CN111758380A - 一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机械设备领域，公开了一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法，该果蔬采摘机械手包括：抓持部，抓持部具有用于抓持果蔬外表面的抓持面；分离部，分离部具有用于切割果蔬的果柄的切割刀具；定位部，定位部用于采集果蔬的位置信息，并通讯连接抓持部与分离部；本发明在对果蔬进行采摘时，可有效减小采摘过程中的干扰和扰动，确保了对果蔬定位的准确性，提高了采摘的质量和成功率，尤其适用于对黄瓜、丝瓜、串番茄等果柄强度高、无明显离层的果蔬的采摘。

Description

一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法

技术领域

本发明涉及农业机械设备领域，特别是涉及一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法。

背景技术

果蔬具有丰富的营养物质，是人类生活中的必需品。果蔬采摘属于劳动密集型工作，是整个果蔬生产链中最耗时和耗力的一个环节。现有的果蔬采摘作业主要依靠人工完成，存在效率低、成本高、劳动强度大等问题。近年来，由于人口老龄化问题导致人力资源严重匮乏，人工采摘作业的成本在整个生产成本中占有较高的比例，因此，实现采摘作业的自动化已成为农业深化发展的迫切需求和关键技术瓶颈，研究基于农业机器人的智能化果蔬采摘成为近年来农业发展的一大热点。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用，提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，从而具有很大发展的潜力。

果蔬的生长环境较为复杂，处于高度的非结构化与不确定的未知环境中。尽管设施农业在一定程度上实现了规范化作业，但由于作物自然生长状态随机且多样，作物枝叶与果实的空间布局复杂，其形状也复杂多样。采摘机器人对果蔬进行采摘时的采摘成功率、采摘效率、果实及枝叶的受损程度是关键的评价指标。因而，采摘机器人在进行采摘时，应该具有高度的采摘对象的适应性，对周围环境及果蔬对象具有较小的扰动和破坏性，能够较好地应对采摘对象的易损性和个体形状的差异性。

现有的采摘机器人在对果蔬进行采摘时，通常是采用定位装置对果蔬的位姿进行判断，然后，采用切割装置对果蔬的果柄进行切割，在此过程中，将果蔬收集网兜置于果蔬的下侧，使得果蔬与植株分离后直接在自重的作用下滚落至收集箱中。然而，在实际采摘操作中，果蔬收集网兜通常需设置较大的口径，以收集果蔬，但果蔬收集网兜在随着机械臂移动的过程中会不可避免地触碰到果蔬或植株的其它部位，导致果蔬的位置发生改变，在植株枝叶比较稠密的情况下，会严重影响到定位装置对果蔬位置判断的准确性，从而降低采摘机器人对果蔬采摘的成功率。

与此同时，现有的采摘机器人大多适用于冠状果树上水果的采摘，不适用于黄瓜、丝瓜、串番茄等果柄强度高、无明显离层的果蔬的采摘，且在采摘过程中不能较好地固定果蔬，从而会在切割果柄的过程中对果蔬产生误伤，进而影响到果蔬的采摘质量。

发明内容

本发明实施例提供一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法，用于解决现有的采摘机器人对果蔬采摘的成功率低，采摘质量低下，不适用于采摘果柄强度高、无明显离层的果蔬的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种果蔬采摘机械手，包括：抓持部，所述抓持部具有用于抓持果蔬外表面的抓持面；分离部，所述分离部具有用于切割果蔬的果柄的切割刀具；定位部，所述定位部用于采集果蔬的位置信息，并通讯连接所述抓持部与所述分离部。

其中，所述抓持部包括多个仿生节，多个所述仿生节依次通过旋转驱动结相连接；和/或，所述抓持部包括多个，并呈并排布置。

其中，所述抓持面装有柔性内衬，所述柔性内衬包括多个气动吸盘。

其中，所述分离部包括切割驱动装置和仿形装置；所述切割驱动装置的输出端连接所述切割刀具，所述仿形装置设置于所述切割刀具的一侧，并具有用于对果柄的位置进行引导和定位的导引结构。

