CN111758395A - 一种花椒采摘装置及其所构成的花椒视觉采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种花椒采摘装置及其所构成的花椒视觉采摘机器人，包括花椒采摘装置、安装底盘、行走系统、烘干筛选系统和采摘机械手，花椒采摘装置配合安装于采摘机械手顶端，安装底盘上设有负压收集器，负压收集器与花椒采摘装置的出料口之间通过花椒负压收集管密闭连接；烘干筛选系统包括烘干筛选箱，烘干筛选箱中安装有传送装置、振动除杂装置和接料筐，振动除杂装置内部具有振动筛板和吹风机，振动筛板将振动除杂装置内部分隔成上层筛选空间和下层筛选空间，上层筛选空间与接料筐相对应。本发明通过视觉识别、定位并计算出行进路径和采摘路径，实现了花椒采摘作业的自动化、智能化操控，降低了劳动强度，提高了采摘效率。

Description

一种花椒采摘装置及其所构成的花椒视觉采摘机器人

技术领域

本发明涉及花椒采摘技术领域，尤其涉及一种花椒采摘装置及其所构成的花椒视觉采摘机器人。

背景技术

花椒为日常生活中最重要的调味食材，花椒树上长满了刺，这给花椒采摘带来了麻烦。目前基本靠人工进行采摘，即在花椒树附近采用工具或徒手进行人力采摘，经常被花椒树上的刺所伤害，采摘起来非常困难，人工采摘效率较低，并且劳动强度较高，严重制约了花椒产业的发展。尽管出现了高枝剪切、机械振动等采摘方式，存在着损伤花椒枝条、枝干的缺陷，也存在部分区域难以采摘的问题，或者采摘后花椒收集麻烦等问题，现有技术均存在不同程度的弊端，采摘效果不理想。

近年来，农业采摘机器人作为一种在特定环境下进行作业的机器人开始研发与应用；在农业机器人技术的研究方面，花椒采摘目前只有一些手动型辅助采摘机器，花椒采摘机器人还处于空白。花椒采摘时，如剪掉过多的花椒叶及枝干，会影响花椒来年收成，因此，目前花椒的采摘基本是人工采摘或采用手动辅助采摘器进行采摘，市面上手动型辅助采摘机器有电动和手动两种，电动花椒采摘器主要通过电机带动刃口震动，将花椒细枝切断来进行采摘。虽然传统的花椒采摘器在一定程度上减少了人工采摘的劳动强度，但是本质上仍然需要大量的人工参与。由于花椒的果实较为分散，且采摘要求高(不能采摘掉过多的枝叶)，采摘难度大，因此目前还未有全自动化的花椒采摘机器。

虽然花椒总产量和面积呈递增趋势，但受地理、交通及技术条件所限，加之花椒采摘主要依靠人工，劳动强度大、效率低，劳动力日益短缺和机械采摘技术的不成熟，造成采摘成本在花椒生产成本中占比过高，因而难以保障花椒产业的持续、高效、健康发展。因此，开发一种自行走智能花椒采摘机器人对我国花椒产业发展有着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种花椒采摘装置及其所构成的花椒视觉采摘机器人，通过行走系统行走到待采摘花椒树附近，通过夹具机械手将夹具举升并移动至待采摘花椒簇附近的枝干或枝条处，夹具将待采摘花椒簇附近的枝干或枝条夹持固定住，然后通过采摘机械手将花椒采摘装置举升并移动至待采摘花椒簇附近，花椒采摘装置对待采摘花椒进行采摘处理，采摘后的花椒经过花椒负压收集管负压输送至烘干筛选系统中，烘干筛选系统对花椒果实进行烘干除湿、除杂等处理，得到干净、干燥的花椒果实运输储存于接料筐。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种花椒采摘装置，花椒采摘装置包括采摘壳体，所述采摘壳体侧部具有采摘口，所述采摘壳体底部具有与采摘口相对应的出料口，所述采摘壳体的采摘口处安装有采摘组件，所述采摘组件由若干个采摘梳齿单元，所述采摘梳齿单元包括动梳齿板和与动梳齿板相对应的定梳齿板，所述采摘壳体顶部设有用于驱动各个动梳齿板升降运动的驱动装置。

为了更好地实现本发明花椒采摘装置，所述驱动装置为电机，所述采摘壳体顶部设有固定支座，所述固定支座上铰接安装有传动架，所述驱动装置具有驱动凸轮，所述驱动凸轮上固定有主轴驱动轴；所述传动架包括传动主臂和驱动摆臂组件，所述传动主臂一端开有摆动配合孔A，所述主轴驱动轴活动配合安装于摆动配合孔A中，所述传动主臂另一端与驱动摆臂组件连接固定，所述驱动摆臂组件通过转轴转动安装于固定支座上，所述驱动摆臂组件包括若干个驱动摆臂，所述驱动摆臂端部与动梳齿板顶部一一对应铰接。

作为本发明花椒采摘装置的一种优选的技术方案是：所述驱动摆臂组件包括两个驱动摆臂，所述传动主臂固定连接有横梁，两个驱动摆臂连接于横梁两端，两个驱动摆臂之间连接有同步轴，所述驱动摆臂开有与同步轴活动配合的摆动配合孔B，所述动梳齿板顶部连接于同步轴上。

作为本发明花椒采摘装置的一种优选的技术方案是：所述采摘壳体顶部设有动梳齿传动保护壳体，所述驱动装置、传动架、固定支座置于动梳齿传动保护壳体中，所述动梳齿传动保护壳体开设有与各个驱动摆臂相对应的动配合升降适应槽。

