输出轴上的转臂（707），所述转臂（707）的两端分别通过连杆（706）与对应侧机械夹指（703）的尾端铰接相连，并带动两个机械夹指（703）实现夹紧或者松开动作。

7.根据权利要求1所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述丝杠机构（5）包括固定在顶板（4）顶部的步进电机（501），所述步进电机（501）的输出轴通过联轴器（502）与丝杠（504）相连，所述丝杠（504）通过轴承座安装在丝杠支座（503）之间，所述丝杠支座（503）固定安装在顶板（4）的顶部，所述丝杠（504）上通过丝杠传动配合安装有螺母座（507），所述螺母座（507）与滑块（506）固定相连，所述滑块（506）与固定在顶板（4）上的滑轨（505）构成滑动配合，所述草莓存储框（10）固定安装在滑块（506）的顶部。

8.根据权利要求1所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述果实识别检测装置包括固定在顶板（4）顶部前端的第一摄像头（9），还包括固定在顶板（4）中心部位的摄像云台装置（8），所述摄像云台装置（8）包括伸缩杆底座（804），所述伸缩杆底座（804）固定安装在顶板（4）的中心部位，所述伸缩杆底座（804）的顶部安装有伸缩杆（803），所述伸缩杆（803）的顶部通过云台（802）安装有第二摄像头（801）。

9.根据权利要求8所述全自动垄作式草莓采摘机器人，其特征在于：所述第一摄像头（9）和第二摄像头（801）采用OpenMV 摄像头，用于识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，使得多自由度机械臂（6）和机械手（7）快速移动寻找果实，进而通过识别草莓的形状轮廓以及红色鲜艳程度，确定是否成熟，是否达到采摘要求；并结合负反馈控制系统通过输入量与输出量数据比较来准确定位果实位置以及实现成熟果实的抓取；通过调整预先设定的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别。

10.权利要求1-9任意一项所述全自动垄作式草莓采摘机器人的使用方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤1：将上述的机器人放入到草莓种植园的种植垄之间的位置；

步骤2：启动上述的机器人，通过移动底盘装置（1）配合自动循迹装置（2）控制机器人在种植园内部行走，并沿着草莓种植垄行走；

步骤3：在行走过程中，启动上述的果实识别检测装置，通过果实识别检测装置的第一摄像头（9）和第二摄像头（801）识别草莓作物的茎、叶、花、果实颜色，并根据预设的草莓形状轮廓阈值以及颜色阈值来实现草莓识别；

步骤4：待草莓识别完成之后，通过控制器（203）控制多自由度机械臂（6）和机械手（7）动作，并移动到草莓所在位置，启动机械手（7）；

步骤5：通过机械手（7）的第五舵机（702）带动转臂（707），通过转臂（707）同步带动与之铰接相连的连杆（706），通过连杆（706）同步驱动另一端的机械夹指（703），通过机械夹指（703）带动切枝包容拾取器（704）将需要采摘的草莓抱紧，并通过其自带的伸缩旋转刀片将草莓的根茎剪断；

步骤6：通过控制器（203）控制机械臂多自由度机械臂（6）和机械手（7）将已经采摘的草莓放置到草莓存储框（10）内部；

步骤7：在草莓放置过程中，通过控制丝杠机构（5）调整草莓存储框（10）的放置位置，通过丝杠机构（5）的步进电机（501）驱动丝杠（504），进而通过丝杠（504）驱动螺母座（507），进而通过螺母座（507）带动滑块（506），通过滑块（506）带动其顶部的草莓存储框（10）移动，进而对其位置进行调节；

步骤8：待一个草莓采摘完成之后，再进行下个草莓的采摘。

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