CN111955165B - 自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，包括采摘机械手导向架、行走装置、花丝采集系统和多信息融合花丝定位导航识别系统；四个行走装置高度可调地分别固接在水平设置的矩形采摘机械手导向架的四个角部；花丝采集系统固接在采摘机械手导向架的上方；多信息融合花丝定位导航识别系统固接在采摘机械手导向架的前端，实现红花植株的精准识别和定位；采摘机械手导向架包括左支撑架、右支撑架、前支撑架、后支撑架、导轨支撑架、采摘机械手单体、水平移动齿条和水平移动导轨。本发明将红花果球网格化划分区域，对整株红花进行覆盖式采摘，避免漏摘花丝，从而降低红花采摘机器人的漏摘率，达到提高机器人采摘效率的目的。

Description

自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人。

背景技术

红花是集药材、染料、油料、天然色素和饲料于一体的特色经济作物。随着红花医药、保健作用开发，需求稳步上升，市场前景广阔。红花种植面积的迅速扩大，带来最突出的问题是花丝收获问题。针对红花的机械化采摘的问题，学者集中于气吸式、气力式、梳齿式、对辊式和剪切式的手持或背负的简易采摘装置做出了大量的研究。且红花果球中的花丝逐渐开放，花丝采收后，很快再生，需连续采收3-5茬，上述机械存在采摘时人工将对花装置对准果球，一次只能采摘一朵花丝，无法从根本上提高采摘效率，反而在一定程度上增加了劳动强度。

在现如今智能农业快速发展的时代，红花采摘机械的发展无疑也是朝着智能化的方向。而农业机器人能很好的解决该问题，能自主完成行进、采摘、收集各个动作。采摘机器人不仅对降低工人的劳动强度，解决采花劳动力不足起着积极的缓解作用，而且对于加快红花种植业的机械化、智能化有着重大的意义。

如中国发明专利申请“一种红花采摘机器人”，申请号：201810445115.X；中国发明专利申请“一种直角坐标红花采摘机器人”，申请号：201910177893.X；中国发明专利申请“红花采摘机器人”，申请号：201710914563.5等现有技术，虽然一定程度上实现了红花的自动化采摘，但还是以采摘单朵红花果球或者有限的几朵红花果球为主，无法实现红花植株的果球全覆盖，因此并未从根本上解决目前红花采摘效率低的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，将红花果球网格化划分区域，对整株红花进行覆盖式采摘，避免漏摘花丝，从而降低红花采摘机器人的漏摘率，达到提高机器人采摘效率的目的。该采摘机器人对解决劳动力不足，降低工人劳动强度，提高生产效率有着积极的作用。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，包括采摘机械手导向架1、行走装置2、花丝采集系统3和多信息融合花丝定位导航识别系统4。

四个行走装置2高度可调地分别固接在水平设置的矩形采摘机械手导向架1的四个角部，使得采摘作业时矩形采摘机械手导向架1位于红花植株的上方；所述花丝采集系统3固接在采摘机械手导向架1的上方；所述多信息融合花丝定位导航识别系统4固接在采摘机械手导向架1的前端，实现红花植株的精准识别和定位。

所述采摘机械手导向架1包括左支撑架1-1、右支撑架1-2、前支撑架1-3、后支撑架1-4、导轨支撑架1-5、采摘机械手单体1-6、水平移动齿条1-7和水平移动导轨1-8。

所述左支撑架1-1、前支撑架1-3、右支撑架1-2和后支撑架1-4依次首尾固接，形成一矩形架；多个并列布置的导轨支撑架1-5的左右两端分别与左支撑架1-1和右支撑架1-2固接，导轨支撑架1-5与前支撑架1-3和后支撑架1-4平行。

最前方的导轨支撑架1-5与前支撑架1-3之间、最后方的导轨支撑架1-5与后支撑架1-4之间，以及相邻的两个导轨支撑架1-5之间，均构成采摘机械手移动槽。

所述水平移动导轨1-8包括水平移动滑轨1-8-1和在水平移动滑轨1-8-1上自由滑动的水平移动滑块1-8-2。

每个采摘机械手移动槽中，均设有一对与前支撑架1-3和后支撑架1-4平行的水平移动滑轨1-8-1；其中，位于最前方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在前支撑架1-3和导轨支撑架1-5上，位于最后方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在后支撑架1-4和导轨支撑架1-5上，位于其他中部的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在两个导轨支撑架1-5上。

每个采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1之间均设有一与水平移动滑轨1-8-1平行的水平移动齿条1-7，且所述水平移动齿条1-7靠近其中一个水平移动滑轨1-8-1。

每个采摘机械手移动槽中，沿其长度方向设有多个与红花植株的红花果球一一对应的采摘机械手单体1-6。

所述采摘机械手单体1-6包括导轨安装架1-6-1、垂直移动导轨支撑架1-6-2、水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、水平导轨移动齿轮1-6-5、垂直移动导轨1-6-6、垂直移动齿轮1-6-7、万向移动球绞对花机构1-6-8、花丝切割刀具步进电机1-6-9、采摘机械手1-6-10、垂直移动滑块1-6-11和垂直移动齿条1-6-12。

