CN111972127A - 一种吞咽式果蔬采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种吞咽式果蔬采摘机器人，包括智能移动平台、仿生吞咽运输装置、机器人本体和工控机，机器人本体、工控机安装在智能移动平台上，仿生吞咽运输装置贯穿式安装在机器人本体内，仿生吞咽运输装置包括充气管道、运输管道和空压机，充气管道沿运输管道的内表面均匀设置，每个充气管道均设有一通气孔与空压机连通，运输管道的一端设有吸入口，并固定在机器人本体上，另一端开口通向果蔬收集箱内。采用本发明采摘只需对果蔬的位置进行识别，不需要判断果蔬的姿态，简化了采摘机器人的控制程序，提高了采摘效率，且整个采摘和运输果蔬的过程中不会对果蔬造成机械损伤，实现快速无损采摘作业，适用于多种果蔬的采摘。

Description

一种吞咽式果蔬采摘机器人

技术领域

本发明涉及果蔬采摘技术领域，尤其是一种吞咽式果蔬采摘机器人。

背景技术

果蔬采摘作业是目前果蔬生产链中最耗时、最费力的环节，采摘作业质量的好坏直接影响到后续的加工和储藏。因此研究和开发果蔬采摘装置对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低劳动成本，保证新鲜水果蔬菜品质以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要意义。目前，国内外的采摘机器人大多数以各种类型的机械手爪或柔性手爪作为末端执行器对目标果实进行抓取和采摘，这不仅要求采摘机器人具有高精度的抓取力控制策略，以避免抓取力过小导致果蔬滑落或者因抓取力过大对果蔬造成机械损伤；还要求采摘机器人对目标果蔬进行高精度的定位和姿态判断，从而确保机械手爪能够准确到达特定的位置并以合适的姿态对目标果蔬进行采摘作业。这使得采摘机器人的控制系统复杂且采摘效率和成功率较低。另外，高精度的姿态需要选用高自由度的机械臂来执行，大多数采摘机器人选用六自由度的串联机械臂作为执行机构，但由于串联机器人存在累积误差和动态特性差等特性，使得此类机器人的作业效率较低。针对以上采摘机器人存在的问题，部分学者利用并联机构动态性能好、运动控制精度高的优点来弥补串联机构动态性能差、运动精度低的缺点。例如：专利201910032822.0提出了一种采摘机器人采用混联机构作为机械臂，该采摘机器人在3自由度串联机械臂末端增加3自由度并联机械臂。美国加利福尼亚州的Abundant Robotics机器人开发的苹果采摘机器人，以3自由度的Delta并联机构作为机械臂，通过连接有空气泵的管道对树上抽真空的方式来采摘苹果，不会对苹果造成损伤；但是在采摘苹果的过程中，有可能吸入树叶并损坏果树的枝杈。针对现有采摘机器人的采摘效率低，控制系统复杂等问题，急需发明一种新的采摘机器人结构及采摘方式，以实现采摘机器人的快速无损作业。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种吞咽式果蔬采摘机器人，通过智能移动平台、机器人本体、仿生吞咽运输装置和工控机相配合，不需要对果蔬的姿态进行识别，降低了机器人控制程序的复杂程度，提高了采摘效率，且在采摘和运输的过程中不会对果蔬产生损伤，实现快速无损采摘作业。