CN111758396B - 一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人 - Google Patents

一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，包括安装底盘、行走系统、烘干筛选系统和机械手采摘支护系统，安装底盘底部两侧分别安装有行走系统，安装底盘上安装设有机械手采摘支护系统和控制柜；机械手采摘支护系统由机械手B和花椒采摘器组成，安装底盘上设有负压收集器；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

一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人
技术领域
本发明涉及花椒采摘技术领域，尤其涉及一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人。
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基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，通过行走系统行走到待采摘花椒树附近，机械手夹具支护系统通过机械手A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，然后通过机械手采摘支护系统将花椒采摘器举升并移动至待采摘花椒簇附近，花椒采摘器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：
一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，包括安装底盘、行走系统、烘干筛选系统和机械手采摘支护系统，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机械手采摘支护系统和控制柜；所述机械手采摘支护系统由机械手B和配合安装于机械手B顶端的花椒采摘器组成，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器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，所述吹风机设于下层筛选空间中；所述控制柜分别与机械手B、花椒采摘器、负压收集器、行走系统、传送装置、振动除杂装置连接。
为了更好地实现本发明，所述安装底盘上还安装有机械手夹具支护系统，所述机械手夹具支护系统由机械手A和配合安装于机械手A顶端的夹具组成，所述机械手A与控制柜连接；所述安装底盘上设有全景相机、双目相机A，所述机械手B端部设有双目相机B，所述全景相机、双目相机A、双目相机B分别与控制柜连接；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。
为了实现本发明的自动化、智能化行走、采摘控制，本发明进一步的技术方案是：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与双目相机B连接，所述双目相机B用于进行局部扫描与识别，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机械手夹具支护系统相对应，所述机械手采摘运动指令与机械手采摘支护系统相对应，所述采摘执行控制模块分别与机械手采摘支护系统、机械手夹具支护系统连接，所述采摘执行控制模块按照机械手夹具运动指令控制机械手夹具支护系统的机械手A进行多关节作业联合运动，所述采摘执行控制模块按照机械手采摘运动指令控制机械手采摘支护系统的机械手B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。
更进一步的技术方案是：所述视觉识别定位系统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、双目相机A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。所述视觉识别定位系统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，并最终控制机械手夹具支护系统的机械手A进行多关节作业联合运动让夹具以合适的位置及角度夹紧花椒果实附近的粗枝条，同时控制机械手采摘支护系统的机械手B进行多关节作业联合运动让花椒采摘器以合适的位置及角度进行花椒果实采摘。
本发明优选的花椒采摘器结构技术方案是：所述花椒采摘器包括外筒体和转动安装于外筒体内部的内筒体，所述外筒体连接安装有连接筒套，所述连接筒套内部通过镂空电机架连接安装有旋转电机，所述旋转电机的转轴通过镂空同步架与内筒体连接固定，所述旋转电机与控制柜连接，所述旋转电机用于驱动内筒体在外筒体内部转动；所述外筒体的采摘端具有采摘外齿组件，所述内筒体的采摘端具有与采摘外齿组件相对应的采摘内齿组件；所述花椒负压收集管端部与连接筒套密闭连接，所述连接筒套通过连接杆B与机械手B端部连接。
作为优选，所述外筒体的采摘外齿组件包括若干个采摘外齿，相邻两个采摘外齿之间具有采摘外齿间隙空间，所有采摘外齿沿着外筒体顶部一圈设置；所述内筒体的采摘内齿组件包括若干个采摘内齿，相邻两个采摘内齿之间具有采摘内齿间隙空间，所有采摘内齿沿着内筒体顶部一圈设置。
作为优选，所述内筒体的采摘内齿呈斜向布置，所述外筒体的采摘外齿外筒体呈竖直或斜向布置。
作为优选，所述外筒体侧部开有条形缺口，所述外筒体外部设有可调扎箍，所述外筒体底部具有连接部，所述外筒体通过连接部与连接筒套顶部可拆卸式连接。