其中，所述切割驱动装置包括伸缩驱动机构和振动器，所述伸缩驱动机构的伸缩端连接所述振动器，所述振动器连接所述切割刀具，所述切割刀具的刀口朝向所述抓持部。

其中，所述定位部包括双目相机。

其中，还包括：固定座，所述定位部、所述分离部及所述抓持部依次并排安装于所述固定座上。

其中，所述抓持部通过第一旋转台安装于所述固定座上，所述分离部通过第二旋转台安装于所述固定座上；和/或，所述固定座上还装有照明装置。

本发明实施例还提供了一种采摘机器人，包括多自由度机械臂及如上所述的果蔬采摘机械手，所述多自由度机械臂的一端连接所述果蔬采摘机械手。

本发明实施例还提供了一种如上所述的采摘机器人的采摘方法，包括：基于采摘机器人的车载定位系统获取果蔬的第一位置信息，控制多自由度机械臂进行运动轨迹规划，将果蔬采摘机械手送达至初始采摘点；基于定位部获取果蔬的第二位置信息，调整抓持部的位姿，控制抓持部相应的各个仿生节从末节到首节按顺序依次张开，并从果蔬的一侧逐渐靠近，在抓持部从果蔬的另一侧伸出后，再控制抓持部相应的各个仿生节从首节到末节按顺序依次闭合，以对果蔬依次进行勾、搂和固定；基于所述第二位置信息，调整分离部的位姿，控制仿形装置对果蔬的果柄的位置进行引导和定位，启动切割驱动装置，由切割刀具对果柄实施切割。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例提供的果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法，在对果蔬进行采摘时，可通过多自由度机械臂将果蔬采摘机械手送达至果蔬附近的位置，然后，基于定位部对果蔬的进一步定位，可分别调整抓持部和分离部的位姿，在抓持部对果蔬依次进行勾、搂和固定后，可由分离部对固定好的果蔬的相应果柄进行切割，如此可有效减小采摘过程中的干扰和扰动，确保了对果蔬定位的准确性，提高了采摘的质量和成功率，尤其适用于对黄瓜、丝瓜、串番茄等果柄强度高、无明显离层的果蔬的采摘。

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为本发明实施例所示的果蔬采摘机械手的结构示意图；

图2为本发明实施例所示的抓持部处于张开状态的结构示意图；

图3为本发明实施例所示的抓持部处于抓持状态的结构示意图；

图4为本发明实施例所示的采摘机器人的结构示意图；

图5为本发明实施例所示的采摘机器人的采摘方法的流程图。

图中，1、抓持部；101、转节；102、腿节；103、胫节；104、跗节；105、气动吸盘；106、旋转驱动结；2、分离部；201、伸缩驱动机构；202、振动器；203、切割刀具；204、仿形轮；205、仿形固定架；3、定位部；4、固定座；5、第一旋转台；6、第二旋转台；7、照明装置；8、多自由度机械臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种果蔬采摘机械手，包括：抓持部1，抓持部1具有用于抓持果蔬外表面的抓持面；分离部2，分离部2具有用于切割果蔬的果柄的切割刀具203；定位部3，定位部3用于采集果蔬的位置信息，并通讯连接抓持部1与分离部2。

具体的，本实施例所示的果蔬采摘机械手，在对果蔬进行采摘时，在通过多自由度机械臂将果蔬采摘机械手送达至果蔬附近的位置后，基于定位部3获取的果蔬的位置信息，可分别调整抓持部1和分离部2的位姿，在抓持部1对果蔬依次进行勾、搂和固定后，可由分离部2对固定好的果蔬的相应果柄进行切割，如此可有效减小采摘过程中的干扰和扰动，确保了对果蔬定位的准确性，提高了采摘的质量和成功率，尤其适用于对黄瓜、丝瓜、串番茄等果柄强度高、无明显离层的果蔬的采摘。

在此应指出的是，本实施例所示的定位部3在采集果蔬的位置信息时，可采用本领域所公知的二维激光雷达、超声波传感器、双目相机等，由于双目相机体积小巧，便于安装，能够较为直接地获取果蔬当前位置的图像，对果蔬进行双目视觉定位，并能有效地追踪果蔬的位姿，从而本实施例所示的定位部3优选为双目相机。

与此同时，本实施例所示的抓持部1与分离部2均可为电动部件，能够基于定位部3所提供的果蔬的位置信息，以调整自身的位姿，以便由抓持部1对相应位置的果蔬实施抓持，并由分离部2对果蔬的果柄实施切割。