水平设置的导轨安装架1-6-1的前后两端均固接有与水平移动导轨1-8滑动连接的水平移动滑块1-8-2，导轨安装架1-6-1的下端面设有水平移动步进电机1-6-3，水平移动步进电机1-6-3的动力输出轴上设有与水平移动齿条1-7相互啮合的水平导轨移动齿轮1-6-5。

所述垂直移动导轨支撑架1-6-2和垂直移动步进电机1-6-4固接在导轨安装架1-6-1的上端面上；所述垂直移动导轨1-6-6垂直地从导轨安装架1-6-1中部开设的槽孔中穿过，并固接在垂直移动导轨支撑架1-6-2上；所述垂直移动滑块1-6-11滑动连接在垂直移动导轨1-6-6上；所述垂直移动齿条1-6-12固接在垂直移动滑块1-6-11上，并与固接在垂直移动步进电机1-6-4的动力输出轴上的垂直移动齿轮1-6-7相互啮合。

所述万向移动球绞对花机构1-6-8包括球绞对花板1-6-8-1、球绞座1-6-8-2、球绞1-6-8-3和花丝采集负压管头1-6-8-4。

所述球绞1-6-8-3和花丝采集负压管头1-6-8-4固接在球绞对花板1-6-8-1的上端面上；所述球绞座1-6-8-2螺纹连接在垂直移动滑块1-6-11的底端，并与球绞1-6-8-3配合连接。

所述采摘机械手1-6-10包括筛网1-6-10-1、采摘箱体1-6-10-2、红花果球拟合罩1-6-10-3和刀具传动轴1-6-10-4。

所述采摘箱体1-6-10-2固接在球绞对花板1-6-8-1的下端面上，且采摘箱体1-6-10-2的上端口与花丝采集负压管头1-6-8-4连通；采摘箱体1-6-10-2的下端口依次与筛网1-6-10-1和红花果球拟合罩1-6-10-3固定连接；所述采摘箱体1-6-10-2内设有花丝切割刀具，所述花丝切割刀具的刀具传动轴1-6-10-4通过轴承安装在采摘箱体1-6-10-2上。

所述花丝切割刀具步进电机1-6-9固接在球绞对花板1-6-8-1的下端面上，花丝切割刀具步进电机1-6-9的动力输出轴与刀具传动轴1-6-10-4连接。

所述花丝采集负压管头1-6-8-4通过输送软管3-8与花丝收集系统3的花丝收集箱3-1上的收集箱管道接口3-2连接，在负压风机的作用下完成切割后的花丝输送收集。

所述采摘机械手单体1-6在采摘机械手导向架1上按照内层圆形采摘区域Ⅰ、中间层椭圆形采摘区域Ⅱ和外层矩形采摘区域Ⅲ布置，实现红花植株全覆盖；同时，构成外层矩形采摘区域Ⅲ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成外层采摘区域夹角α；构成中间层椭圆形采摘区域Ⅱ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成中间层采摘区域夹角β；构成内层圆形采摘区域Ⅰ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成内层采摘区域夹角γ；其中，外层采摘区域夹角α为外层红花植株的红花果球以外层红花植株的交点O1形成的夹角；中间层采摘区域夹角β为中间层红花植株的红花果球以中间层红花植株的交点O2形成的夹角；内层采摘区域夹角γ为内层红花植株的红花果球以内层红花植株的交点O3形成的夹角；α＜β＜γ。

所述筛网1-6-10-1包括筛网板1-6-10-1-1和多个等间距固接在筛网板1-6-10-1-1中部开口处的栅条1-6-10-1-2。

所述采摘机械手单体1-6设有四个水平移动滑块1-8-2，导轨安装架1-6-1的前后两端各两个水平移动滑块1-8-2。

所述行走装置2包括前轮转向引导装置2-1和后轮驱动装置2-2，所述后轮驱动装置2-2包括后轮支撑腿2-2-1、驱动步进电机2-2-2、传动链条2-2-3、链轴2-2-4、后驱动轮2-2-5和链条保护罩2-2-6；所述驱动步进电机2-2-2固接在后轮支撑腿2-2-1上，所述后驱动轮2-2-5的转动轴与所述链轴2-2-4连接，驱动步进电机2-2-2的动力通过所述传动链条2-2-3传递至链轴2-2-4，驱动后驱动轮2-2-5转动；所述链条保护罩2-2-6罩在链轴2-2-4的外侧。

所述多信息融合花丝定位导航识别系统4包括卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3和可伸缩支撑杆4-4。

所述卫星导航定位系统4-1安装于可伸缩支撑杆4-4顶端，用于接收卫星导航的定位信息；所述单目视觉导航系统4-2通过螺栓安装在可伸缩支撑杆4-4的上部，用于识别红花植株行，进行辅助精准对行；所述双目视觉识别系统4-3俯仰角度可调地安装于可伸缩支撑杆4-4上用于采集视域范围的红花立体图像，进行红花花丝的识别，为实现采摘机械手单体1-6精准定位提供位置信息；所述可伸缩支撑杆4-4的底端通过螺栓安装在前支撑架1-3的中部，用于调整所述卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3的高度位置。