作为本发明花椒采摘装置的一种优选的技术方案是：所述定梳齿板与采摘壳体连接固定，所述定梳齿板设有若干个定梳齿，相邻两个定梳齿之间具有定梳齿槽；所述动梳齿板设有若干个动梳齿，相邻两个动梳齿之间具有动梳齿槽；所述采摘壳体设有用于动梳齿板运动导向的限位导向机构；所述采摘壳体远离采摘口的一端侧部固定有机架，所述机架或采摘壳体上设有朝向采摘口方向的双目相机B和测距传感器。

一种由花椒采摘装置所构成的花椒视觉采摘机器人，包括花椒采摘装置、安装底盘、行走系统、烘干筛选系统和采摘机械手，所述安装底盘底部两侧分别安装有行走系统，所述安装底盘上安装设有采摘机械手和控制柜；所述花椒采摘装置配合安装于采摘机械手顶端，所述安装底盘上设有负压收集器，所述负压收集器与花椒采摘装置的出料口之间通过花椒负压收集管密闭连接；所述烘干筛选系统包括烘干筛选箱，所述烘干筛选箱中安装有传送装置、振动除杂装置和接料筐，所述传送装置的进料端设有与负压收集器相对应的进料斗，所述传送装置的出料端与振动除杂装置的进料端相对应，所述振动除杂装置内部具有振动筛板和吹风机，所述振动筛板将振动除杂装置内部分隔成上层筛选空间和下层筛选空间，所述上层筛选空间与接料筐相对应，所述吹风机设于振动除杂装置内部；所述控制柜分别与采摘机械手、花椒采摘装置、负压收集器、行走系统、传送装置、振动除杂装置连接。

本发明花椒视觉采摘机器人优选的技术方案如下：所述传送装置包括若干层传送带，所有层传送带从上至下依次设置，相邻上层两层传送带之间对应设有下料斗；所述烘干筛选箱内部设有与传送装置相对应的微波加热管，所述烘干筛选箱底部设有排风扇，所述烘干筛选箱底部还开有与排风扇相对应的排风孔，所述微波加热管、排风扇分别与控制柜连接，所述控制柜内部设有通信模块。

本发明花椒视觉采摘机器人优选的技术方案如下：所述行走系统包括行走驱动电机、驱动轮和行走履带，所述行走驱动电机与驱动轮动力连接，所述行走系统在位于驱动轮两侧分别设有从动轮，所述行走系统的行走履带动力配合安装于两个从动轮、一个驱动轮上，所述行走驱动电机与控制柜连接；所述振动除杂装置具有活动门。

本发明花椒视觉采摘机器人优选的技术方案如下：所述安装底盘上还安装有夹具机械手，所述夹具机械手顶端安装有夹具，所述夹具机械手与控制柜连接；所述夹具包括夹具座，所述夹具座通过连接杆A与机械手A连接，所述夹具座上两侧分别设有剪刀式连杆架，两个剪刀式连杆架端部配合设有弧形夹板；所述安装底盘上设有全景相机、双目相机A，所述全景相机、双目相机A分别与控制柜连接，所述花椒采摘装置的双目相机B与控制柜连接；所述控制柜内部设有电源或发电机，或者安装底盘上安装有与控制柜连接的电源或发电机。

为了实现本发明花椒视觉采摘机器人的智能化操控，其技术方案如下：所述控制柜内部设有采摘机械人智能控制系统，所述采摘机械人智能控制系统包括行走控制系统、采摘控制系统、负压收集控制系统和烘干筛选控制系统，所述行走控制系统包括视觉识别定位系统A和行走执行控制模块，所述视觉识别定位系统A分别与全景相机、双目相机A连接，所述全景相机用于进行全景扫描与识别，所述双目相机A用于进行局部扫描与识别，所述视觉识别定位系统A计算出规划行走路径并传输至行走执行控制模块，所述行走执行控制模块与行走系统连接，所述行走执行控制模块根据规划行走路径控制行走系统进行行走运动；所述采摘控制系统包括视觉识别定位系统B和采摘执行控制模块，所述视觉识别定位系统B分别与双目相机B、测距传感器连接，所述双目相机B用于进行局部扫描与识别，所述测距传感器用于待采摘花椒位置测距，所述视觉识别定位系统B分别计算出机械手夹具运动指令及机械手采摘运动指令，所述机械手夹具运动指令与夹具机械手相对应，所述机械手采摘运动指令与采摘机械手相对应，所述采摘执行控制模块分别与采摘机械手、夹具机械手连接，所述采摘执行控制模块分别控制采摘机械手与夹具机械手进行多关节作业联合运动；所述负压收集器内部具有负压发生器，所述负压收集控制系统与负压收集器的负压发生器连接；所述烘干筛选控制系统分别与传送装置、振动除杂装置连接。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明具有采摘机械人智能控制系统，采摘机械人智能控制系统包括视觉识别定位系统A和视觉识别定位系统B，视觉识别定位系统A通过扫描、识别、计算得到规划行走路径传输至行走执行控制模块，行走执行控制模块按照规划行走路径控制行走系统进行行走运动，视觉识别定位系统A不停地扫描识别计算并更新规划行走路径控制行走系统精确行走。视觉识别定位系统B通过扫描、识别、计算得到机械手夹具运动指令及机械手采摘运动指令，夹具机械手按照机械手夹具运动指令执行运动并控制夹具夹持待采摘花椒簇附近枝干，采摘机械手按照机械手采摘运动指令执行运动并控制花椒采摘装置进行待采摘花椒簇的花椒果实采摘作业。通过上述自动化、智能化控制，本发明可以实现采摘机械人的自行走以及夹持、采摘的自动化、智能化操作。

