CN112154778A - 一种智能水果采摘作业车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能农业机械设备领域，尤其涉及一种智能水果采摘作业车，包括底架、支撑架板、驱动组件、电源、控制机柜、抓取悬臂组件、末端摘果组件、收集称重组件和图像采集组件；采用本发明，无需工作人员自行架梯或弯腰采摘，只需注意更换收集篮，实现了智能化自动采摘，可以通过集成在控制机柜中的GPS配合图像采集组件实现自动寻路寻果采摘，配合电子称台实现采摘数据实时记录，末端摘果组件也能实现带梗摘果，保证果实的新鲜程度，整体上减少人工劳动强度，提高采摘效率，延长果实保鲜周期。

Description

一种智能水果采摘作业车

技术领域

本发明涉及智能农业机械设备领域，尤其涉及一种智能水果采摘作业车。

背景技术

我国水果生产大国，也是世界第一大水果消费国。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33％～50％，目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。随着机器人技术的发展，有望解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适度、降低工人的劳动危险性，此外还提高了果农的经济效益，因而提高采摘作业机械化程度有重要的意义。

目前前沿研究中，大部分采摘机器人，采摘过程中极易造成果实损伤，严重影响水果的品质，而目前设计的采摘机器人存在的问题：1.机械手容易造成水果的机械损伤，影响水果品质；2.由于果树树枝和树叶等障碍，无法准确快速的锁定采摘目标；3.机械手通常直接将水果从果梗上拉下，不能保留果梗，不利于水果保鲜；4.并且收集装置固定，在收集过程容易造成二次损伤。

发明内容

本发明目的是在于提供一种结构简单，保留果梗的采摘方式，升降收集台，并且自动寻路工作的智能采摘设备。

一种智能水果采摘作业车，包括底架、支撑架板、驱动组件、电源、控制机柜、抓取悬臂组件、末端摘果组件、收集称重组件和图像采集组件；

所述底架上固定安装有电源和控制机柜，所述支撑架板安装在电源和控制机柜之间，所述抓取悬臂组件固定在支撑架板上，所述末端摘果组件固定设置在抓取悬臂组件的末端；

所述驱动组件包括驱动电机、内轮组和履带，所述驱动电机固定在底架上，通过齿轮组传动驱动内轮组，从而带动履带；

所述收集称重组件包括电子称台、收集篮、升降电缸和支撑杆；所述升降电缸安装在控制柜体中，升降电缸的输出端连接支撑杆，用于支撑电子秤台，所述电子称台上固定放置收集篮；

所述控制机柜中包括控制主机，所述驱动电机、电源、抓取悬臂组件、末端摘果组件、升降电缸和电子秤台和图像采集组件均与控制主机信号连接。

进一步的，所述图像采集组件包括尾部观察摄像头、侧边视野观察摄像头和果实识别摄像头；所述尾部观察摄像头设置在电源的外壳体上；所述支撑架板上设置侧边支架，所述侧边视野摄像头安装在侧边支架上，所述果实识别摄像头安装在末端摘果组件上。

进一步的，所述抓取悬臂组件包括底座、腰部连轴、肩部连杆、肘部连杆和腕部连杆；所述腰部连轴与底座转动连接，负责X轴旋转自由度；所述肩部连杆转动连接在腰部连轴上，负责Y轴旋转自由度；所述肩部连杆、肘部连杆和腕部连杆收尾转轴连接，实现长度区间内的自由弯折；所述腕部连杆的末端安装有末端摘果组件。

进一步的，所述抓取悬臂组件包括底座、腰部连轴、肩部连杆、肘部连杆和腕部连杆之间的连接处，设置有直流伺服电机驱动，所述直流伺服电机与控制机柜中的控制主机信号连接。

进一步的，所述末端摘果组件包括固定板、旋转电缸、切梗刀片、连接板、抓取底板、抓取夹头和微动开关；所述固定板安装在腕部连杆的末端；所述旋转电缸安装在固定板上端面，所述切梗刀片水平安装在旋转电缸上；所述抓取底板和抓取夹头通过转轴转动连接，所述抓取底板和抓取夹头还设置有微型电推缸驱动连接；所述微动开关设置在两个抓取夹头之间，固定在连接板上。