所述花丝采集系统3包括花丝收集箱3-1、收集箱管道接口3-2、收集箱支撑臂3-3、收集箱上盖3-4、负压风机3-5、电池3-6、整机控制系统3-7和输送软管3-8。

所述花丝收集箱3-1通过所述收集箱支撑臂3-3固接在采摘机械手导向架1上，花丝收集箱3-1的收集箱上盖3-4上设有多个与采摘机械手单体1-6的花丝采集负压管头1-6-8-4一一对应的采集箱管道接口3-2，采集箱管道接口3-2与所述花丝采集负压管头1-6-8-4通过输送软管3-8连接。

至少一个负压风机3-5设置在花丝收集箱3-1上，使花丝收集箱3-1形成负压；电池3-6和整机控制系统3-7设置在花丝收集箱3-1上，其中，电池3-6分别与水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、花丝切割刀具步进电机1-6-9、驱动步进电机2-2-2、负压风机3-5、整机控制系统3-7以及多信息融合花丝定位导航识别系统4中的卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3连接；所述整机控制系统3-7分别与水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、花丝切割刀具步进电机1-6-9、驱动步进电机2-2-2、负压风机3-5、电池3-6以及多信息融合花丝定位导航识别系统4中的卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、根据红花植株的生长特性，将红花植株分成若干层（下层采摘区域、中间层采摘区域、上层采摘区域）进行分层采摘，实现了不同高度红花花丝同时采摘，提高了红花花丝采摘效率；

2、根据红花生长特性，将红花果球分成不同采摘区域，即内层圆形采摘区域Ⅰ、中间层椭圆形采摘区域Ⅱ、外层矩形采摘区域Ⅲ，实现红花采摘机器人覆盖范围内的红花植株果球采摘的全覆盖，提高了红花花丝采摘效率；