(2)本发明采用液压履带式行走机构作为作业底盘，搭载电源或发电机作为动力来源；采用视觉识别定位系统对行进路径、花椒果实和枝条进行三维建模和定位，通过采摘机械人智能控制系统对视觉识别定位系统的识别、定位结果进行机器人行进路径规划和采摘路径规划计算，实现了控制多自由度机械臂运动，也实现了通过机械臂前端的花椒采摘装置进行花椒果实采摘作业。

(3)本发明通过视觉识别、定位处理可实现路径、花椒簇、枝干的精确定位，采摘机械人智能控制系统可根据视觉识别定位结果进行合理路径规划，控制机器人和机械臂的运动。同时采用双机械臂设计，模拟人工采摘作业方式及过程，避免过多枝叶的损毁，具有行走智能化、采摘智能化、采摘精度高等优点。

(4)本发明通过行走系统行走到待采摘花椒树附近，通过夹具机械手将夹具举升并移动至待采摘花椒簇附近的枝干或枝条处，夹具将待采摘花椒簇附近的枝干或枝条夹持固定住，然后通过采摘机械手将花椒采摘装置举升并移动至待采摘花椒簇附近，花椒采摘装置对待采摘花椒进行采摘处理，采摘后的花椒经过花椒负压收集管负压输送至烘干筛选系统中，烘干筛选系统对花椒果实进行烘干除湿、除杂等处理，得到干净、干燥的花椒果实运输储存于接料筐。

(5)本发明动梳齿板具有动梳齿，定梳齿板上具有定梳齿，定梳齿板的各个定梳齿之间具有定梳齿槽，通过定梳齿板的定梳齿槽梳理并容纳花椒簇的花椒根茎，然后通过驱动装置、传动架驱动动梳齿板升降运动，实现了动梳齿板与定梳齿板相互运动，并通过动梳齿板的动梳齿剪切置于定梳齿板的定梳齿槽中花椒根茎的目的。

(6)本发明采用负压收集方式对花椒采摘装置采摘的花椒进行收集，然后通过花椒负压收集管输送，可有效防止花椒油胞破裂或损坏花椒品质，提高了花椒果实采摘效率和采摘后花椒果实质量。

(7)本发明通过烘干筛选系统对花椒果实进行烘干除湿、去除杂质等处理，可直接得到干花椒成品，有利于花椒果实的运输与储存。本发明几乎无需人工参与，降低了采摘工人的劳动强度，提高了花椒采摘效率。

附图说明

图1为本发明花椒采摘装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为本发明驱动装置驱动各个动梳齿板升降运动的结构示意图；

图4为本发明花椒视觉采摘机器人的结构示意图；

图5为图4中夹具的结构示意图；

图6为本发明烘干筛选系统的结构示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－安装底盘,2－控制柜,3－行走系统,4－全景相机,5－烘干筛选系统，51－进料斗,52－传送装置，521－传送带,522－下料斗,53－振动除杂装置,531－活动门，54－接料筐，55－微波加热管,56－排风扇,6－负压收集器,7－花椒负压收集管,8－夹具，81－夹具座,82－剪刀式连杆架,83－弧形夹板,84－连接杆A,9－采摘机械手,10－夹具机械手,11－双目相机A,12－双目相机B,13－花椒采摘装置，131－机架,132－采摘壳体,133－电机，1331－驱动凸轮，1332－主轴驱动轴,134－固定支座,1341－转轴,135－传动架,1351－传动主臂，13511－摆动配合孔A,1352－驱动摆臂，13521－摆动配合孔B,1353－同步轴,136－动梳齿板,1361－动梳齿,137－定梳齿板,1371－定梳齿,14－测距传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图6所示，一种花椒采摘装置，花椒采摘装置13包括采摘壳体132，采摘壳体132侧部具有采摘口(使用时，通过该采摘口针对带采摘花椒束进行采摘处理)，采摘壳体132底部具有与采摘口相对应的出料口(花椒采摘装置13采摘的花椒果实经过出料口排放到花椒负压收集管7中或其他花椒收集容器中)，采摘壳体132的采摘口处安装有采摘组件，采摘组件由若干个采摘梳齿单元，采摘梳齿单元包括动梳齿板136和与动梳齿板136相对应的定梳齿板137，采摘壳体132顶部设有用于驱动各个动梳齿板136升降运动的驱动装置。定梳齿板137与采摘壳体132连接固定，定梳齿板137设有若干个定梳齿1371，相邻两个定梳齿之间具有定梳齿槽，该定梳齿槽用于梳理花椒根茎，使用时，可以实现让花椒束或花椒簇的花椒根茎置于各个定梳齿槽中。动梳齿板136设有若干个动梳齿1361，相邻两个动梳齿之间具有动梳齿槽，动梳齿槽的槽口距离大于定梳齿槽的槽口距离(一般来说，动梳齿槽的槽口距离为定梳齿槽的槽口的1.5～3.5倍)，动梳齿板136升降运动可以促使各个动梳齿1361对置于定梳齿槽中的花椒根茎进行剪断处理。