作为优选，所述安装底盘底部具有底盘架，两个行走系统分别连接于底盘架两侧，所述烘干筛选系统设于底盘架上；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，所述行走驱动电机固定于安装底盘或底盘架上，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。
作为优选，所述振动除杂装置具有活动门；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、排风扇分别与烘干筛选控制系统连接；所述控制柜内部设有与采摘机械人智能控制系统连接的通信模块。
作为优选，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。
作为优选，所述振动除杂装置的振动筛板组件从上至下依次斜向安装有第一层筛选板、第二层筛选板，所述第一层筛选板上设有若干个筛选孔A，所述第二层筛选板上设有若干个筛选，所述第一层筛选板、第二层筛选板将振动除杂装置内部空间分隔成第一筛选空间、第二筛选空间、第三筛选空间，所述第二筛选空间与接料筐相对应。
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，机械手夹具支护系统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，机械手采摘支护系统按照机械手采摘运动指令执行运动并控制花椒采摘器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器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，机械手夹具支护系统通过机械手A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，然后通过机械手采摘支护系统将花椒采摘器举升并移动至待采摘花椒簇附近，花椒采摘器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)本发明采用负压收集方式对花椒采摘器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。
(6)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。
(7)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为本发明的结构示意图；
图2为图1另一视角下的结构示意图；
图3为本发明采摘机械人智能控制系统的原理框图；
图4为夹具的结构示意图；
图5为花椒采摘器的结构示意图；
图6为花椒采摘器的内部结构示意图；
图7为烘干筛选系统的内部结构示意图。
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，31－驱动轮,32－从动轮，33－行走履带,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－机械手B,10－机械手A,11－双目相机A,12－双目相机B,13－花椒采摘器，131－外筒体，1311－采摘外齿，1312－条形缺口,132－内筒体，1321－采摘内齿,133－连接筒套,134－连接杆B，135－旋转电机,136－镂空电机架。
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7所示，一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，包括安装底盘1、行走系统3、烘干筛选系统5和机械手采摘支护系统，安装底盘1底部两侧分别安装有行走系统3，安装底盘1上安装设有机械手采摘支护系统和控制柜2。机械手采摘支护系统由机械手B9和配合安装于机械手B9顶端的花椒采摘器13组成，安装底盘1上设有负压收集器6，负压收集器6与花椒采摘器13之间通过花椒负压收集管7密闭连接，花椒采摘器13用于从花椒树上采集花椒，负压收集器6产生负压并通过花椒负压收集管7对花椒进行负压采集。
本发明的控制柜2内部设有采摘机械人智能控制系统，本发明可以通过采摘机械人智能控制系统来实现花椒采摘机器人的行走、夹持、采摘的自动化、半自动化、智能化控制作业，采摘机械人智能控制系统根据视觉识别及定位系统中拟合出的花椒果实的形状及位置，规划出两个多关节机械臂路径轨迹，同时控制采摘器的运行动作，实现花椒簇的采摘。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与双目相机B12连接，双目相机B12用于进行局部扫描与识别，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机械手夹具支护系统相对应，机械手采摘运动指令与机械手采摘支护系统相对应，采摘执行控制模块分别与机械手采摘支护系统、机械手夹具支护系统连接，采摘执行控制模块按照机械手夹具运动指令控制机械手夹具支护系统的机械手A10进行多关节作业联合运动，采摘执行控制模块按照机械手采摘运动指令控制机械手采摘支护系统的机械手B9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。