3、采摘机械手单体1-6设有四个所述水平移动滑块1-8-2，两侧各两个，在水平移动滑轨1-8-1上移动更平稳精确移动；

4、万向移动球绞对花机构1-6-8实现所述采摘机械手1-6-10全角度旋转，实现采摘位置范围内不同生长角度红花果球的采摘，提高对花采摘效率；

5、可根据花丝疏密调整筛网1-6-10-1的栅条1-6-10-1-2的间距大小，防止切断后的花丝掉落，避免造成花丝采集率降低，提高了红花花丝采集率；

6、多信息融合花丝定位导航识别系统4大大提高了红花采摘机器人的行走、定位、识别精度。

附图说明

图1是本发明的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人的结构示意图；

图2 是本发明的采摘机械手导向架1的结构示意图；

图3 是本发明的多个采摘机械手单体1-6设置在两个导轨支撑架1-5之间的结构示意图；

图4 是水平移动滑轨1-8-1和水平移动齿条1-7的布置示意图；

图5 是本发明的采摘机械手单体1-6的结构示意图；

图6 是本发明的采摘机械手单体1-6（省略了垂直移动导轨支撑架1-6-2）的结构示意图；

图7是本发明的万向移动球绞对花机构1-6-8、花丝切割刀具步进电机1-6-9和采摘机械手1-6-10的结构示意图；

图8是本发明的球绞对花板1-6-8-1的结构示意图；

图9是本发明的采摘机械手1-6-10的结构示意图；

图10是本发明的筛网1-6-10-1的结构示意图；

图11是红花植株分层结构示意图；

图12是本发明的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人与红花植株分层结构对应示意图；

图13是本发明的采摘机械手单体1-6在采摘机械手导向架1上的布置示意图；

图14是本发明的花丝采集系统3的外部结构示意图；

图15是本发明的花丝采集系统3的内部结构示意图；

图16是本发明的多信息融合花丝定位导航识别系统4的结构示意图。

其中的附图标记为：

1采摘机械手导向架 1-1左支撑架

1-2右支撑架 1-3前支撑架

1-4后支撑架 1-5导轨支撑架

1-6采摘机械手单体 1-6-1导轨安装架

1-6-2 垂直移动导轨支撑架 1-6-3水平移动步进电机

1-6-4垂直移动步进电机 1-6-5水平导轨移动齿轮

1-6-6垂直移动导轨 1-6-7垂直移动齿轮

1-6-8万向移动球绞对花机构 1-6-8-1球绞对花板

1-6-8-2球绞座 1-6-8-3球绞

1-6-8-4花丝采集负压管头 1-6-9花丝切割刀具步进电机

1-6-10采摘机械手 1-6-10-1筛网

1-6-10-1-1筛网板 1-6-10-1-2栅条

1-6-10-2采摘箱体 1-6-10-3红花果球拟合罩

1-6-10-4刀具传动轴 1-6-11垂直移动滑块

1-6-12垂直移动齿条 1-7水平移动齿条

1-8水平移动导轨 1-8-1水平移动滑轨

1-8-2水平移动滑块 2行走装置

2-1前轮转向引导装置 2-2后轮驱动装置

2-2-1 后轮支撑腿 2-2-2驱动步进电机

2-2-3传动链条 2-2-4链轴

2-2-5后驱动轮 2-2-6链条保护罩

3花丝采集系统 3-1花丝收集箱

3-2收集箱管道接口 3-3收集箱支撑臂

3-4收集箱上盖 3-5负压风机

3-6电池 3-7整机控制系统

3-8 输送软管

4多信息融合花丝定位导航识别系统 4-1卫星导航定位系统

4-2单目视觉导航系统 4-3双目视觉识别系统

4-4可伸缩支撑杆 α内层采摘区域夹角

β中间层采摘区域夹角 γ外层采摘区域夹角

O1外层红花植株的交点 O2中间层红花植株的交点

O3内层红花植株的交点 Ⅰ 内层圆形采摘区域

Ⅱ 中间层椭圆形采摘区域 Ⅲ 外层矩形采摘区域

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，包括采摘机械手导向架1、行走装置2、花丝采集系统3和多信息融合花丝定位导航识别系统4。

四个行走装置2高度可调地分别固接在水平设置的矩形采摘机械手导向架1的四个角部，使得采摘作业时矩形采摘机械手导向架1位于红花植株的上方；所述花丝采集系统3固接在采摘机械手导向架1的上方；所述多信息融合花丝定位导航识别系统4固接在采摘机械手导向架1的前端，实现红花植株的精准识别和定位。

如图2所示，所述采摘机械手导向架1包括左支撑架1-1、右支撑架1-2、前支撑架1-3、后支撑架1-4、导轨支撑架1-5、采摘机械手单体1-6、水平移动齿条1-7、水平移动导轨1-8。

所述左支撑架1-1、前支撑架1-3、右支撑架1-2和后支撑架1-4依次首尾固接，形成一矩形架；多个并列布置的导轨支撑架1-5的左右两端分别与左支撑架1-1和右支撑架1-2固接，导轨支撑架1-5与前支撑架1-3和后支撑架1-4平行。

如图3和图4所示，最前方的导轨支撑架1-5与前支撑架1-3之间、最后方的导轨支撑架1-5与后支撑架1-4之间，以及相邻的两个导轨支撑架1-5之间，均构成采摘机械手移动槽。

所述水平移动导轨1-8包括水平移动滑轨1-8-1和在水平移动滑轨1-8-1上自由滑动的水平移动滑块1-8-2。

每个采摘机械手移动槽中，均设有一对与前支撑架1-3和后支撑架1-4平行的水平移动滑轨1-8-1。其中，位于最前方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在前支撑架1-3和导轨支撑架1-5上，位于最后方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在后支撑架1-4和导轨支撑架1-5上，位于其他中部的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1分别固接在两个导轨支撑架1-5上。

每个采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨1-8-1之间均设有一与水平移动滑轨1-8-1平行的水平移动齿条1-7，且所述水平移动齿条1-7靠近其中一个水平移动滑轨1-8-1。

每个采摘机械手移动槽中，沿其长度方向设有多个与红花植株的红花果球一一对应的采摘机械手单体1-6。

如图5和图6所示，所述采摘机械手单体1-6包括导轨安装架1-6-1、垂直移动导轨支撑架1-6-2、水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、水平导轨移动齿轮1-6-5、垂直移动导轨1-6-6、垂直移动齿轮1-6-7、万向移动球绞对花机构1-6-8、花丝切割刀具步进电机1-6-9、采摘机械手1-6-10、垂直移动滑块1-6-11和垂直移动齿条1-6-12。

水平设置的导轨安装架1-6-1的前后两端均固接有与水平移动导轨1-8滑动连接的水平移动滑块1-8-2，导轨安装架1-6-1的下端面设有水平移动步进电机1-6-3，水平移动步进电机1-6-3的动力输出轴上设有与水平移动齿条1-7相互啮合的水平导轨移动齿轮1-6-5。

所述垂直移动导轨支撑架1-6-2和垂直移动步进电机1-6-4固接在导轨安装架1-6-1的上端面上；所述垂直移动导轨1-6-6垂直地从导轨安装架1-6-1中部开设的槽孔中穿过，并固接在垂直移动导轨支撑架1-6-2上。所述垂直移动滑块1-6-11滑动连接在垂直移动导轨1-6-6上。所述垂直移动齿条1-6-12固接在垂直移动滑块1-6-11上，并与固接在垂直移动步进电机1-6-4的动力输出轴上的垂直移动齿轮1-6-7相互啮合。

如图7和图8所示，所述万向移动球绞对花机构1-6-8包括球绞对花板1-6-8-1、球绞座1-6-8-2、球绞1-6-8-3和花丝采集负压管头1-6-8-4。

所述球绞1-6-8-3和花丝采集负压管头1-6-8-4固接在球绞对花板1-6-8-1的上端面上。所述球绞座1-6-8-2螺纹连接在垂直移动滑块1-6-11的底端，并与球绞1-6-8-3配合连接。

如图9和图10所示，所述采摘机械手1-6-10包括筛网1-6-10-1、采摘箱体1-6-10-2、红花果球拟合罩1-6-10-3和刀具传动轴1-6-10-4。

所述采摘箱体1-6-10-2固接在球绞对花板1-6-8-1的下端面上，且采摘箱体1-6-10-2的上端口与花丝采集负压管头1-6-8-4连通。采摘箱体1-6-10-2的下端口依次与筛网1-6-10-1和红花果球拟合罩1-6-10-3固定连接。所述采摘箱体1-6-10-2内设有花丝切割刀具，所述花丝切割刀具的刀具传动轴1-6-10-4通过轴承安装在采摘箱体1-6-10-2上。