本发明花椒采摘装置的工作原理如下：花椒采摘装置13通过采摘机械手9举升至待采摘花椒簇附近(测距传感器14用于测量距离待采摘花椒簇的距离，双目相机B12用于对花椒采摘装置13前方进行摄像操作并向人或向采摘机械人智能控制系统反馈前方花椒簇摄像数据)，采摘机械手9驱动花椒采摘装置13的采摘口靠近待采摘花椒簇，花椒采摘装置13的各个定梳齿板137的定梳齿槽梳理出待采摘花椒簇的花椒根茎，并让待采摘花椒簇的各个花椒根茎置于定梳齿板137的定梳齿槽中，驱动装置驱动动梳齿板135相对于所对应的定梳齿板137斜向升降运动，这样动梳齿板135上的动梳齿1361就会剪切掉待采摘花椒簇的花椒根茎，这样花椒果实就会被采摘下来并从花椒采摘装置13的采摘口进入到采摘壳体132中，然后在负压收集器6负压力作用下从出料口经过花椒负压收集管7输送至烘干筛选系统5中。本发明花椒采摘装置作为本发明花椒视觉采摘机器人的末端执行器，首先，通过机架131，将本装置安装在本发明花椒视觉采摘机器人的采摘机械手9上；其次，收集口(即出料口)可以单独装有收集用的布袋或者其他收集器。最后，已经通过双目远景相机(双目相机B12包括双目远景相机与双目远近景相机，此处为双目相机B12中的双目远景相机)的定位与识别，将末端执行器移动到花椒面前。

本发明花椒采摘装置的工作过程如下：1)测距传感器14测量花椒离采摘装置的距离，对装置进行位置修正，调整到双目相机B12良好的视觉区域；2)双目相机B12对花椒进行近景精准定位与识别，获得花椒的空间位置及其状态，并向处理系统发送空间位置及其状态信息；3)在单独使用时，本发明花椒采摘装置可以单独具有处理系统，其处理系统对信息进行处理，控制驱动装置启动，通过同步轴1353带动动动梳齿板136上下移动，并与定梳齿板137相互运动，通过动梳齿1361与定梳齿1371相对运动实现剪切功能；4)另外将花椒的空间位置坐标，提供给机械臂进行位置控制，实现对当前花椒的持续采摘；5)根据近景双目相机(此处为双目相机B12中的双目近景相机)的实时监测，当前花椒采摘完成时，驱动装置关闭、相机关闭、机械臂退回原来位置；6)通过双目远景相机(此处为双目相机B12中的双目远景相机)之前的定位与识别结果，将末端执行器移动到下一簇花椒面前。本实施例的相机(双目相机B12)对花椒进行近景精准定位与识别，获得花椒的空间位置及其状态；定位：对花椒上特征点，通过图像分析处理和图像测量的方式精确获取花椒位置的坐标信息，将计算出的位置坐标，提供给机械臂，实现位置控制。识别：针对花椒空间环境，建立专门的目标训练数据集，采用基于YOLOv4卷积神经网络的目标检测方法对数据集进行训练和测试。利用图像采集系统采集的花椒图像，对花椒目标构建专用目标样本库；将数据集分为训练集和测试集两部分，对花椒进行训练，从而识别出花椒。一般，成熟的花椒直径一般3.5-4.5毫米，防止剪碎花椒，设计的梳齿刀片(即定梳齿1371)的梳齿间距为3毫米。梳齿刀片(即定梳齿1371)的梳齿间距大于花椒根茎(当然动梳齿1361梳齿间距远大于花椒根茎)，小于花椒直径，剪切过程不会损伤花椒果实表面，即可将花椒剪切下来。

本发明优选的驱动装置结构及驱动各个动梳齿板136升降运动工作原理如下：如图1～图3所示，驱动装置为电机133，采摘壳体132顶部设有固定支座134，固定支座134上铰接安装有传动架135，驱动装置具有驱动凸轮1331(即电机133的动力轴上固定有驱动凸轮1331)，驱动凸轮1331上固定有主轴驱动轴1332(主轴驱动轴1332固定于驱动凸轮1331端部，驱动凸轮1331端部相对于电机133的动力轴处于偏心位置，故电机133就会驱动主轴驱动轴1332相对于电机133偏心转动)。传动架135包括传动主臂1351和驱动摆臂组件，传动主臂1351一端开有摆动配合孔A13511，主轴驱动轴1332活动配合安装于摆动配合孔A13511中，传动主臂1351另一端与驱动摆臂组件连接固定，驱动摆臂组件通过转轴1341转动安装于固定支座134上，驱动摆臂组件包括若干个驱动摆臂1352，驱动摆臂1352端部与动梳齿板136顶部一一对应铰接。驱动摆臂组件包括两个驱动摆臂1352，传动主臂1351固定连接有横梁，两个驱动摆臂1352连接于横梁两端，两个驱动摆臂1352之间连接有同步轴1353，驱动摆臂1352开有与同步轴1353活动配合的摆动配合孔B13521，动梳齿板136顶部连接于同步轴1353上。其工作原理如下：电机133驱动驱动凸轮1331运动，驱动凸轮1331带动主轴驱动轴1332偏心转动，主轴驱动轴1332就会驱动传动主臂1351升降运动，具体为：主轴驱动轴1332在传动主臂1351端部的摆动配合孔A13511中来回运动即可驱动传动主臂1351相对于固定支座134(具体为转轴1341)上下摆动，这样就驱动传动架135相对于固定支座134(具体为转轴1341)摆动，故驱动摆臂1352也就上下摆动(当传动主臂1351下降摆动时，驱动摆臂1352就上升摆动，当传动主臂1351上升摆动时，驱动摆臂1352就下降摆动)。由于驱动摆臂1352端部具有摆动配合孔B13521，如图3所示，驱动摆臂1352就会带动同步轴1353升降运动(同步轴1353也会在驱动摆臂1352的摆动配合孔B13521中运动)，同步轴1353就同步带动各个动梳齿板136斜向并升降的剪切运动。