如图2、图7所示，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，吹风机设于下层筛选空间中。控制柜2分别与机械手B9、花椒采摘器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2、图7所示，振动除杂装置53具有活动门531，在振动除杂工作时，可以打开活动门531以便于排杂作业。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分别与烘干筛选控制系统连接。控制柜2内部设有与采摘机械人智能控制系统连接的通信模块，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1、图2所示，本发明安装底盘1上还安装有机械手夹具支护系统，机械手夹具支护系统由机械手A10和配合安装于机械手A10顶端的夹具8组成，机械手A10与控制柜2连接。安装底盘1上设有全景相机4、双目相机A11，机械手B9端部设有双目相机B12，全景相机4、双目相机A11、双目相机B12分别与控制柜2连接。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。如图4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。本发明的夹具8通过两个弧形夹板83(两个弧形夹板83之间构成弧形枝条夹持空间)夹持住花椒树上的粗枝条或靠近花椒果实附近的枝条，使用时，机械手夹具支护系统带动夹具8较近粗枝条运动，两个弧形夹板83就会位于粗枝条两侧运动，最终让夹具8的弧形枝条夹持空间与粗枝条相配合，由于夹具8两侧分别设有剪刀式连杆架82，在两侧剪刀式连杆架82的自适应作用下，两个弧形夹板83能够自适应地在粗枝条两侧运动，当两个弧形夹板83环抱住粗枝条时，粗枝条就会限位位于夹具8的弧形枝条夹持空间中，起到限位支护起花椒果实旁边的粗枝条，可以方便花椒采摘器13进行花椒采摘。当然本发明可以在夹具8上设有驱动剪刀式连杆架82伸缩运动的驱动杆，该驱动杆配合设置于机械手夹具支护系统，并随机械手夹具支护系统一并控制，这样机械手夹具支护系统可以通过驱动杆来驱动调节剪刀式连杆架82，最终实现调节两个弧形夹板83之间的弧形枝条夹持空间大小的目的。
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，并最终控制机械手夹具支护系统的机械手A10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，同时控制机械手采摘支护系统的机械手B9进行多关节作业联合运动让花椒采摘器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机械手夹具支护系统的夹具8固定住花椒枝条，然后通过机械手采摘支护系统上的花椒采摘器13采集花椒果实，首先通过机械手夹具支护系统及夹具8固定住花椒枝条，然后通过机械手采摘支护系统移动花椒采摘器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。
本发明的花椒采摘器13包括外筒体131和转动安装于外筒体131内部的内筒体132，外筒体131连接安装有连接筒套133，连接筒套133内部通过镂空电机架136连接安装有旋转电机135，旋转电机135的转轴通过镂空同步架与内筒体132连接固定，旋转电机135与控制柜2连接，旋转电机135用于驱动内筒体132在外筒体131内部转动。外筒体131的采摘端具有采摘外齿组件，内筒体132的采摘端具有与采摘外齿组件相对应的采摘内齿组件。花椒负压收集管7端部与连接筒套133密闭连接，连接筒套133通过连接杆B134与机械手B9端部连接。本发明的花椒采摘器13模拟人工采摘形态，采用双机械臂配合的方式进行采摘；一个机械臂前端固定有夹具，将花椒粗枝条进行夹紧固定，另一个机械臂前端固定有螺旋梳齿式采摘器(即花椒采摘器13)，通过花椒采摘器13两个筒体的相互转动配合，达到对花椒果实进行采摘的目的。根据花椒簇茎的尺寸，采用合适尺寸的梳齿进行花椒簇茎的选择切除。
如图5、图6所示，外筒体131的采摘外齿组件包括若干个采摘外齿1311，相邻两个采摘外齿1311之间具有采摘外齿间隙空间，所有采摘外齿1311沿着外筒体131顶部一圈设置。内筒体132的采摘内齿组件包括若干个采摘内齿1321，相邻两个采摘内齿1321之间具有采摘内齿间隙空间，所有采摘内齿1321沿着内筒体132顶部一圈设置。本发明的内筒体132的采摘内齿1321呈斜向布置，外筒体131的采摘外齿外筒体131呈竖直或斜向布置。外筒体131的采摘外齿与内筒体132的采摘内齿相互配合并对置于其中的花椒根茎或小枝条进行剪断处理，得到的花椒掉落到花椒负压收集管7中。
如图6所示，外筒体131侧部开有条形缺口1312，外筒体131外部设有可调扎箍，通过可调扎箍可以调节外筒体131侧部的条形缺口1312大小，甚至让外筒体131在条形缺口1312位置处搭接，从而可以调节外筒体131的直径大小，起到微调采摘外齿与采摘内齿相互关系的作用。外筒体131底部具有连接部，外筒体131通过连接部与连接筒套133顶部可拆卸式连接。外筒体131的连接部与连接筒套133顶部螺纹连接，外筒体131的连接部为螺纹筒体，外筒体131顶部的筒口处开有内螺纹，可以实现外筒体131的连接部与连接筒套133顶部螺纹连接目的。
本发明的安装底盘1底部具有底盘架，两个行走系统3分别连接于底盘架两侧，烘干筛选系统5设于底盘架上。如图1、图2所示，行走系统3包括行走驱动电机、驱动轮31和行走履带33，行走驱动电机与驱动轮31动力连接，行走驱动电机固定于安装底盘1或底盘架上，行走系统3在位于驱动轮31两侧分别设有从动轮32，行走系统3的行走履带33动力配合安装于两个从动轮32、一个驱动轮31上，行走驱动电机与控制柜2连接。
本发明的行走系统3行走到待采摘花椒树附近，机械手夹具支护系统通过机械手A10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，然后通过机械手采摘支护系统将花椒采摘器13举升并移动至待采摘花椒簇附近，通过花椒采摘器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。