进一步的，所述微型电推缸、旋转电缸和微动开关均与控制机柜中的控制主机信号连接。

进一步的，所述侧边支架上还设置有辅助补光设备，所述辅助补光设备与控制柜体中的控制主机信号连接。

本发明的有益效果是：

在本发明的具体实施过程中，可以适用除了浆果类小果径果实的大部分水果，运动方面采用履带式的驱动方式，通过控制机柜中控制主机，可以通过集成在控制机柜中的GPS规划采摘路径，运行过程中，通过设置在作业车上的尾部观察摄像头和一组侧边视野摄像头，侧边视野摄像头为左右双目设置，完成为车身周围环境采集，配合果实识别摄像头，可以完成对作业环境与采摘对象的图像收集，通过控制机柜中控制主机完成空间坐标建立；控制抓取悬臂组件进行抓取动作，抓取悬臂组件负责将末端摘果组件送至指定位置，由末端摘果组件上的微动开关配合控制微型电推缸和旋转电缸，实现了果实的抓取固定于果梗切断，进行留梗采摘；切除完毕，在收集阶段，由控制机柜中设置的升降电杆对电子秤台整体的抬升与下降，以保证果实收集过程中，尽量减少磕碰；电子称台承载收集篮，可以记录收集采摘数据，当果实收集到一定重量，通过控制主机发送信号提示，提醒工作人员更换收集篮；

采用本发明，无需工作人员自行架梯或弯腰采摘，只需注意更换收集篮，实现了智能化自动采摘，通过图像采集组件实现自动寻路寻果采摘，配合电子称台实现采摘数据实时记录，末端摘果组件也能实现带梗摘果，保证果实的新鲜程度，整体上减少人工劳动，强度提高采摘效率，延长果实保鲜周期。

附图说明

图1是本发明的整体结构斜视示意图；

图2是本发明的整体结构侧视示意图；

图3是本发明的抓取悬臂组件的结构示意图；

图4是本发明的末端摘果组件的结构示意图；

图5是本发明的系统输入输出控制示意图；

附图标记：1-底架、2-支撑架板、21-侧边支架、3-驱动电机、4-内轮组、5-履带、6-电源、7-控制机柜、8-抓取悬臂组件、81-底座、82-腰部连轴、83-肩部连杆、84-肘部连杆、85-腕部连杆、9-末端摘果组件、91-固定板、92-旋转电缸、93-切梗到片、94-连接板、95-抓取板、96-转轴、97-抓取夹头、98-微型电推缸、99-微动开关、10-电子秤台、11-收集篮、12-侧边视野观察摄像头、13-果实识别摄像头、14-尾部观察摄像头、15-辅助补光设备。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参考图1-4，一种智能水果采摘作业车，包括底架1、支撑架板2、驱动组件、电源6、控制机柜7、抓取悬臂组件8、末端摘果组件9、收集称重组件和图像采集组件；

所述底架1上固定安装有电源6和控制机柜7，所述支撑架板2安装在电源6和控制机柜7之间，所述抓取悬臂组件8固定在支撑架板2上，所述末端摘果组件9固定设置在抓取悬臂组件8的末端；

所述驱动组件包括驱动电机3、内轮组4和履带5，所述驱动电机3固定在底架1上，通过齿轮组传动驱动内轮组4，从而带动履带5；

所述收集称重组件包括电子称台10、收集篮11、升降电缸71和支撑杆72；所述升降电缸71安装在控制柜体7中，升降电缸71的输出端连接支撑杆72，用于支撑电子秤台10，所述电子称台10上固定放置收集篮11；

所述控制机柜7中包括控制主机，所述驱动电机3、电源6、抓取悬臂组件8、末端摘果组件9、升降电缸71和电子秤台10和图像采集组件均与控制主机信号连接；

本方案中，采用履带5行驶模式，可以适应不平整的地面，通过图像采集组件可以捕获作业车以及果实图像，所述控制机柜7中的控制主机集成控制与通讯功能，具有符合需求匹配的算力和通讯功能；控制机柜7控制结合获取图像进行分析，进而控制驱动组件、抓取悬臂组件8、末端摘果组件9进行摘过作业；电源6设置在车体的后部，也能进一步的通过自重帮助车体保持运行中的平衡。

