CN112425373A - 一种猕猴桃采摘分拣机器人及其分拣猕猴桃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种猕猴桃采摘分拣机器人，包括机械臂，红外摄像头，位移传感器，控制箱，机器人底盘，机器人操控台及猕猴桃收集箱，所述机器人底盘前端上设置有至少一组机械臂，所述机械臂前端设置有猕猴桃夹持机构，所述机器人底盘上设置有猕猴桃收集箱，所述猕猴桃收集箱尾部设置有机器人操控台；所述机器人操控台上设置有红外摄像头，其内置有控制箱还公开了一种猕猴桃采摘分拣机器人分拣猕猴桃的方法，使用体积估算法度猕猴桃进行分级，达到猕猴桃的分拣目的。

Description

一种猕猴桃采摘分拣机器人及其分拣猕猴桃的方法
技术领域
本发明涉及农业机器人领域，特别针对农业水果采摘机器人领域。
背景技术
在果园生产全过程中，果园收获作业是最重要的环节，具有季节性强和劳动密集的特点。中国是世界上猕猴桃种植面积最大的国家，但目前靠人工采摘、分拣，是猕猴桃种植中最费时费力的环节之一。现有猕猴桃采摘技术，仅为将猕猴桃从树上采摘，在采摘完成后还需要人为或使用机器进行分级处理，这样多级工序增加了猕猴桃的受损几率；并且因为农田因为地势不够平整，为保证机器人的稳定性和采摘效率加大了机器人底盘，使猕猴桃采摘机器人的使用范围受到场地限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种猕猴桃采摘分拣机器人及其分拣猕猴桃的方法，通过计算猕猴桃体积，达到猕猴桃的分拣目的。
本发明提供如下技术方案：一种猕猴桃采摘分拣机器人，包括机械臂，红外摄像头，位移传感器，控制箱，机器人底盘，机器人操控台及猕猴桃收集箱，所述机器人底盘前端上设置有至少一组机械臂，所述机械臂前端设置有猕猴桃夹持机构，所述猕猴桃夹持机构包括机械手，包含4个机械手指；所述机器人底盘上设置有猕猴桃收集箱，所述猕猴桃收集箱尾部设置有机器人操控台；所述机器人操控台上设置有红外摄像头，其内置有控制箱。
本发明还提供一种猕猴桃采摘分拣机器人分拣猕猴桃的方法，使用体积估算法度猕猴桃进行分级，包括以下步骤：当机器人识别出猕猴桃时，猕猴桃夹持机构将猕猴桃进行夹持，当位移传感器发生位移时，猕猴桃夹持机构收紧，猕猴桃被抓牢，由位移传感器和发生反向位移的位移传感器可估算出猕猴桃高度h,设猕猴桃夹持机构的4指上的传感器最终采集数据分别为
Figure 106027DEST_PATH_IMAGE001
，每个传感器末端到液压柱的初始距离分为
Figure 94712DEST_PATH_IMAGE002
,移传感器与液压杆中心轴的角度分别为
Figure 643505DEST_PATH_IMAGE003
，位移传感器末端到猕猴桃中轴的距离分别为
Figure 465967DEST_PATH_IMAGE004
， 从位移传感器顶端到猕猴桃夹持机构最顶端位移传感器的初始长度的中心轴距为
Figure 733000DEST_PATH_IMAGE005
，每根机械指上的相邻两个传感器末端在液压柱上的初始投影距离为
Figure 494019DEST_PATH_IMAGE006
，猕猴桃夹持机构抓取猕猴桃后每指相邻的两个位移传感器末端在液压轴的中心轴上的投影距离为
Figure 897319DEST_PATH_IMAGE006
，分别以机械手4指与液压柱中心轴建立基准面将猕猴桃分给四份，再以位移传感器a、b、c、d末端建立平行于XY平面的基准面将猕猴桃分割为i-1份，此时便将猕猴桃分割为4*
Figure 749737DEST_PATH_IMAGE007
个1/4体积的椭圆锥台或椭圆柱体；
以位移传感器受到挤压力是发生的位移为正向，则设每根机械指上的传感器的采集到第一个正值时，i=0；
那么视相邻的两指传感器的平均高度为为每个椭圆台的高度，那么猕猴桃每个椭圆锥体高度分别为
Figure 238487DEST_PATH_IMAGE008
猕猴桃在各机械指方向上的半径为：
Figure 975499DEST_PATH_IMAGE009
根据椭圆台体积公式：