当然，本发明的驱动装置可以为升降电机或升降气缸，该驱动装置可以直接作用于动梳齿板136(驱动装置具有升降轴，驱动装置的升降轴直接与动梳齿板136动力连接)，此时驱动装置直接驱动动梳齿板136升降运动。本发明的驱动装置可以为升降电机或升降气缸，同时本发明还包括传动架135和固定支座134，此时驱动装置与传动架135一端动力连接，如驱动装置具有升降轴，驱动装置的升降轴铰接于传动架135一端，传动架135另一端与各个动梳齿板136铰接，传动架135中部通过转轴1341转动安装于固定支座134上，这样驱动装置斜向驱动传动架135一端斜向上升或下降运动，传动架135另一端也会下降或上升运动，即传动架135就会相对于固定支座134在中部位置摆动，其运动就向跷跷板原理，传动架135另一端就实现了斜向驱动各个动梳齿板136斜向升降剪切运动。

本发明的采摘壳体132顶部设有动梳齿传动保护壳体，动梳齿传动保护壳体可以有效防止花椒叶对电机133及传动架135的干扰，驱动装置、传动架135、固定支座134置于动梳齿传动保护壳体中，动梳齿传动保护壳体开设有与各个驱动摆臂1352相对应的动配合升降适应槽。采摘壳体132设有用于动梳齿板136运动导向的限位导向机构，本实施例的限位导向机构为设置于采摘壳体132上的限位槽，该限位槽可以辅助并引导动梳齿板136进行升降运动，防止动梳齿板136出现运动偏向或偏离。采摘壳体132远离采摘口的一端侧部固定有机架131，机架131或采摘壳体132上设有朝向采摘口方向的双目相机B12和测距传感器14。

一种由花椒采摘装置所构成的花椒视觉采摘机器人，包括花椒采摘装置13、安装底盘1、行走系统3、烘干筛选系统5和采摘机械手9，安装底盘1底部两侧分别安装有行走系统3，安装底盘1上安装设有采摘机械手9和控制柜2。花椒采摘装置13配合安装于采摘机械手9顶端，安装底盘1上设有负压收集器6，负压收集器6与花椒采摘装置13的出料口之间通过花椒负压收集管7密闭连接。烘干筛选系统5包括烘干筛选箱，烘干筛选箱中安装有传送装置52、振动除杂装置53和接料筐54，传送装置52的进料端设有与负压收集器6相对应的进料斗51，传送装置52的出料端与振动除杂装置53的进料端相对应，振动除杂装置53内部具有振动筛板和吹风机，振动筛板将振动除杂装置53内部分隔成上层筛选空间和下层筛选空间，上层筛选空间与接料筐54相对应，吹风机设于振动除杂装置53内部。控制柜2分别与采摘机械手9、花椒采摘装置13、负压收集器6、行走系统3、传送装置52、振动除杂装置53连接。

如图4所示，行走系统3包括行走驱动电机、驱动轮和行走履带，行走驱动电机与驱动轮动力连接，行走系统在位于驱动轮两侧分别设有从动轮，行走系统3的行走履带动力配合安装于两个从动轮、一个驱动轮上，行走驱动电机与控制柜2连接。振动除杂装置53具有活动门531。本实施例的安装底盘1底部具有底盘架，底盘架两侧分别设有行走系统3，烘干筛选系统5设于底盘架上。本发明的行走系统3行走到待采摘花椒树附近，通过夹具机械手10将夹具8举升并移动至待采摘花椒簇附近的枝干或枝条处，通过夹具8将待采摘花椒簇附近的枝干或枝条夹持固定住，然后通过采摘机械手9将花椒采摘装置13举升并移动至待采摘花椒簇附近，通过花椒采摘装置13对待采摘花椒进行采摘处理，采摘后的花椒经过花椒负压收集管7负压输送至烘干筛选系统5中，烘干筛选系统5对花椒果实进行烘干除湿、除杂等处理，得到干净、干燥的花椒果实运输储存于接料筐54。