进一步的，所述图像采集组件包括尾部观察摄像头14、侧边视野观察摄像头12和果实识别摄像头13；所述尾部观察摄像头14设置在电源6的外壳体上；所述支撑架板2上设置侧边支架21，所述侧边视野摄像头12安装在侧边支架21上，所述果实识别摄像头13安装在末端摘果组件9上；所述侧边支架21上还设置有辅助补光设备15，所述辅助补光设备15与控制柜体7中的控制主机信号连接；

本方案中，通过辅助补光设备15，对周围环境进行补光处理，可以使得侧边视野摄像头12可以捕获更加清晰的环境图像，适应在果林或田间的实行情况；多点式的图像采集点位，也能更加精确建立空间坐标。

进一步的，所述抓取悬臂组件8包括底座81、腰部连轴82、肩部连杆83、肘部连杆84和腕部连杆85；所述腰部连轴82与底座81转动连接，负责X轴旋转自由度；所述肩部连杆83转动连接在腰部连轴82上，负责Y轴旋转自由度；所述肩部连杆83、肘部连杆84和腕部连杆85收尾转轴连接，实现长度区间内的自由弯折；所述腕部连杆85的末端安装有末端摘果组件9；所述抓取悬臂组件8包括底座81、腰部连轴82、肩部连杆83、肘部连杆84和腕部连杆85之间的连接处为直流伺服电机驱动，所述直流伺服电机与控制机柜7中的控制主机信号连接；

本方案中，采用直流伺服电机驱动各个连接轴，实现了由腰、肩、肘以及腕部的四轴仿真式机械臂，这种结构可动空间大，结构稳固，便于控制协调，以适水果果实采摘的需求。

进一步的，所述末端摘果组件9包括固定板91、旋转电缸92、切梗刀片93、连接板94、抓取底板95、抓取夹头97和微动开关99；所述固定板91安装在腕部连杆85的末端；所述旋转电缸92安装在固定板91上端面，所述切梗刀片93水平安装在旋转电缸92上；所述抓取底板95和抓取夹头97通过转轴96转动连接，所述抓取底板95和抓取夹头97还设置有微型电推缸98驱动连接；所述微动开关99设置在两个抓取夹头97之间，固定在连接板94上；所述微型电推缸98、旋转电缸92和微动开关99均与控制机柜7中的控制主机信号连接；

本方案中，抓取底板95和抓取夹头97通过转轴96转动连接，形成钳形夹爪，由微型电推缸98进行钳形的开合控制，微动开关99作为末端摘果组件9的感应开关，当抓取悬臂组件8伸出末端至果实处张开抓取夹头97，当连接板94上的微动开关99触碰果实，控制信号反馈，有控制机柜7控制微型电推缸98推动，闭合抓取夹头97，闭合受到阻力后，停止闭合，由旋转电缸92驱动切梗刀片93，将果实上部梗枝部分切断，实现带梗摘切，而不是暴力拉扯采摘；所述抓取夹头97的材质为硬质橡胶，保证结构强度的同时，尽可能的减少对果实的磕碰，所述连接板94可以根据不同采摘水果苹果进行预设调整，以便采摘不同尺寸和类型的果实；

在本发明的具体实施过程中，可以适用除了浆果类小果径果实的大部分水果，运动方面采用履带式的驱动方式，通过控制机柜7中控制主机，可以通过集成在控制机柜7中的GPS规划采摘路径，运行过程中，通过设置在作业车上的尾部观察摄像头14和一组侧边视野摄像头12，侧边视野摄像头12为左右双目设置，完成为车身周围环境采集，配合果实识别摄像头13，可以完成对作业环境与采摘对象的图像收集，通过控制机柜7中控制主机完成空间坐标建立；控制抓取悬臂组件8进行抓取动作，抓取悬臂组件8负责将末端摘果组件9送至指定位置，由末端摘果组件9上的微动开关99配合控制微型电推缸98和旋转电缸92，实现了果实的抓取固定于果梗切断，进行留梗采摘；切除完毕，在收集阶段，由控制机柜7中设置的升降电缸71对电子秤台10整体的抬升与下降，以保证果实收集过程中，尽量减少磕碰；电子称台10承载收集篮11，可以记录收集采摘数据，当果实收集到一定重量，通过控制主机发送信号提示，提醒工作人员更换收集篮；