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 (7)

1.一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：包括安装底盘(1)、行走系统(3)、烘干筛选系统(5)和机械手采摘支护系统，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)上安装设有机械手采摘支护系统和控制柜(2)；所述机械手采摘支护系统由机械手B(9)和配合安装于机械手B(9)顶端的花椒采摘器(13)组成，所述安装底盘(1)上设有负压收集器(6)，所述负压收集器(6)与花椒采摘器(13)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，所述吹风机设于下层筛选空间中；所述控制柜(2)分别与机械手B(9)、花椒采摘器(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；
所述花椒采摘器(13)包括外筒体(131)和转动安装于外筒体(131)内部的内筒体(132)，所述外筒体(131)连接安装有连接筒套(133)，所述连接筒套(133)内部通过镂空电机架(136)连接安装有旋转电机(135)，所述旋转电机(135)的转轴通过镂空电机架(136)与内筒体(132)连接固定，所述旋转电机(135)与控制柜(2)连接；所述外筒体(131)的采摘端具有采摘外齿组件，所述内筒体(132)的采摘端具有与采摘外齿组件相对应的采摘内齿组件；所述花椒负压收集管(7)端部与连接筒套(133)密闭连接，所述连接筒套(133)通过连接杆B(134)与机械手B(9)端部连接；
所述外筒体(131)的采摘外齿组件包括若干个采摘外齿(1311)，所述内筒体(132)的采摘内齿组件包括若干个采摘内齿(1321)，所述内筒体(132)的采摘内齿(1321)呈斜向布置，所述外筒体(131)的采摘外齿外筒体(131)呈斜向布置；所述外筒体(131)侧部开有条形缺口(1312)，所述外筒体(131)外部设有可调扎箍；
所述安装底盘(1)上还安装有机械手夹具支护系统，所述机械手夹具支护系统由机械手A(10)和配合安装于机械手A(10)顶端的夹具(8)组成，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。
2.按照权利要求1所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：所述机械手A(10)与控制柜(2)连接；所述安装底盘(1)上设有全景相机(4)、双目相机A(11)，所述机械手B(9)端部设有双目相机B(12)，所述全景相机(4)、双目相机A(11)、双目相机B(12)分别与控制柜(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。
3.按照权利要求2所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：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与双目相机B(12)连接，所述双目相机B(12)用于进行局部扫描与识别，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机械手夹具支护系统相对应，所述机械手采摘运动指令与机械手采摘支护系统相对应，所述采摘执行控制模块分别与机械手采摘支护系统、机械手夹具支护系统连接，所述采摘执行控制模块按照机械手夹具运动指令控制机械手夹具支护系统的机械手A(10)进行多关节作业联合运动，所述采摘执行控制模块按照机械手采摘运动指令控制机械手采摘支护系统的机械手B(9)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。
4.按照权利要求1所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：相邻两个采摘外齿(1311)之间具有采摘外齿间隙空间，所有采摘外齿(1311)沿着外筒体(131)顶部一圈设置；相邻两个采摘内齿(1321)之间具有采摘内齿间隙空间，所有采摘内齿(1321)沿着内筒体(132)顶部一圈设置。
5.按照权利要求4所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：所述外筒体(131)底部具有连接部，所述外筒体(131)通过连接部与连接筒套(133)顶部可拆卸式连接。
6.按照权利要求1所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：所述安装底盘(1)底部具有底盘架，两个行走系统(3)分别连接于底盘架两侧，所述烘干筛选系统(5)设于底盘架上；所述行走系统(3)包括行走驱动电机、驱动轮(31)和行走履带(33)，所述行走驱动电机与驱动轮(31)动力连接，所述行走系统(3)在位于驱动轮(31)两侧分别设有从动轮(32)，所述行走系统(3)的行走履带(33)动力配合安装于两个从动轮(32)、一个驱动轮(31)上，所述行走驱动电机与控制柜(2)连接。
7.按照权利要求3所述的一种基于视觉协作系统的自行走花椒采摘机器人，其特征在于：所述振动除杂装置(53)具有活动门(531)；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)分别与烘干筛选控制系统连接；所述控制柜(2)内部设有与采摘机械人智能控制系统连接的通信模块。
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