所述花丝切割刀具步进电机1-6-9固接在球绞对花板1-6-8-1的下端面上，花丝切割刀具步进电机1-6-9的动力输出轴与刀具传动轴1-6-10-4连接。

如图10所示，所述筛网1-6-10-1包括筛网板1-6-10-1-1和多个等间距固接在筛网板1-6-10-1-1中部开口处的栅条1-6-10-1-2，可根据花丝疏密调整栅条1-6-10-1-2的间距大小，防止切断后的花丝掉落，造成花丝采集率降低。

所述花丝采集负压管头1-6-8-4通过输送软管3-8与花丝收集系统3的花丝收集箱3-1上的收集箱管道接口3-2连接，在负压风机的作用下完成切割后的花丝输送收集。

优选地，所述采摘机械手单体1-6设有四个水平移动滑块1-8-2，导轨安装架1-6-1的前后两端各两个水平移动滑块1-8-2，使得采摘机械手单体1-6在水平移动滑轨1-8-1 上移动更平稳。

如图11所示，红花植株具有分层的结构特点，由外至内依次分为：外层红花植株、中间层红花植株和内层红花植株。其中，外层红花植株的红花果球以外层红花植株的交点O1形成外层采摘区域夹角α；中间层红花植株的红花果球以中间层红花植株的交点O2形成中间层采摘区域夹角β；内层红花植株的红花果球以内层红花植株的交点O3形成内层采摘区域夹角γ。

由于红花植株物理特性原因，红花植株的红花果球数量形成中间密集，依次往外果球数量逐渐变稀疏，所以实际红花植株的红花果球散开形成的各个角度为α＜β＜γ。

由于内层红花植株比较密集，其分布区域可以近似为圆形。逐渐往外红花植株的果球逐渐散开，变稀疏，还由于相连红花植株的生长竞争及抑制，因此，中间层红花植株的分布区域为近似有长短径的椭圆形，行间距离比较宽松的红花植株为长径所在区域，前后株间较短的红花植株为短径所在区域。由于红花植株的生物特性差异，存在其他不在圆形采摘区域或者椭圆形采摘区域内的红花植株，因此，外层红花植株的分布区域可以近似为矩形。

为适应上述红花植株的分布特点，如图12和13所示，所述采摘机械手单体1-6在采摘机械手导向架1上按照内层圆形采摘区域Ⅰ、中间层椭圆形采摘区域Ⅱ和外层矩形采摘区域Ⅲ布置，实现红花植株全覆盖。同时，构成外层矩形采摘区域Ⅲ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成外层采摘区域夹角α；构成中间层椭圆形采摘区域Ⅱ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成中间层采摘区域夹角β；构成内层圆形采摘区域Ⅰ的采摘机械手单体1-6的采摘机械手1-6-10相应地形成内层采摘区域夹角γ，实现红花植株的精准采摘。

如图1所示，所述行走装置2包括前轮转向引导装置2-1和后轮驱动装置2-2，所述后轮驱动装置2-2包括后轮支撑腿2-2-1、驱动步进电机2-2-2、传动链条2-2-3、链轴2-2-4、后驱动轮2-2-5和链条保护罩2-2-6。所述驱动步进电机2-2-2固接在后轮支撑腿2-2-1上，所述后驱动轮2-2-5的转动轴与所述链轴2-2-4连接，驱动步进电机2-2-2的动力通过所述传动链条2-2-3传递至链轴2-2-4，驱动后驱动轮2-2-5转动。所述链条保护罩2-2-6罩在链轴2-2-4的外侧。

如图14和图15所示，所述花丝采集系统3包括花丝收集箱3-1、收集箱管道接口3-2、收集箱支撑臂3-3、收集箱上盖3-4、负压风机3-5、电池3-6、整机控制系统3-7和输送软管3-8。

所述花丝收集箱3-1通过所述收集箱支撑臂3-3固接在采摘机械手导向架1上，花丝收集箱3-1的收集箱上盖3-4上设有多个与采摘机械手单体1-6的花丝采集负压管头1-6-8-4一一对应的采集箱管道接口3-2，采集箱管道接口3-2与所述花丝采集负压管头1-6-8-4通过输送软管3-8连接。至少一个负压风机3-5设置在花丝收集箱3-1上，使花丝收集箱3-1形成负压。电池3-6和整机控制系统3-7设置在花丝收集箱3-1上，其中，

电池3-6分别与水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、花丝切割刀具步进电机1-6-9、驱动步进电机2-2-2、负压风机3-5、整机控制系统3-7以及多信息融合花丝定位导航识别系统4中的卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3连接。所述整机控制系统3-7分别与水平移动步进电机1-6-3、垂直移动步进电机1-6-4、花丝切割刀具步进电机1-6-9、驱动步进电机2-2-2、负压风机3-5、电池3-6以及多信息融合花丝定位导航识别系统4中的卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3连接。