如图5所示，传送装置52包括若干层传送带521，所有层传送带521从上至下依次设置，相邻上层两层传送带521之间对应设有下料斗522。烘干筛选箱内部设有与传送装置52相对应的微波加热管55，烘干筛选箱底部设有排风扇56，烘干筛选箱底部还开有与排风扇56相对应的排风孔，微波加热管55、排风扇56分别与控制柜2连接，控制柜2内部设有通信模块。故控制柜2可以通过通信模块与外部控制终端进行通信连接，便于实现通过外部控制终端实现远程操控。使用时，花椒负压收集管7采集的花椒(花椒中含有小根茎、小枝叶等杂物，以下简称花椒混合物)，花椒负压收集管7与负压收集器6组成负压收集系统，负压收集系统采用电机带软管的结构，跟随采摘器对采摘的花椒果实进行收集，防止花椒果实表面花椒油胞破裂以及损坏花椒品质。花椒混合物经过负压收集器6、进料斗51进入到传送装置52，经过传送装置52进行分层运输作业，传送装置52侧部的微波加热管55分别对应对分层传送带521上的花椒混合物进行加热除湿处理，同时微波加热管55的微波加热有利于花椒混合物中的小枝叶干枯、卷曲，也将花椒果实干燥，有利于防止花椒果实粘附于或夹杂于湿润的小枝叶上，加快了花椒果实与小根茎、小枝叶之间的分离，由于采取分层微波加热传输，可以让花椒果实与小根茎、小枝叶有序分离，也更加有利于花椒果实与小根茎、小枝叶之间的分离，通过微波加热管55分层微波所释放的水汽会在排风扇56排风引流作用下从烘干筛选箱底部排出，排风扇56的风流作用可以加速花椒果实的除湿效率。除湿干燥后的花椒果实、干枯卷曲小枝叶、干燥小根茎或其他杂物通过传送装置52输送至振动除杂装置53，振动除杂装置53在使用时，需要打开活动门531以方便除花椒果实外的杂物排出，除湿干燥后的花椒果实会落入到接料筐54中，干枯卷曲小枝叶、干燥小根茎或其他杂物会在吹风机作业下排出，这样在接料筐54中收集的花椒果实为干净、干燥除湿后的花椒果实，有利于花椒果实的运输与储存。花椒采集后经过多排烘干传送带，烘干筛选箱背侧安装有一排微波加热管，对收集的花椒进行烘干，收集箱底部装有一排排气扇，烘干的同时加速空气循环，对花椒进行除湿。烘干后通过传送带进入振动除杂装置53，通过振动将花椒和枝丫等杂质分离开来，从而得到干燥的花椒成品。

如图4所示，安装底盘1上还安装有夹具机械手10，夹具机械手10顶端安装有夹具8，夹具机械手10与控制柜2连接。如图5所示，夹具8包括夹具座81，夹具座81通过连接杆A84与机械手A10连接，夹具座81上两侧分别设有剪刀式连杆架82，两个剪刀式连杆架82端部配合设有弧形夹板83。如图4所示，安装底盘1上还安装有夹具机械手10，夹具机械手10顶端安装有夹具8，夹具机械手10与控制柜2连接。如图5所示，夹具8包括夹具座81，夹具座81通过连接杆A84与机械手A10连接，夹具座81上两侧分别设有剪刀式连杆架82，两个剪刀式连杆架82端部配合设有弧形夹板83。

如图4所示，安装底盘1上设有全景相机4、双目相机A11，全景相机4、双目相机A11分别与控制柜2连接，花椒采摘装置13的双目相机B12与控制柜2连接。本发明的双目相机(包括双目相机A11、双目相机B12)具有如下作用及功能：(1)定位：对花椒上特征点，用两部固定于不同位置的相机摄得物体的像，分别获得该点在两部相机像平面上的坐标。只要知道两部相机精确的相对位置，就可用几何的方法得到该特征点在固定一部相机的坐标系中的坐标，即确定了特征点的位置。通过图像分析处理和图像测量的方式精确获取花椒位置的坐标信息，将计算出的位置坐标，提供给机械臂，实现位置控制。(2)识别：针对花椒空间环境，建立专门的目标训练数据集，采用基于YOLOv4卷积神经网络的目标检测方法对数据集进行训练和测试。利用图像采集系统采集的花椒图像，对花椒目标构建专用目标样本库。将数据集分为训练集和测试集两部分，对花椒进行训练，从而识别出花椒。控制柜2内部设有电源或发电机，或者安装底盘1上安装有与控制柜2连接的电源或发电机。安装底盘1采用液压履带式全地形行走机构作为采摘机器人的作业底盘，为机器人提供动力来源的同时作为各功能部件的承载基础；安装底盘1采用遥控控制，驱动系统采用液压驱动，能原地转向，可以搭载电源或发电机作为动力来源。

本发明的控制柜2内部设有采摘机械人智能控制系统，采摘机械人智能控制系统包括行走控制系统、采摘控制系统、负压收集控制系统和烘干筛选控制系统，行走控制系统包括视觉识别定位系统A和行走执行控制模块，视觉识别定位系统A分别与全景相机4、双目相机A11连接，全景相机4用于进行全景扫描与识别，双目相机A11用于进行局部扫描与识别，视觉识别定位系统A计算出规划行走路径并传输至行走执行控制模块，行走执行控制模块与行走系统3连接，行走执行控制模块根据规划行走路径控制行走系统3进行行走运动。采摘控制系统包括视觉识别定位系统B和采摘执行控制模块，视觉识别定位系统B分别与双目相机B12、测距传感器14连接，双目相机B12用于进行局部扫描与识别，测距传感器14用于待采摘花椒位置测距，如果近景相机一直在工作，会增加系统的负载，近景相机只有在准备采摘时才会工作的。本实施例增加一个测距传感器14用来辅助定位，当花椒距离花椒采摘装置一定距离内时，通过测距传感器14获得的距离信息，处理系统启动相机，对花椒进行定位与识别，提高了系统的稳定和精度，降低系统负载。视觉识别定位系统B分别计算出机械手夹具运动指令及机械手采摘运动指令，机械手夹具运动指令与夹具机械手10相对应，机械手采摘运动指令与采摘机械手9相对应，采摘执行控制模块分别与采摘机械手9、夹具机械手10连接，采摘执行控制模块分别控制采摘机械手9与夹具机械手10进行多关节作业联合运动。负压收集器6内部具有负压发生器，负压收集控制系统与负压收集器6的负压发生器连接。烘干筛选控制系统分别与传送装置52、振动除杂装置53连接。