优选的，本实施例所示的定位部3、分离部2及抓持部1依次并排安装于固定座4上，其中，在固定座4为如图1所示的立式布置时，定位部3、分离部2及抓持部1依次从上往下并排布置。在此，将定位部3设置于最上方，有利于获取较为广阔的视角位置，以对果蔬实施定位，防止植株的枝叶对定位部3的定位操作带来影响。由于果蔬在成熟时，通常是果柄在上，果蔬位于其果柄的下侧，从而将分离部2设置于抓持部1的下侧，便于先由抓持部1对果蔬实施抓持，再由分离部2对果蔬的果柄实施切割作业。

进一步的，可将抓持部1安装于第一旋转台5的旋转端，将第一旋转台5的固定端安装于固定座4上，在抓持部1当前所处的状态与定位部3所反馈的果蔬的位置信息偏差较大时，可控制第一旋转台5沿着垂直于固定座4端面的方向(第一旋转台5的轴向)对抓持部1进行转动调节，以便基于第一旋转台5对抓持部1的位姿进行调整，从而便于抓持部1对果蔬较好地实施抓持；相应地，可将分离部2安装于第二旋转台6的旋转端，第二旋转台6的固定端安装于固定座4上，以便基于第二旋转台6的对分离部2的位姿进行调整，从而便于分离部2准确地对果蔬的果柄实施切割作业。

与此同时，在本实施例所示的定位部3优选为双目相机时，还可在固定座4上安装照明装置7，该照明装置7可优选为LED灯带，LED灯带可设置两条，并对称分设在双目相机的两侧。由于定位部3、分离部2及抓持部1依次从上往下并排布置，从而两条LED灯带也相对分设于分离部2及抓持部1的两侧。在此，照明装置7既为双目相机提供适宜的光照环境，以对果蔬进行定位，也便于基于双目相机所提供的定位信息对分离部2及抓持部1的位姿进行调整。

优选地，如图1所示，本实施例中抓持部1包括多个仿生节，多个仿生节依次通过旋转驱动结106相连接；和/或，抓持部1包括多个，并呈并排布置。

具体的，本实施例所示的仿生节可设置N个，N为大于3的自然数。在此，可对N个仿生节进行排序，将直接与第一旋转台5相连接的一节设为首节，从而首节的一端连接第二个仿生节的一端、第二个仿生节的另一端连接第二个仿生节的一端、…第N-1个仿生节的另一端连接第N个仿生节的一端，其中，第N个仿生节也称之末节。与此同时，旋转驱动结106可以为本领域所公知的微型电机，对于两个相邻的仿生节而言，可将其中一个仿生节的一端连接微型电机的定子，微型电机的转子连接另一个仿生节的相应端，从而实现多个仿生节依次通过旋转驱动结相连接。

由于对于黄瓜、丝瓜等果蔬而言，这类果蔬呈长条状，从而将抓持部1设置多个，并呈并排布置，有利于确保对果蔬抓持的可靠性。

在其中一个具体实施例中，如图1所示，基于仿照螳螂的两个前足的生物结构和捕食动作，本实施例具体在第一旋转台5上并排装有两个相对应的抓持部1，以同时对果蔬实施抓取。

如图1所示，本实施例所示的抓持部1具体设置四个仿生节，这四个仿生节分别为转节101、腿节102、胫节103和跗节104，转节101、腿节102、胫节103和跗节104依次通过旋转驱动结106相连接，由于转节101的一端直接与第一旋转台5相连接，从而可以将转节101设为直杆状，由于腿节102、胫节103和跗节104分别用于对果蔬的抓持，从而为了适应于果蔬外侧壁的形状，可将腿节102、胫节103和跗节104设计为圆弧状，但腿节102的设计长度大于胫节103，且腿节102与胫节103均可采用刚性结构，为防止跗节104在动作时对果蔬的外表面造成损伤，跗节104可采用柔性板制成。

由此，如图2所示，在控制抓持部1张开时，可依次控制与跗节104、胫节103及腿节102相应的旋转驱动结106沿逆时针转动预设的角度，可使得跗节104、胫节103及腿节102依次伸展开，直至跗节104、胫节103、腿节102及转节101近似位于一条直线上。