所述输送软管3-8的一端与所述花丝采集负压管头1-6-8-4连接，收集切割后的花丝，另一端与所述收集箱管道接口3-2连接，把收集后的花丝采集进入所述花丝收集箱3-1。

如图16所示，所述多信息融合花丝定位导航识别系统4包括卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3和可伸缩支撑杆4-4。

所述卫星导航定位系统4-1通过螺栓安装于所述可伸缩支撑杆4-4顶端，用于接收卫星导航的定位信息；所述单目视觉导航系统4-2通过螺栓安装在可伸缩支撑杆4-4的上部，用于识别红花植株行，进行辅助精准对行；所述双目视觉识别系统4-3俯仰角度可调地安装于可伸缩支撑杆4-4上用于采集视域范围的红花立体图像，进行红花花丝的识别，为实现采摘机械手单体1-6精准定位提供位置信息；所述可伸缩支撑杆4-4的底端通过螺栓安装在前支撑架1-3的中部，用于调整所述卫星导航定位系统4-1、单目视觉导航系统4-2、双目视觉识别系统4-3的高度位置。

本发明的工作过程如下：

自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人骑在一行红花行上进行行走，所述行走装置2的前轮转向引导装置2-1、后轮驱动装置2-2位于红花行两侧，所述采摘机械手导向架1位于红花植株上方，所述电池3-6为所述驱动步进电机2-2-2通过线路供电，所述整机控制系统3-7控制所述驱动步进电机2-2-2的动力通过所述传动链条2-2-3传递至链轴2-2-4，驱动后驱动轮2-2-5转动，实现所述自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人行间移动。

前期记录的红花导航种植路径偏移一定距离作为自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人行间行走跟踪路径，通过安装的卫星导航定位系统4-1可以测定所述后驱动轮2-2-5的速度，结合路径跟踪误差，向所述整机控制系统3-7发出路径偏移距离信号，控制所述后轮驱动装置2-2两侧所述驱动步进电机2-2-2驱动后驱动轮2-2-5差速转动，校正路径跟踪误差，实现设定好的路径跟踪；同时，所述单目视觉导航系统4-2可以实时采集自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人移动正前方视域范围的红花行图像，通过图像处理提取红花作物行导航线，辅助引导自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人对行行走，实现精准对行作业；所述双目视觉识别系统4-3可以实时采集自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人移动正前方视域范围的红花行图像，通过图像处理提取红花花丝位置信息，形成红花花丝位置空间分布图，为后续红花花丝全覆盖多目标采摘提供位置信息。

所述整机控制系统3-7控制水平移动步进电机1-6-3带动水平导轨移动齿轮1-6-5在水平移动齿条1-7上移动，带动所述1-6采摘机械手单体移动到所述双目视觉识别系统4-3形成红花花丝位置空间分布图正上方，同时控制垂直移动步进电机带动垂直移动齿轮1-6-4在垂直移动齿条1-6-12上移动，带动所述采摘机械手单体1-6移动到所述双目视觉识别系统4-3形成红花花丝位置空间分布图上侧，所述采摘机械手单体1-6在采摘机械手导向架1上按照内层圆形采摘区域Ⅰ、中间层椭圆形采摘区域Ⅱ和外层矩形采摘区域Ⅲ到达指定采摘位置，实现了红花植株全覆盖，适应上述红花植株的分布特点，为精准采摘做好准备。

根据红花形成外层采摘区域夹角α、中间层采摘区域夹角β、内层采摘区域夹角γ，调整所述万向移动球绞对花机构1-6-8中球绞座1-6-8-2上设有的锁紧螺母使所述采摘机械手单体1-6偏转固定角度，正对着或者基本上正对着红花花丝，在所述采摘机械手单体1-6运动过程中，所述红花果球拟合罩1-6-10-3对准红花花球，使红花进入切割位置，所述整机控制系统3-7驱动花丝切割刀具步进电机1-6-9转动，带动所述采摘机械手1-6-10旋转切断花丝，所述负压风机3-5负压力把切断的红花花丝通过输送软管3-8，吸入所述花丝收集箱3-1中，完成花丝采摘，同时所述筛网1-6-10-1可以防止大部分花丝掉落，提高了花丝采集率。

上述实施例仅为本发明较佳的实施例，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，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，均应包含在本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，包括采摘机械手导向架（1）、行走装置（2）、花丝采集系统（3）和多信息融合花丝定位导航识别系统（4）；

四个行走装置（2）高度可调地分别固接在水平设置的矩形采摘机械手导向架（1）的四个角部，使得采摘作业时矩形采摘机械手导向架（1）位于红花植株的上方；所述花丝采集系统（3）固接在采摘机械手导向架（1）的上方；所述多信息融合花丝定位导航识别系统（4）固接在采摘机械手导向架（1）的前端，实现红花植株的精准识别和定位；

所述采摘机械手导向架（1）包括左支撑架（1-1）、右支撑架（1-2）、前支撑架（1-3）、后支撑架（1-4）、导轨支撑架（1-5）、采摘机械手单体（1-6）、水平移动齿条（1-7）和水平移动导轨（1-8）；