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种吞咽式果蔬采摘机器人，包括智能移动平台、仿生吞咽运输装置、机器人本体和工控机，智能移动平台下方的车架两侧安装有履带轮，所述履带轮由安装在车架上的驱动电机控制驱动；机架固定安装在智能移动平台上的一侧，机器人本体安装在机架的中心位置，且机器人本体位于机架的外侧；仿生吞咽运输装置贯穿式安装在机器人本体内；工控机固定安装在智能移动平台上的后侧，且工控机与智能移动平台、仿生吞咽运输装置、机器人本体均连接，并用于控制智能移动平台、仿生吞咽运输装置、机器人本体的动作；智能移动平台下方的车架上还安装有蓄电池组，用于为仿生吞咽运输装置、智能移动平台和机器人本体供电；所述仿生吞咽运输装置包括若干个空心圆环状的充气管道、空心圆柱状的运输管道和空压机，充气管道、运输管道均采用软橡胶材料制成，充气管道沿运输管道的内表面均匀设置，且每个充气管道均设有一通气孔与空压机连通，所述空压机固定安装在智能移动平台上，空压机与工控机连接并由工控机控制；运输管道的一端设有吸入口，并固定在机器人本体上且随机器人本体移动，运输管道的另一端开口通向果蔬收集箱内，所述果蔬收集箱可移动式设置在智能移动平台上且位于机架的内侧。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述机器人本体包括并联机械臂和3个伺服电机，并联机械臂固定在机架的外侧，其中，并联机械臂包括定平台、动平台和3组支链，定平台与动平台之间通过3组支链连接，定平台的中央开有供运输管道贯穿的通孔，动平台的中央固定运输管道的吸入口；每组支链均包括主动臂和从动臂，主动臂的一端与从动臂的一端活动式连接，主动臂的另一端固定在定平台上，3个主动臂(15)分别通过转动副与3个伺服电机的动力输出轴相连，所述3个伺服电机均固定安装在定平台上，与工控机连接并由工控机控制，从动臂的另一端连接动平台。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述从动臂为平行四边形结构，由4个球副依次连接4个杆件组成，4个杆件包括2个长杆和2个短杆，其中一短杆通过转动副与动平台连接，另一短杆通过转动副与主动臂连接。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，智能移动平台上的前侧安装有GNSS主机、激光雷达和2个测量天线，所述测量天线设置在智能移动平台上的前侧两端，GNSS主机设置在2个测量天线的中点，激光雷达安装在GNSS主机的顶部。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，还包括双目视觉系统，所述双目视觉系统安装在机架的外侧上部，且双目视觉系统位于并联机械臂的正上方。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述机架通过焊接的方式固定在智能移动平台上。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述空压机以螺钉方式固定在智能移动平台上。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述3组蓄电池组通过螺钉方式固定安装在智能移动平台下方的车架上。