相应地，如图3所示，在对果蔬进行抓持时，可依次控制与腿节102、胫节103及跗节104相应的旋转驱动结106沿顺时针转动预设的角度，从而腿节102和胫节103依次偏摆，以对果蔬完成勾和搂的动作，然后，跗节104再次偏摆，以对果蔬进行固定。

优选地，如图1至图3所示，在对果蔬抓持过程中，为了对果蔬的表面进行进一步的防护，本实施例可在抓持部1的抓持面装柔性内衬，该柔性内衬可以为布条、海绵等柔性结构。

在其中一个具体实施例中，柔性内衬包括多个气动吸盘105，可在各个仿生节相应的抓持面安装一个或多个气动吸盘105。在抓持部1对果蔬实施抓持时，气动吸盘105既用于对果蔬的外表面进行柔性防护，又用于对果蔬的外表面提供吸附力，从而结合抓持部1的仿生抓持结构及气动吸盘105的柔性防护与吸附作用，大大提高了对果蔬抓持的稳定性，避免了抓持时对果蔬造成损伤。

优选地，如图1所示，本实施例中分离部2包括切割驱动装置和仿形装置；切割驱动装置与仿形装置均安装于第二旋转台6上，切割驱动装置的输出端连接切割刀具203，仿形装置设置于切割刀具203的一侧，并具有用于对果蔬的果柄的位置进行引导和定位的导引结构。仿形装置包括仿形轮204与仿形固定架205，仿形固定架205的一端连接第二旋转台6，仿形固定架205的另一端连接仿形轮204，仿形轮204两端的直径相等，但仿形轮204中部形成横截面呈“V”形的环形槽，可基于该环形槽对果柄的位置进行引导，并可使得环形槽的“V”形槽底最终卡在果柄与植株主茎的结合处，以便于切割刀具203对准果柄的切割点进行切割，并减少切割时的扰动。

其中，仿形固定架205可设为两段式结构，具体包括固定段和浮动段，固定段与浮动段之间可呈预设的夹角，以使得在沿着第二旋转台6的轴向，仿形装置的仿形轮204与切割刀具203互不干扰。在此，固定段的一端连接第二旋转台6，固定段的另一端通过销轴与浮动段的一端相铰接，并在销轴上装有扭簧，扭簧的一个支脚连接固定段，扭簧的另一个支脚连接浮动段，浮动段的另一端连接仿形轮204。由此，在对果柄的位置进行引导和定位的过程中，可避免仿形轮204与果柄直接刚性接触，使得仿形轮204的位置也能适应于果柄的实际方位而进行相应的调节，大大提高了对果柄定位的精度，避免了仿形的过程中对植株的枝叶造成损伤。

进一步的，如图1所示，本实施例所示的切割驱动装置包括伸缩驱动机构201和振动器202，伸缩驱动机构201的可具体采用气缸，气缸的伸缩端连接振动器202的一端，振动器202的另一端可通过刀架连接切割刀具203，切割刀具203的刀口朝向抓持部1。

由于抓持部1在对果蔬实施抓持后，果蔬的果柄通常是以倾斜布置的方式与植株的主茎相连接，从而在仿形装置对果柄的位置进行引导和定位后，可控制伸缩驱动机构201执行相应的伸缩量，以使得切割刀具203的刀口正好与果柄相靠近，从而在启动振动器202后，切割刀具203的刀口会沿着朝向抓持部1的方向来回高频率振动，以对果柄实施有效切断。由于在切割过程中，果柄的受力主要传导至植株的主茎，从而可对果蔬形成有效防护，进而确保了采摘质量。

优选地，如图4所示，本实施例还提供了一种采摘机器人，包括多自由度机械臂8及如上所述的果蔬采摘机械手，多自由度机械臂8的一端连接所述果蔬采摘机械手，其中，还可将多自由度机械臂8的一端通过转接环与果蔬采摘机械手的固定座4相连接。

优选地，如图5所示，本实施例还提供了一种如上所述的采摘机器人的采摘方法，包括：S1，基于采摘机器人的车载定位系统获取果蔬的第一位置信息，控制多自由度机械臂进行运动轨迹规划，将果蔬采摘机械手送达至初始采摘点；S2，基于定位部获取果蔬的第二位置信息，调整抓持部的位姿，控制抓持部相应的各个仿生节从末节到首节按顺序依次张开并从果蔬的一侧逐渐靠近，在抓持部从果蔬的另一侧伸出后，再控制抓持部相应的各个仿生节从首节到末节按顺序依次闭合，以对果蔬依次进行勾、搂和固定；S3，基于第二位置信息，调整分离部的位姿，控制仿形装置对果蔬的果柄的位置进行引导和定位，启动切割驱动装置，由切割刀具对果柄实施切割。