本发明的视觉识别定位系统A根据扫描数据识别出花椒树及障碍物并建立起三位模拟空间A，在三位模拟空间A中标记出花椒树、障碍物，然后计算出规划行走路径传输至行走执行控制模块。由于全景相机4、双目相机A11分别进行实施扫描，故视觉识别定位系统A能够实时地更新规划行走路径并传输至行走执行控制模块。本发明的视觉识别定位系统B根据扫描数据识别出花椒果实、粗枝条并建立起三位模拟空间B，在三位模拟空间B中标记出花椒果实、粗枝条，然后分别计算出机械手夹具运动指令及机械手采摘运动指令，并最终控制夹具机械手10进行多关节作业联合运动让夹具8以合适的位置及角度夹紧花椒果实附近的粗枝条，同时控制采摘机械手9进行多关节作业联合运动让花椒采摘装置13以合适的位置及角度进行花椒果实采摘。这样，本发明采取一套或者两套系统相互协作配合的机器识别控制系统，在山上有风的时候通过夹具机械手10上的夹具8固定住花椒枝条，然后通过采摘机械手9上的花椒采摘装置13采集花椒果实，首先通过夹具机械手10及夹具8固定住花椒枝条，然后通过采摘机械手9移动花椒采摘装置13到对应位置进行花椒果实采集，上述组合有利于花椒果实的成功、顺利、高效率采集，提高了花椒果实采集效率。

本实施例的视觉识别定位系统A采用全景相机进行花椒树的全景扫描，在局部识别时采用双目相机获取花椒果实图像和粗枝干图像，基于从RGB空间转为到HSV图像空间的色彩因子对花椒果实和枝干进行识别，利用双目视觉系统相机的标定参数和双目视觉三维重建的方法初步获取花椒果实的初始采空间位置及枝干位置。在安装底盘1上装有双目相机A11，通过图像信息识别出花椒田间行驶路径，并完成采摘机器人行走的自主避障功能。本实施例的视觉识别定位系统A(本实施例的视觉识别定位系统B采用原理与视觉识别定位系统A相同)可以采用如下处理方法：首先，对花椒树枝的图像进行预处理，去除噪声并增强图像中的有用信息，提取出花椒树枝干的特征图像并导入迁移网络进行训练，获得花椒枝干的目标检测器。然后基于花椒采摘机图像采集模块采集的图像，对所采集的图像提取感兴趣区域(ROI),利用已训练好的目标检测器精确识别花椒根茎位置，最后采用改进粒子群算法规划路径，实现在花椒采摘机器人在林中的自主行走。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种花椒采摘装置，其特征在于：花椒采摘装置(13)包括采摘壳体(132)，所述采摘壳体(132)侧部具有采摘口，所述采摘壳体(132)底部具有与采摘口相对应的出料口，所述采摘壳体(132)的采摘口处安装有采摘组件，所述采摘组件由若干个采摘梳齿单元，所述采摘梳齿单元包括动梳齿板(136)和与动梳齿板(136)相对应的定梳齿板(137)，所述采摘壳体(132)顶部设有用于驱动各个动梳齿板(136)升降运动的驱动装置。

2.按照权利要求1所述的一种花椒采摘装置，其特征在于：所述驱动装置为电机(133)，所述采摘壳体(132)顶部设有固定支座(134)，所述固定支座(134)上铰接安装有传动架(135)，所述驱动装置具有驱动凸轮(1331)，所述驱动凸轮(1331)上固定有主轴驱动轴(1332)；所述传动架(135)包括传动主臂(1351)和驱动摆臂组件，所述传动主臂(1351)一端开有摆动配合孔A(13511)，所述主轴驱动轴(1332)活动配合安装于摆动配合孔A(13511)中，所述传动主臂(1351)另一端与驱动摆臂组件连接固定，所述驱动摆臂组件通过转轴(1341)转动安装于固定支座(134)上，所述驱动摆臂组件包括若干个驱动摆臂(1352)，所述驱动摆臂(1352)端部与动梳齿板(136)顶部一一对应铰接。

3.按照权利要求2所述的一种花椒采摘装置，其特征在于：所述驱动摆臂组件包括两个驱动摆臂(1352)，所述传动主臂(1351)固定连接有横梁，两个驱动摆臂(1352)连接于横梁两端，两个驱动摆臂(1352)之间连接有同步轴(1353)，所述驱动摆臂(1352)开有与同步轴(1353)活动配合的摆动配合孔B(13521)，所述动梳齿板(136)顶部连接于同步轴(1353)上。

4.按照权利要求3所述的一种花椒采摘装置，其特征在于：所述采摘壳体(132)顶部设有动梳齿传动保护壳体，所述驱动装置、传动架(135)、固定支座(134)置于动梳齿传动保护壳体中，所述动梳齿传动保护壳体开设有与各个驱动摆臂(1352)相对应的动配合升降适应槽。