进一步的，本发明的吞咽式果蔬采摘机器人，所述履带轮的两个驱动电机分别通过螺钉方式与减速机固接；所述减速机通过螺钉方式固定在减速机固定板上，并通过传动轴与履带轮的主动轮相连，所述减速机固定板通过螺钉或焊接方式固定于车架上。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的吞咽式果蔬采摘机器人可实现整个采摘过程的完全自主化作业。

2、本发明的吞咽式果蔬采摘机器人只需对果蔬的位置进行识别，不需要判断果蔬的姿态，从而简化了采摘机器人的控制程序，提高了采摘效率。

3、本发明的吞咽式果蔬采摘机器人通过吸入口形成的压力和机械臂的拉扯力采摘果蔬，并通过运输管道的有序舒张和紧缩作用，使苹果缓慢蠕动至收集箱。整个采摘和运输果蔬的过程中不会对果蔬造成机械损伤。

4、本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的吞咽运输装置可适用于多种果蔬的采摘，对于不同个大小的果蔬只需更换吞咽运输装置的管道即可直接使用。

附图说明

图1是本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的整体结构示意图。

图2是本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的智能移动平台的结构示意图。

图3是本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的机器人本体的结构示意图。

图4是本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的吞咽运输装置的结构示意图。

图5是本发明的吞咽式果蔬采摘机器人的蓄电池组和履带轮驱动电机的安装示意图。

附图标记含义：1：智能移动平台，2：GNSS主机，3：激光雷达，4：测量天线，5：仿生吞咽运输装置，6：机器人本体，7：并联机械臂，8：双目视觉系统，9：机架，10：工控机，11：果蔬收集箱，12：空压机，13：伺服电机，14：从动臂，15：主动臂，16：定平台，17：动平台，18：吸入口，19：通气孔，20：充气管道，21：运输管道，22：蓄电池组，23：驱动电机，24：减速机，25：减速机固定板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种吞咽式果蔬采摘机器人，包括智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6和工控机10，智能移动平台1下方的车架两侧安装有履带轮，履带轮由安装在车架上的驱动电机23控制驱动；机架9固定安装在智能移动平台1上的一侧，机器人本体6安装在机架9的中心位置，且机器人本体6位于机架9的外侧；仿生吞咽运输装置5贯穿式安装在机器人本体6内；工控机10固定安装在智能移动平台1上的后侧，且工控机10与智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6均连接，并用于控制智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6的动作。所述仿生吞咽运输装置5包括若干个空心圆环状的充气管道20、空心圆柱状的运输管道21和空压机12，充气管道20、运输管道21均采用软橡胶材料制成，充气管道20沿运输管道21的内表面均匀设置，且每个充气管道20均设有一通气孔19与空压机12连通，所述空压机12固定安装在智能移动平台1上，空压机12与工控机10连接并由工控机10控制；运输管道21的一端设有吸入口18，并固定在机器人本体6上且随机器人本体6移动，运输管道21的另一端开口通向果蔬收集箱11内，所述果蔬收集箱11可移动式设置在智能移动平台1上且位于机架9的内侧。

实施例1

一种吞咽式果蔬采摘机器人，如图1所示，包括智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6和工控机10。

如图1、2所示，智能移动平台1上的前侧安装有GNSS主机2、激光雷达3和2个测量天线4，所述测量天线4设置在智能移动平台1上的前侧两端，GNSS主机2设置在2个测量天线4的中点，GNSS主机2和测量天线4用于接收卫星信号、测量智能移动平台1的位置和姿态，激光雷达3安装在GNSS主机2的顶部，用于感知环境实现智能移动平台1的自主驾驶和有效规避障碍物。智能移动平台1下方的车架两侧安装有履带轮，所述履带轮由安装在车架上的两个驱动电机23控制驱动，车架上还安装有三组蓄电池组22，为仿生吞咽运输装置5、智能移动平台1和机器人本体6供电。机架9通过焊接的方式固定安装在智能移动平台1上的一侧，机器人本体6安装在机架9的中心位置，且机器人本体6位于机架9的外侧。机架9的外侧上部安装有双目视觉系统8，且双目视觉系统8位于机器人本体6的正上方。

如图4所示，仿生吞咽运输装置5贯穿式安装在机器人本体6内。所述仿生吞咽运输装置5包括若干个空心圆环状的充气管道20、空心圆柱状的运输管道21和空压机12。充气管道20、运输管道21均采用软橡胶材料制成，充气管道20沿运输管道21的内表面均匀分布设置，且每个充气管道20均开有一通气孔19与空压机12连通，所述空压机12以螺钉方式固定安装在智能移动平台1上，空压机12且位于机架9后面，空压机12与工控机10连接并由工控机10控制。运输管道21的一端设有吸入口18，并固定在机器人本体6上且随机器人本体6移动，运输管道21的另一端开口通向果蔬收集箱11内，所述果蔬收集箱11可移动式设置在智能移动平台1上且位于机架9的内侧。

如图3所示，所述机器人本体6包括并联机械臂7和3个伺服电机13，伺服电机13用于驱动并联机械臂7，并联机械臂7固定在机架9的外侧。其中，并联机械臂7包括定平台16、动平台17和3组结构相同的支链，定平台16与动平台17之间通过3组支链连接，定平台16的中央开有供运输管道21贯穿的通孔，动平台17的中央固定运输管道21的吸入口18。每组支链均包括主动臂15和从动臂14，主动臂15的一端与从动臂14的一端活动式连接，主动臂15的另一端固定在定平台16上，3个主动臂15分别通过转动副与3个伺服电机13的动力输出轴相连，所述3个伺服电机13均固定安装在定平台16上，伺服电机13与工控机10连接并由工控机10控制，从动臂14的另一端连接动平台17。所述从动臂14为平行四边形结构，由4个球副依次连接4个杆件组成，4个杆件包括2个长杆和2个短杆，其中一短杆通过转动副与动平台17连接，另一短杆通过转动副与主动臂15连接。