具体的，本实施例所示的采摘机器人上的车载定位系统既可以为本领域所公知的双目视觉定位系统，也可以为二维激光雷达，可通过该车载定位系统对果蔬进行初步定位，以便于通过多自由度机械臂将果蔬采摘机械手送达至初始采摘点。与此同时，基于定位部对果蔬的局部定位，可对抓持部与分离部的位姿进行调整，基于对抓持部的各个仿生节的张开状态与抓持状态的控制，可对果蔬实施可靠的抓持，从而在通过仿形装置对果柄的位置进行引导和定位后，可对果柄实施有效的切割。

其中，控制抓持部相应的各个仿生节从末节到首节按顺序依次张开，可以理解为，控制抓持部相应的各个仿生节从末节到首节按顺序依次沿逆时针转动预设的角度，以使得抓持部的各个仿生节依次伸展开；相应地，控制抓持部相应的各个仿生节从首节到末节按顺序依次闭合，可理解为，控制抓持部相应的各个仿生节从首节到末节按顺序依次沿顺时针转动预设的角度，以使得抓持部的各个仿生节依次对果蔬的外表面实现抓持。

基于上述操作，可有效减小采摘过程中的干扰和扰动，确保了采摘的成功率，并有效降低在采摘过程中对果蔬的损伤，大大提高了采摘质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种果蔬采摘机械手，其特征在于，包括：

抓持部，所述抓持部具有用于抓持果蔬外表面的抓持面；

分离部，所述分离部具有用于切割果蔬的果柄的切割刀具；

定位部，所述定位部用于采集果蔬的位置信息，并通讯连接所述抓持部与所述分离部。

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述抓持部包括多个仿生节，多个所述仿生节依次通过旋转驱动结相连接；

和/或，所述抓持部包括多个，并呈并排布置。

3.根据权利要求1所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述抓持面装有柔性内衬，所述柔性内衬包括多个气动吸盘。

4.根据权利要求1所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述分离部包括切割驱动装置和仿形装置；所述切割驱动装置的输出端连接所述切割刀具，所述仿形装置设置于所述切割刀具的一侧，并具有用于对果柄的位置进行引导和定位的导引结构。

5.根据权利要求4所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述切割驱动装置包括伸缩驱动机构和振动器，所述伸缩驱动机构的伸缩端连接所述振动器，所述振动器连接所述切割刀具，所述切割刀具的刀口朝向所述抓持部。

6.根据权利要求1所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述定位部包括双目相机。

7.根据权利要求1至6任一所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

还包括：固定座，所述定位部、所述分离部及所述抓持部依次并排安装于所述固定座上。

8.根据权利要求7所述的果蔬采摘机械手，其特征在于，

所述抓持部通过第一旋转台安装于所述固定座上，所述分离部通过第二旋转台安装于所述固定座上；

和/或，所述固定座上还装有照明装置。

9.一种采摘机器人，其特征在于，包括多自由度机械臂及如权利要求1至8任一所述的果蔬采摘机械手，所述多自由度机械臂的一端连接所述果蔬采摘机械手。

10.一种如权利要求9所述的采摘机器人的采摘方法，其特征在于，包括：

基于采摘机器人的车载定位系统获取果蔬的第一位置信息，控制多自由度机械臂进行运动轨迹规划，将果蔬采摘机械手送达至初始采摘点；

基于定位部获取果蔬的第二位置信息，调整抓持部的位姿，控制抓持部相应的各个仿生节从末节到首节按顺序依次张开，并从果蔬的一侧逐渐靠近，在抓持部从果蔬的另一侧伸出后，再控制抓持部相应的各个仿生节从首节到末节按顺序依次闭合，以对果蔬依次进行勾、搂和固定；

基于所述第二位置信息，调整分离部的位姿，控制仿形装置对果蔬的果柄的位置进行引导和定位，启动切割驱动装置，由切割刀具对果柄实施切割。

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