Figure 843092DEST_PATH_IMAGE010
；（a为椭圆长轴，b为椭圆短轴）；
可推导得本方法各组椭圆台公式为：
Figure 272936DEST_PATH_IMAGE011
故猕猴桃体积为：
Figure 45720DEST_PATH_IMAGE012
。
上述方法中：当识别到猕猴桃时，控制箱控制机械臂进行采摘，猕猴挑与果梗脱离后，控制箱结合机械手收紧位置计算猕猴桃体积数据并根据猕猴桃分级信息确定猕猴桃品级；控制箱根据红外摄像头确定猕猴桃存放位置，并控制机械臂收集猕猴桃。
本发明了提供了一种猕猴桃采摘机器人，在机械手上集成了电容式距离传感器，通过计算猕猴桃体积，达到猕猴桃的分拣目的。
附图说明
图1和图2是本发明整体结构框架示意图；
图3是本发明仰视结构示意图；
图4是本发明末端执行机构示意图；
图5是本发明末端执行机构橡胶条结构图
图6是本发明机器人底盘部分结构示意图；
图7是本发明数据接口结构示意图；
图8是本发明机器人操作台结构示意图；
图9是本发明电容式距离传感器结构示意图；
图10是本发明电容式距离传感器剖面图；
图11是本发明使用体积估算法度猕猴桃进行分级模型图。
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进行清楚、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
如图1-11所示，一种猕猴桃采摘分拣机器人，其中包括：1、机械臂，2、红外摄像头，3、控制箱，4、机器人底盘，5、机器人操控台，6、猕猴桃收集箱。
如下图1，部件101为机械臂转向电机，可做垂直方向上330°旋转。
如下图1，部件102、103为机械臂转向电机，可做垂直方向上300°旋转。
如下图1，部件104为机械臂转向电机，可做水平方向上360°旋转。
如下图1所示，部件110为摄像机，前方双目摄像头用以定位猕猴桃位置，为机器人构建实时地图提供信息；后方单目摄像头主要用以检测收集箱中猕猴桃容量，并采集收集箱颜色标志，确定猕猴桃置放位置。
如下图2，部件111为激光雷达。
如下图3，部件201为机器人控制箱，内置单片机、电机驱动模块、GPS定位模块、SLAM控制模块、WIFI无线通讯模块、射频模块、电池模块、IMU惯性测量单元、电机驱动模块，A/D转换模块。
如下图1，部件202为轮胎。
如下图1，部件203为机器人临时操控台；具体外部结构如下图图4所示，部件304为触摸屏；部件305为机器人启动开关；部件306为机器人急停按钮。
如下图1，部件204为猕猴桃收集箱,部件208、209、210、211为色卡黏贴处，用以区分四个收集箱，并标记收集箱最大容量。
如下图1，部件205为机器人移动驱动电机，部件206为伸缩管，部件207为液压杆。
如下图3，为机器人末端执行机构，部件105、111为电容式距离传感器；部件106是猕猴桃夹持机构；部件107为液压杆，液压杆内部置有电机，可控制机械爪做360°旋转。部件105与部件109为螺纹连接，部件106使用橡胶材料，部件106与部件105使用快插式连接，图4为部件106结构图，部件001为合金弹簧片，部件002为橡胶条，部件001与部件002使用高强度胶水粘结。
如下图6所示，为机器人外部接口，部件301为USB数据接口、部件302为RS485串口接口，部件303为机器人电池充电接口。
如下图图9所示，部件401为传感器触头，部件402为弹簧，部件403为传感器阳极板，部件404为传感器壳体，部件405为传感器阴极板，部件406为触头导轨。
工作人员首先通过摇杆手柄或通过手机APP控制机器人到达作业区域，操纵机器人运行至作业范围边沿夹角位置，使用手机APP或配置有机器人配置软件的电脑，连接机器人WIFI，进入机器人系统配置，在卫星地图上划定机器人作业范围，并标定机器人作业范围的具体距离，标定当下地点为初始点，并设置作业终点，调试机器人分级参数（操作人员选定12枚分级标准猕猴桃，选择校正猕猴桃参数，依次置放猕猴桃至机械手，控制机械手抓住猕猴桃，并标定猕猴桃质量，重复12次，每枚猕猴桃一次，在校正猕猴桃参数时，机器人计算出猕猴桃体积，根据操作人员所标定的猕猴桃质量计算猕猴桃密度，并依次将数据存储；12组猕猴桃数据计算完成后，机器人去掉密度最大的一组数据和最小的一组数据并计算出其余10组数据的平均值，将平均值作为最终数据输出）。工作人员设定猕猴桃分级标准质量（机器人通过分级标准质量计算猕猴桃分级标准体积，作为机器人分级比较特征量），预设收集箱收集猕猴桃的级别，再操作机器人开始自动作业。