5.按照权利要求1或3所述的一种花椒采摘装置，其特征在于：所述定梳齿板(137)与采摘壳体(132)连接固定，所述定梳齿板(137)设有若干个定梳齿(1371)，相邻两个定梳齿之间具有定梳齿槽；所述动梳齿板(136)设有若干个动梳齿(1361)，相邻两个动梳齿之间具有动梳齿槽；所述采摘壳体(132)设有用于动梳齿板(136)运动导向的限位导向机构；所述采摘壳体(132)远离采摘口的一端侧部固定有机架(131)，所述机架(131)或采摘壳体(132)上设有朝向采摘口方向的双目相机B(12)和测距传感器(14)。

6.一种由花椒采摘装置所构成的花椒视觉采摘机器人，其特征在于：包括花椒采摘装置(13)、安装底盘(1)、行走系统(3)、烘干筛选系统(5)和采摘机械手(9)，所述安装底盘(1)底部两侧分别安装有行走系统(3)，所述安装底盘(1)上安装设有采摘机械手(9)和控制柜(2)；所述花椒采摘装置(13)配合安装于采摘机械手(9)顶端，所述安装底盘(1)上设有负压收集器(6)，所述负压收集器(6)与花椒采摘装置(13)的出料口之间通过花椒负压收集管(7)密闭连接；所述烘干筛选系统(5)包括烘干筛选箱，所述烘干筛选箱中安装有传送装置(52)、振动除杂装置(53)和接料筐(54)，所述传送装置(52)的进料端设有与负压收集器(6)相对应的进料斗(51)，所述传送装置(52)的出料端与振动除杂装置(53)的进料端相对应，所述振动除杂装置(53)内部具有振动筛板和吹风机，所述振动筛板将振动除杂装置(53)内部分隔成上层筛选空间和下层筛选空间，所述上层筛选空间与接料筐(54)相对应，所述吹风机设于振动除杂装置(53)内部；所述控制柜(2)分别与采摘机械手(9)、花椒采摘装置(13)、负压收集器(6)、行走系统(3)、传送装置(52)、振动除杂装置(53)连接。

7.按照权利要求6所述的一种花椒视觉采摘机器人，其特征在于：所述传送装置(52)包括若干层传送带(521)，所有层传送带(521)从上至下依次设置，相邻上层两层传送带(521)之间对应设有下料斗(522)；所述烘干筛选箱内部设有与传送装置(52)相对应的微波加热管(55)，所述烘干筛选箱底部设有排风扇(56)，所述烘干筛选箱底部还开有与排风扇(56)相对应的排风孔，所述微波加热管(55)、排风扇(56)分别与控制柜(2)连接，所述控制柜(2)内部设有通信模块。

8.按照权利要求7所述的一种花椒视觉采摘机器人，其特征在于：所述行走系统(3)包括行走驱动电机、驱动轮和行走履带，所述行走驱动电机与驱动轮动力连接，所述行走系统在位于驱动轮两侧分别设有从动轮，所述行走系统(3)的行走履带动力配合安装于两个从动轮、一个驱动轮上，所述行走驱动电机与控制柜(2)连接；所述振动除杂装置(53)具有活动门(531)。

9.按照权利要求8所述的一种花椒视觉采摘机器人，其特征在于：所述安装底盘(1)上还安装有夹具机械手(10)，所述夹具机械手(10)顶端安装有夹具(8)，所述夹具机械手(10)与控制柜(2)连接；所述夹具(8)包括夹具座(81)，所述夹具座(81)通过连接杆A(84)与机械手A(10)连接，所述夹具座(81)上两侧分别设有剪刀式连杆架(82)，两个剪刀式连杆架(82)端部配合设有弧形夹板(83)；所述安装底盘(1)上设有全景相机(4)、双目相机A(11)，所述全景相机(4)、双目相机A(11)分别与控制柜(2)连接，所述花椒采摘装置(13)的双目相机B(12)与控制柜(2)连接；所述控制柜(2)内部设有电源或发电机，或者安装底盘(1)上安装有与控制柜(2)连接的电源或发电机。

10.按照权利要求9所述的一种花椒视觉采摘机器人，其特征在于：所述控制柜(2)内部设有采摘机械人智能控制系统，所述采摘机械人智能控制系统包括行走控制系统、采摘控制系统、负压收集控制系统和烘干筛选控制系统，所述行走控制系统包括视觉识别定位系统A和行走执行控制模块，所述视觉识别定位系统A分别与全景相机(4)、双目相机A(11)连接，所述全景相机(4)用于进行全景扫描与识别，所述双目相机A(11)用于进行局部扫描与识别，所述视觉识别定位系统A计算出规划行走路径并传输至行走执行控制模块，所述行走执行控制模块与行走系统(3)连接，所述行走执行控制模块根据规划行走路径控制行走系统(3)进行行走运动；所述采摘控制系统包括视觉识别定位系统B和采摘执行控制模块，所述视觉识别定位系统B分别与双目相机B(12)、测距传感器(14)连接，所述双目相机B(12)用于进行局部扫描与识别，所述测距传感器(14)用于待采摘花椒位置测距，所述视觉识别定位系统B分别计算出机械手夹具运动指令及机械手采摘运动指令，所述机械手夹具运动指令与夹具机械手(10)相对应，所述机械手采摘运动指令与采摘机械手(9)相对应，所述采摘执行控制模块分别与采摘机械手(9)、夹具机械手(10)连接，所述采摘执行控制模块分别控制采摘机械手(9)与夹具机械手(10)进行多关节作业联合运动；所述负压收集器(6)内部具有负压发生器，所述负压收集控制系统与负压收集器(6)的负压发生器连接；所述烘干筛选控制系统分别与传送装置(52)、振动除杂装置(53)连接。

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