所述左支撑架（1-1）、前支撑架（1-3）、右支撑架（1-2）和后支撑架（1-4）依次首尾固接，形成一矩形架；多个并列布置的导轨支撑架（1-5）的左右两端分别与左支撑架（1-1）和右支撑架（1-2）固接，导轨支撑架（1-5）与前支撑架（1-3）和后支撑架（1-4）平行；

最前方的导轨支撑架（1-5）与前支撑架（1-3）之间、最后方的导轨支撑架（1-5）与后支撑架（1-4）之间，以及相邻的两个导轨支撑架（1-5）之间，均构成采摘机械手移动槽；

所述水平移动导轨（1-8）包括水平移动滑轨（1-8-1）和在水平移动滑轨（1-8-1）上自由滑动的水平移动滑块（1-8-2）；

每个采摘机械手移动槽中，均设有一对与前支撑架（1-3）和后支撑架（1-4）平行的水平移动滑轨（1-8-1）；其中，位于最前方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨（1-8-1）分别固接在前支撑架（1-3）和导轨支撑架（1-5）上，位于最后方的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨（1-8-1）分别固接在后支撑架（1-4）和导轨支撑架（1-5）上，位于其他中部的采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨（1-8-1）分别固接在两个导轨支撑架（1-5）上；

每个采摘机械手移动槽中的两个水平移动滑轨（1-8-1）之间均设有一与水平移动滑轨（1-8-1）平行的水平移动齿条（1-7），且所述水平移动齿条（1-7）靠近其中一个水平移动滑轨（1-8-1）；

每个采摘机械手移动槽中，沿其长度方向设有多个与红花植株的红花果球一一对应的采摘机械手单体（1-6）；

所述采摘机械手单体（1-6）包括导轨安装架（1-6-1）、垂直移动导轨支撑架（1-6-2）、水平移动步进电机（1-6-3）、垂直移动步进电机（1-6-4）、水平导轨移动齿轮（1-6-5）、垂直移动导轨（1-6-6）、垂直移动齿轮（1-6-7）、万向移动球绞对花机构（1-6-8）、花丝切割刀具步进电机（1-6-9）、采摘机械手（1-6-10）、垂直移动滑块（1-6-11）和垂直移动齿条（1-6-12）；

水平设置的导轨安装架（1-6-1）的前后两端均固接有与水平移动导轨（1-8）滑动连接的水平移动滑块（1-8-2），导轨安装架（1-6-1）的下端面设有水平移动步进电机（1-6-3），水平移动步进电机（1-6-3）的动力输出轴上设有与水平移动齿条（1-7）相互啮合的水平导轨移动齿轮（1-6-5）；

所述垂直移动导轨支撑架（1-6-2）和垂直移动步进电机（1-6-4）固接在导轨安装架（1-6-1）的上端面上；所述垂直移动导轨（1-6-6）垂直地从导轨安装架（1-6-1）中部开设的槽孔中穿过，并固接在垂直移动导轨支撑架（1-6-2）上；所述垂直移动滑块（1-6-11）滑动连接在垂直移动导轨（1-6-6）上；所述垂直移动齿条（1-6-12）固接在垂直移动滑块（1-6-11）上，并与固接在垂直移动步进电机（1-6-4）的动力输出轴上的垂直移动齿轮（1-6-7）相互啮合；

所述万向移动球绞对花机构（1-6-8）包括球绞对花板（1-6-8-1）、球绞座（1-6-8-2）、球绞（1-6-8-3）和花丝采集负压管头（1-6-8-4）；

所述球绞（1-6-8-3）和花丝采集负压管头（1-6-8-4）固接在球绞对花板（1-6-8-1）的上端面上；所述球绞座（1-6-8-2）螺纹连接在垂直移动滑块（1-6-11）的底端，并与球绞（1-6-8-3）配合连接；

所述采摘机械手（1-6-10）包括筛网（1-6-10-1）、采摘箱体（1-6-10-2）、红花果球拟合罩（1-6-10-3）和刀具传动轴（1-6-10-4）；

所述采摘箱体（1-6-10-2）固接在球绞对花板（1-6-8-1）的下端面上，且采摘箱体（1-6-10-2）的上端口与花丝采集负压管头（1-6-8-4）连通；采摘箱体（1-6-10-2）的下端口依次与筛网（1-6-10-1）和红花果球拟合罩（1-6-10-3）固定连接；所述采摘箱体（1-6-10-2）内设有花丝切割刀具，所述花丝切割刀具的刀具传动轴（1-6-10-4）通过轴承安装在采摘箱体（1-6-10-2）上；

所述花丝切割刀具步进电机（1-6-9）固接在球绞对花板（1-6-8-1）的下端面上，花丝切割刀具步进电机（1-6-9）的动力输出轴与刀具传动轴（1-6-10-4）连接；

所述花丝采集负压管头（1-6-8-4）通过输送软管（3-8）与花丝收集系统（3）的花丝收集箱（3-1）上的收集箱管道接口（3-2）连接，在负压风机的作用下完成切割后的花丝输送收集；