在运行过程中，slam控制器采集激光雷达采集的信息建立实时地图，与依据GPS的定位信息及IMU惯性测量单元信息所计算的位置信息进行比对修正根据操作人员所输入的地图边界数据不断计算并修正作业边界和运行作业路径规划。
单片机通过图像采集模块采集摄像头采集的图像信息；机器人红外识别以猕猴桃果萼为识别特征点，当识别到猕猴桃时，机器人控制机械臂进行采摘，在采摘时机械手上的电动推杆（部件107）控制机械手张开，将猕猴桃插入机械手，此时电动推杆控制机械手收紧到固定位置，电动推杆内部转向电机控制机械手旋转180°后，机械臂上电机（部件101）向下或向上转动60°使猕猴挑与果梗脱离；随后机器人中央处理模块采集电容式测距传感器（部件105）所测得数据结合机械手收紧位置计算猕猴桃体积数据并根据猕猴桃分级信息确定猕猴桃品级；单片机根据摄像机后方单目摄像头的后侧摄像头确定猕猴桃存放位置，检测猕猴桃是否已到达收集箱所标记的边界位置，并控制机械臂收集猕猴桃。
本发明FDC2114模块，在测量电路中将电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分。当电容器触头发生位移变化是时，位移变化引起传感器电容量变化，此时震荡器的振荡频率就会发生变化，然后通过鉴定器把频率变化
Figure 586423DEST_PATH_IMAGE014
变化转换为幅值变化
Figure 698735DEST_PATH_IMAGE016
输出，再经由A/D转化电路传给单片机。
单片机采集IMU惯性测量单元所采集计算的机器人姿态信息，当机器人运行到田垄上或其他不平整位置时，单片机依据IMU所得机器人姿态数据，利用PID 算法控制底盘液压杆（部件206）调节机器人各轮胎高度，使机器人底盘随时处于水平位置。
当机器人识别出猕猴桃时，机械手将猕猴桃套入其中，当位移传感器111发生位移时，液压杆收缩到预置位置，此时机械手收紧，猕猴桃受到面向液压杆的作用力而被向内移动，并被抓牢，靠近液压杆位置受到挤压力的位移传感器发生位移，未受到挤压里的位移传感器受到部件106上弹簧片因形变产生的拉力形成反向拉力而发生反向位移，由位移传感器和发生反向位移的位移传感器可估算出猕猴桃高度h,设猕猴桃夹持机构的4指上的传感器最终采集数据分别为
Figure 33902DEST_PATH_IMAGE001
，每个传感器末端到液压柱的初始距离分为
Figure 372610DEST_PATH_IMAGE002
,移传感器与液压杆中心轴的角度分别为
Figure 451425DEST_PATH_IMAGE003
，位移传感器末端到猕猴桃中轴的距离分别为
Figure 418244DEST_PATH_IMAGE004
， 从位移传感器顶端到猕猴桃夹持机构最顶端位移传感器的初始长度的中心轴距为
Figure 721049DEST_PATH_IMAGE005
，每根机械指上的相邻两个传感器末端在液压柱上的初始投影距离为
Figure 937267DEST_PATH_IMAGE006
，猕猴桃夹持机构抓取猕猴桃后每指相邻的两个位移传感器末端在液压轴的中心轴上的投影距离为
Figure 429559DEST_PATH_IMAGE006
，分别以机械手4指与液压柱中心轴建立基准面将猕猴桃分给四份，再以位移传感器a、b、c、d末端建立平行于XY平面的基准面将猕猴桃分割为i-1份，此时便将猕猴桃分割为4*
Figure 782043DEST_PATH_IMAGE007
个1/4体积的椭圆锥台或椭圆柱体；
以位移传感器受到挤压力是发生的位移为正向，则设每根机械指上的传感器的采集到第一个正值时，i=0；