采用本发明，无需工作人员自行架梯或弯腰采摘，只需注意更换收集篮11，实现了智能化自动采摘，通过图像采集组件实现自动寻路寻果采摘，配合电子称台10实现采摘数据实时记录，末端摘果组件9也能实现带梗摘果，保证果实的新鲜程度，整体上减少人工劳动强度，提高采摘效率，延长果实保鲜周期。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神所定义的范围。

Claims (7)

1.一种智能水果采摘作业车，其特征在于，包括底架(1)、支撑架板(2)、驱动组件、电源(6)、控制机柜(7)、抓取悬臂组件(8)、末端摘果组件(9)、收集称重组件和图像采集组件；

所述底架(1)上固定安装有电源(6)和控制机柜(7)，所述支撑架板(2)安装在电源(6)和控制机柜(7)之间，所述抓取悬臂组件(8)固定在支撑架板(2)上，所述末端摘果组件(9)固定设置在抓取悬臂组件(8)的末端；

所述驱动组件包括驱动电机(3)、内轮组(4)和履带(5)，所述驱动电机(3)固定在底架(1)上，通过齿轮组传动驱动内轮组(4)，从而带动履带(5)；

所述收集称重组件包括电子称台(10)、收集篮(11)、升降电缸(71)和支撑杆(72)；所述升降电缸(71)安装在控制柜体(7)中，升降电缸(71)的输出端连接支撑杆(72)，用于支撑电子秤台(10)，所述电子称台(10)上固定放置收集篮(11)；

所述控制机柜(7)中包括控制主机，所述驱动电机(3)、电源(6)、抓取悬臂组件(8)、末端摘果组件(9)、升降电缸(71)和电子秤台(10)和图像采集组件均与控制主机信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述图像采集组件包括尾部观察摄像头(14)、侧边视野观察摄像头(12)和果实识别摄像头(13)；所述尾部观察摄像头(14)设置在电源(6)的外壳体上；所述支撑架板(2)上设置侧边支架(21)，所述侧边视野摄像头(12)安装在侧边支架(21)上，所述果实识别摄像头(13)安装在末端摘果组件(9)上。

3.根据权利要求2所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述侧边支架(21)上还设置有辅助补光设备(15)，所述辅助补光设备(15)与控制柜体(7)中的控制主机信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述抓取悬臂组件(8)包括底座(81)、腰部连轴(82)、肩部连杆(83)、肘部连杆(84)和腕部连杆(85)；所述腰部连轴(82)与底座(81)转动连接，负责X轴旋转自由度；所述肩部连杆(83)转动连接在腰部连轴(82)上，负责Y轴旋转自由度；所述肩部连杆(83)、肘部连杆(84)和腕部连杆(85)收尾转轴连接，实现长度区间内的自由弯折；所述腕部连杆(85)的末端安装有末端摘果组件(9)。

5.根据权利要求4所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述抓取悬臂组件(8)包括底座(81)、腰部连轴(82)、肩部连杆(83)、肘部连杆(84)和腕部连杆(85)之间的连接处为直流伺服电机驱动，所述直流伺服电机与控制机柜(7)中的控制主机信号连接。

6.根据权利要求4所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述末端摘果组件(9)包括固定板(91)、旋转电缸(92)、切梗刀片(93)、连接板(94)、抓取底板(95)、抓取夹头(97)和微动开关(99)；所述固定板(91)安装在腕部连杆(85)的末端；所述旋转电缸(92)安装在固定板(91)上端面，所述切梗刀片(93)水平安装在旋转电缸(92)上；所述抓取底板(95)和抓取夹头(97)通过转轴(96)转动连接，所述抓取底板(95)和抓取夹头(97)还设置有微型电推缸(98)驱动连接；所述微动开关(99)设置在两个抓取夹头(97)之间，固定在连接板(94)上。

7.根据权利要求5所述的一种智能水果采摘作业车，其特征在于，所述微型电推缸(98)、旋转电缸(92)和微动开关(99)均与控制机柜(7)中的控制主机信号连接。

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