工控机10固定安装在智能移动平台1上的后侧，且工控机10与智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6均连接，并用于控制智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5、机器人本体6的动作。

如图5所示，所述3组蓄电池组24通过螺钉方式固定安装在智能移动平台1下方的车架上，为智能移动平台1、仿生吞咽运输装置5和机器人本体6供电。所述履带轮的两个驱动电机23分别通过螺钉方式与减速机24固接；所述减速机24通过螺钉方式固定在减速机固定板25上，并通过传动轴与履带轮的主动轮相连，所述减速机固定板25通过螺钉或焊接方式固定于车架上。

本方案的吞咽式果蔬采摘机器人的采摘作业工作过程如下：

1)测量天线4和GNSS主机2接收卫星信号，测量智能移动平台1在运动过程中的位置和姿态，获取智能移动平台1的精准定位，激光雷达3感知周围环境，辅助智能移动平台1的自主行走以及有效规避障碍物。

2)智能移动平台1行走到需要采摘的果树旁，双目视觉系统8对果蔬进行识别、定位，并将果树的位置信息传递给工控机10，工控机10根据位置信息完成采摘路径规划和位置控制，然后同步驱动3个伺服电机13进而移动并联机械臂7，使吞咽运输装置5的吸入口18精准到达目标位置并将果蔬套入吸入口18；

3)空压机12对吸入口18处的通气孔19通气使充气管道20充气，则吸入口18处的充气管道20压力升高而膨胀，吸入口18处的通道变小，从而通过吸入口18处形成的压力牢牢抓取果蔬，再通过机器人本体6的向后拉扯力实现采摘果蔬；

4)当果蔬进入运输管道21内，工控机10有序控制空压机12对充气管道20依次通气，使得往果蔬收集箱11方向的充气管道20压力减小，果蔬向果蔬收集箱11方向运动的内径变大，而相反方向的充气管道20压力升高而膨胀，运动内径变小，从而果蔬前后形成压力差，使果蔬在运输管道21中向果蔬收集箱11方向缓慢蠕动。充气管道21按照预设的吞咽控制程序有序的舒张和紧缩，使果蔬缓慢蠕动到果蔬收集箱11，完成果蔬的运输收集工作。

本方案的吞咽式果蔬采摘机器人采用装有测量天线4、GNSS主机2和激光雷达3的履带式智能移动平台1搭载机器人本体6，并在固定机械臂7的机架9上方安装有双目视觉体统8，在进行采摘作业时，智能移动平,1自动驾驶到果树旁，并利用双目视觉系统8对果蔬识别、定位，通过工控机10控制伺服电机13驱动机械臂7，使吞咽运输装置5的吸入口18精准到达目标位置并采摘果蔬，果蔬在运输管道21的有序舒张和紧缩作用下缓慢蠕动至果蔬收集箱11，由此实现整个采摘过程的完全自主化作业。

本方案的吞咽式果蔬采摘机器人采用橡胶材料制成的仿生吞咽运输装置5来采摘果蔬，同时采用高精度、高速率的并联机械臂作为执行机构，通过吸入口18形成的压力和机械臂7的拉扯力采摘果蔬，以及运输管道21的有序舒张和紧缩作用，使果蔬缓慢蠕动至收集箱11，与传统的采用机械手采摘果蔬相比，只需对果蔬的位置进行识别，不需要判断果蔬的姿态，从而简化了采摘机器人的控制程序，提高了采摘效率，且整个采摘和运输果蔬的过程中不会对果蔬造成机械损伤，可适用于多种果蔬的采摘，只需要换用不同直径的吞咽运输装置即能直接使用。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，包括智能移动平台(1)、仿生吞咽运输装置(5)、机器人本体(6)和工控机(10)，智能移动平台(1)下方的车架两侧安装有履带轮，所述履带轮由安装在车架上的驱动电机(23)控制驱动；机架(9)固定安装在智能移动平台(1)上的一侧，机器人本体(6)安装在机架(9)的中心位置，且机器人本体(6)位于机架(9)的外侧；仿生吞咽运输装置(5)贯穿式安装在机器人本体(6)内；工控机(10)固定安装在智能移动平台(1)上的后侧，且工控机(10)与智能移动平台(1)、仿生吞咽运输装置(5)、机器人本体(6)均连接，并用于控制智能移动平台(1)、仿生吞咽运输装置(5)、机器人本体(6)的动作；智能移动平台(1)下方的车架上还安装有蓄电池组(22)，用于为仿生吞咽运输装置(5)、智能移动平台(1)和机器人本体(6)供电；