所述采摘机械手单体（1-6）在采摘机械手导向架（1）上按照内层圆形采摘区域（Ⅰ）、中间层椭圆形采摘区域（Ⅱ）和外层矩形采摘区域（Ⅲ）布置，实现红花植株全覆盖；同时，构成外层矩形采摘区域（Ⅲ）的采摘机械手单体（1-6）的采摘机械手（1-6-10）相应地形成外层采摘区域夹角α；构成中间层椭圆形采摘区域（Ⅱ）的采摘机械手单体（1-6）的采摘机械手（1-6-10）相应地形成中间层采摘区域夹角β；构成内层圆形采摘区域（Ⅰ）的采摘机械手单体（1-6）的采摘机械手（1-6-10）相应地形成内层采摘区域夹角γ；其中，外层采摘区域夹角α为外层红花植株的红花果球以外层红花植株的交点O1形成的夹角；中间层采摘区域夹角β为中间层红花植株的红花果球以中间层红花植株的交点O2形成的夹角；内层采摘区域夹角γ为内层红花植株的红花果球以内层红花植株的交点O3形成的夹角；α＜β＜γ。

2.根据权利要求1所述的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，所述筛网（1-6-10-1）包括筛网板（1-6-10-1-1）和多个等间距固接在筛网板（1-6-10-1-1）中部开口处的栅条（1-6-10-1-2）。

3.根据权利要求1所述的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，所述采摘机械手单体（1-6）设有四个水平移动滑块（1-8-2），导轨安装架（1-6-1）的前后两端各两个水平移动滑块（1-8-2）。

4.根据权利要求1所述的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，所述行走装置（2）包括前轮转向引导装置（2-1）和后轮驱动装置（2-2），所述后轮驱动装置（2-2）包括后轮支撑腿（2-2-1）、驱动步进电机（2-2-2）、传动链条（2-2-3）、链轴（2-2-4）、后驱动轮（2-2-5）和链条保护罩（2-2-6）；所述驱动步进电机（2-2-2）固接在后轮支撑腿（2-2-1）上，所述后驱动轮（2-2-5）的转动轴与所述链轴（2-2-4）连接，驱动步进电机（2-2-2）的动力通过所述传动链条（2-2-3）传递至链轴（2-2-4），驱动后驱动轮（2-2-5）转动；所述链条保护罩（2-2-6）罩在链轴（2-2-4）的外侧。

5.根据权利要求1所述的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，所述多信息融合花丝定位导航识别系统（4）包括卫星导航定位系统（4-1）、单目视觉导航系统（4-2）、双目视觉识别系统（4-3）和可伸缩支撑杆（4-4）；

所述卫星导航定位系统（4-1）安装于可伸缩支撑杆（4-4）顶端，用于接收卫星导航的定位信息；所述单目视觉导航系统（4-2）安装在可伸缩支撑杆（4-4）的上部，用于识别红花植株行，进行辅助精准对行；所述双目视觉识别系统（4-3）俯仰角度可调地安装于可伸缩支撑杆（4-4）上用于采集视域范围的红花立体图像，进行红花花丝的识别，为实现采摘机械手单体（1-6）精准定位提供位置信息；所述可伸缩支撑杆（4-4）的底端安装在前支撑架（1-3）的中部，用于调整所述卫星导航定位系统（4-1）、单目视觉导航系统（4-2）、双目视觉识别系统（4-3）的高度位置。

6.根据权利要求5所述的自走式全覆盖多目标红花花丝采摘机器人，其特征在于，所述花丝采集系统（3）包括花丝收集箱（3-1）、收集箱管道接口（3-2）、收集箱支撑臂（3-3）、收集箱上盖（3-4）、负压风机（3-5）、电池（3-6）、整机控制系统（3-7）和输送软管（3-8）；

所述花丝收集箱（3-1）通过所述收集箱支撑臂（3-3）固接在采摘机械手导向架（1）上，花丝收集箱（3-1）的收集箱上盖（3-4）上设有多个与采摘机械手单体（1-6）的花丝采集负压管头（1-6-8-4）一一对应的采集箱管道接口（3-2），采集箱管道接口（3-2）与所述花丝采集负压管头（1-6-8-4）通过输送软管（3-8）连接；

至少一个负压风机（3-5）设置在花丝收集箱（3-1）上，使花丝收集箱（3-1）形成负压；电池（3-6）和整机控制系统（3-7）设置在花丝收集箱（3-1）上，其中，

电池（3-6）分别与水平移动步进电机（1-6-3）、垂直移动步进电机（1-6-4）、花丝切割刀具步进电机（1-6-9）、驱动步进电机（2-2-2）、负压风机（3-5）、整机控制系统（3-7）以及多信息融合花丝定位导航识别系统（4）中的卫星导航定位系统（4-1）、单目视觉导航系统（4-2）、双目视觉识别系统（4-3）连接；所述整机控制系统（3-7）分别与水平移动步进电机（1-6-3）、垂直移动步进电机（1-6-4）、花丝切割刀具步进电机（1-6-9）、驱动步进电机（2-2-2）、负压风机（3-5）、电池（3-6）以及多信息融合花丝定位导航识别系统（4）中的卫星导航定位系统（4-1）、单目视觉导航系统（4-2）、双目视觉识别系统（4-3）连接。

Images