那么视相邻的两指传感器的平均高度为为每个椭圆台的高度，那么猕猴桃每个椭圆锥体高度分别为
Figure 193433DEST_PATH_IMAGE008
猕猴桃在各机械指方向上的半径为：
Figure 631368DEST_PATH_IMAGE009
根据椭圆台体积公式：
Figure 848722DEST_PATH_IMAGE010
；（a为椭圆长轴，b为椭圆短轴）；
可推导得本方法各组椭圆台公式为：
Figure 321292DEST_PATH_IMAGE011
故猕猴桃体积为：
Figure 510440DEST_PATH_IMAGE012
。

Claims (3)

1.一种猕猴桃采摘分拣机器人，包括机械臂，红外摄像头，位移传感器，控制箱，机器人底盘，机器人操控台及猕猴桃收集箱，其特征在于，所述机器人底盘前端上设置有至少一组机械臂，所述机械臂前端设置有猕猴桃夹持机构，所述猕猴桃夹持机构包括机械手，包含4个机械手指；所述机器人底盘上设置有猕猴桃收集箱，所述猕猴桃收集箱尾部设置有机器人操控台；所述机器人操控台上设置有红外摄像头，其内置有控制箱。
2.根据权利要求1所述的一种猕猴桃采摘分拣机器人分拣猕猴桃的方法，包括以下步骤：当机器人识别出猕猴桃时，猕猴桃夹持机构将猕猴桃进行夹持，当位移传感器发生位移时，猕猴桃夹持机构收紧，猕猴桃被抓牢，由位移传感器和发生反向位移的位移传感器可估算出猕猴桃高度h,设猕猴桃夹持机构的4指上的传感器最终采集数据分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，每个传感器末端到液压柱的初始距离分为
Figure 152286DEST_PATH_IMAGE002
,移传感器与液压杆中心轴的角度分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，位移传感器末端到猕猴桃中轴的距离分别为
Figure 686036DEST_PATH_IMAGE004
， 从位移传感器顶端到猕猴桃夹持机构最顶端位移传感器的初始长度的中心轴距为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，每根机械指上的相邻两个传感器末端在液压柱上的初始投影距离为
Figure 290979DEST_PATH_IMAGE006
，猕猴桃夹持机构抓取猕猴桃后每指相邻的两个位移传感器末端在液压轴的中心轴上的投影距离为
Figure 720824DEST_PATH_IMAGE006
，分别以机械手4指与液压柱中心轴建立基准面将猕猴桃分给四份，再以位移传感器a、b、c、d末端建立平行于XY平面的基准面将猕猴桃分割为i-1份，此时便将猕猴桃分割为4*
Figure DEST_PATH_IMAGE007
个1/4体积的椭圆锥台或椭圆柱体；
以位移传感器受到挤压力是发生的位移为正向，则设每根机械指上的传感器的采集到第一个正值时，i=0；
那么视相邻的两指传感器的平均高度为为每个椭圆台的高度，那么猕猴桃每个椭圆锥体高度分别为
Figure 228028DEST_PATH_IMAGE008
猕猴桃在各机械指方向上的半径为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
根据椭圆台体积公式：
Figure 112939DEST_PATH_IMAGE010
；（a为椭圆长轴，b为椭圆短轴）；
可推导得本方法各组椭圆台公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
故猕猴桃体积为：
Figure 287568DEST_PATH_IMAGE012
。
3.根据权利要求2所述的一种猕猴桃采摘分拣机器人分拣猕猴桃的方法，其特征在于：当识别到猕猴桃时，控制箱控制机械臂进行采摘，猕猴挑与果梗脱离后，控制箱结合机械手收紧位置计算猕猴桃体积数据并根据猕猴桃分级信息确定猕猴桃品级；控制箱根据红外摄像头确定猕猴桃存放位置，并控制机械臂收集猕猴桃。
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