所述仿生吞咽运输装置(5)包括若干个空心圆环状的充气管道(20)、空心圆柱状的运输管道(21)和空压机(12)，充气管道(20)、运输管道(21)均采用软橡胶材料制成，充气管道(20)沿运输管道(21)的内表面均匀设置，且每个充气管道(20)均设有一通气孔(19)与空压机(12)连通，所述空压机(12)固定安装在智能移动平台(1)上，空压机(12)与工控机(10)连接并由工控机(10)控制；运输管道(21)的一端设有吸入口(18)，并固定在机器人本体(6)上且随机器人本体(6)移动，运输管道(21)的另一端开口通向果蔬收集箱(11)内，所述果蔬收集箱(11)可移动式设置在智能移动平台(1)上且位于机架(9)的内侧。

2.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述机器人本体(6)包括并联机械臂(7)和3个伺服电机(13)，并联机械臂(7)固定在机架(9)的外侧，其中，并联机械臂(7)包括定平台(16)、动平台(17)和3组支链，定平台(16)与动平台(17)之间通过3组支链连接，定平台(16)的中央开有供运输管道(21)贯穿的通孔，动平台(17)的中央固定运输管道(21)的吸入口(18)；每组支链均包括主动臂(15)和从动臂(14)，主动臂(15)的一端与从动臂(14)的一端活动式连接，主动臂(15)的另一端固定在定平台(16)上，3个主动臂(15)分别通过转动副与3个伺服电机(13)的动力输出轴相连，所述3个伺服电机(13)均固定安装在定平台(16)上，伺服电机(13)与工控机(10)连接并由工控机(10)控制，从动臂(14)的另一端连接动平台(17)。

3.根据权利要求2所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述从动臂(14)为平行四边形结构，由4个球副依次连接4个杆件组成，4个杆件包括2个长杆和2个短杆，其中一短杆通过转动副与动平台(17)连接，另一短杆通过转动副与主动臂(15)连接。

4.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，智能移动平台(1)上的前侧安装有GNSS主机(2)、激光雷达(3)和2个测量天线(4)，所述测量天线(4)设置在智能移动平台(1)上的前侧两端，GNSS主机(2)设置在2个测量天线(4)的中点，激光雷达(3)安装在GNSS主机(2)的顶部。

5.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，还包括双目视觉系统(8)，所述双目视觉系统(8)安装在机架(9)的外侧上部，且双目视觉系统(8)位于并联机械臂(7)的正上方，双目视觉系统(8)与工控机(10)连接并由工控机(10)控制。

6.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述机架(9)通过焊接的方式固定在智能移动平台(1)上。

7.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述空压机(12)以螺钉方式固定在智能移动平台(1)上。

8.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述蓄电池组(22)有3组，并通过螺钉方式固定安装在智能移动平台(1)下方的车架上。

9.根据权利要求1所述的吞咽式果蔬采摘机器人，其特征在于，所述履带轮的驱动电机(23)有两个，并分别通过螺钉方式与减速机(24)固接；所述减速机(24)通过螺钉方式固定在减速机固定板(25)上，并通过传动轴与履带轮的主动轮相连，所述减速机固定板(25)通过螺钉或焊接方式固定于车架上。

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