CN112715161A - 用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统及控制方法，包括导轨、底盘机构以及移动平台；所述底盘机构设有一支撑底板，所述支撑底板通过底部设置的行走轮组件安装在导轨上，所述行走轮组件由驱动机构驱动并带动支撑底板沿导轨方向往复移动，在所述支撑底板上端的两侧对称设有竖直挡板，对应在每一侧的竖直挡板分别设有一载台组件以及用于带动载台组件上下移动的升降组件，所述的移动平台连接在载台组件上并随载台组件同步上下运动；所述的移动平台包括移动平板和用于保证移动平台稳定性的控位装置；该辅助系统可与采摘系统进行配合使用，最大化节约人力，扩大机械臂采摘范围，提高采摘效率。

Description

用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统及控制方法

技术领域

本发明涉及采摘机器人的辅助系统技术领域，具体为一种用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统及控制方法。

背景技术

众所周知，设施农业环境下作物种类繁多，目标果蔬空间分布不均一，而现有的采摘机械臂或机械手作业半径较为固定，部分目标果蔬在空间范围内接触不到，导致人为二次处理，降低果蔬采摘效率。为节约人力，扩大机械臂采摘范围，设计用于设施农业环境辅助采摘系统，提高采摘效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统及控制方法，该辅助系统可与采摘系统进行配合使用，最大化节约人力，扩大机械臂采摘范围，提高采摘效率。

本发明采用的技术方案是：用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，包括导轨、设置导轨上并可沿导轨方向往复滑动的底盘机构以及移动平台；

所述底盘机构设有一支撑底板，所述支撑底板通过底部设置的行走轮组件安装在导轨上，所述行走轮组件由驱动机构驱动并带动支撑底板沿导轨方向往复移动，在所述支撑底板上端的两侧对称设有竖直挡板，对应在每一侧的竖直挡板分别设有一载台组件以及用于带动载台组件上下移动的升降组件，所述的移动平台连接在载台组件上并随载台组件同步上下运动；

所述的载台组件包括支撑平台、固定连接在支撑平台上的步进电机、主动齿轮和从动齿轮，所述步进电机的输出轴连接主动齿轮，所述从动齿轮分布在主动齿轮的两侧并转动连接在支撑平台上；

所述的移动平台包括移动平板和用于保证移动平台稳定性的控位装置，所述的移动平板的下侧设有与载台组件中主动齿轮和从动齿轮相啮合的齿，载台组件中的步进电机转动，通过主动齿轮的转动带动移动平板沿水平方向往复移动；所述控位装置对称设置在移动平板的两侧，包括柱台、控位杆、轴承组件、限位块以及限位片，所述的限位块呈工字型，移动平板的侧面卡设在限位块侧面的凹槽内，所述的限位块通过轴承组件转动设置在控位杆上，所述控位杆的底部通过柱台固定设置在支撑平台上，在控位杆的顶部设有限位片。

进一步优化，所述的行走轮组件包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮分别通过轮轴连接在支撑底板上，所述主动轮与驱动机构的动力输出轴相连接。

进一步优化，所述的驱动机构为直流电机。

进一步优化，所述主动轮分布于支撑底板中部位置的两侧，并与导轨上表面相贴合，所述的从动轮位于主动轮的两侧并分布于支撑底板的四个角处，对应任意一个角处，分别设有两个从动轮并卡设在导轨两侧面的凹槽中构成一个从动轮组。

进一步优化，所述的升降组件包括步进电机、螺杆、轴承组件和支撑圆台，所述支撑圆台通过连接件固定设置在竖直挡板上，所述螺杆的两端分别通过轴承组件转动设置在支撑底板和支撑圆台上，其中一端穿过支撑底板并与步进电机的输出轴相连接，所述的支撑平台通过螺纹孔与螺杆配合安装实现螺杆运动时带动载台组件上下移动。

进一步优化，所述的升降组件中还设有导向杆，所述导向杠一端固定设置在支撑底板上，另一端穿过支撑平台对应的孔后并与竖直挡板顶部的连接耳板固定连接。

进一步优化，还设有用于防止移动平板脱离的限位组件，所述的限位组件为设置在移动平板四个角处的突起。

进一步优化，所述限位块底部上侧与移动平板相接触的板面上设有齿，且与移动平板下部齿相啮合。

进一步优化，还设有一控制系统，所述控制系统用于控制底盘机构和移动平台中的驱动电机动作。

用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、将导轨平行于作物种植区域内的行或垄方向放置，在该辅助系统中移动平台上固定安装包含有采摘机械臂或机械手的采摘系统，并将两者通过传感器连接，以方便采摘系统通过预览果蔬位置，将控制指令传输给辅助系统的控制系统；

S2、当采摘系统视野范围内检测出目标果蔬时，向辅助系统输入停止指令，接着控制系统控制底板机构中的驱动电机停止转动，后控制系统控制步进电机转动，带动螺杆转动，从而实现载台组件带动移动平台上下运动；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围外，则控制系统控制主动齿轮，使移动平台朝着果蔬方向移动，扩大采摘系统的采摘范围；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围内，则主动齿轮不再运动；待底盘机构与移动平台都运行到指定位置后，采摘系统进行采摘；

S3、当采摘系统视野范围内未检测到果蔬时，向辅助系统输入开始指令，接着控制系统控制直流电机，使其转动，实现底盘机构沿导轨方向的运动，从而实现辅助系统对行对垄平行方向运动，底盘机构运动到指定位置，控制系统开始控制载台组件移动至达到采摘系统所给指令的指定高度，控制系统控制移动平台朝靠近果蔬的方向移动，以扩大采摘系统的采摘范围。

本发明的有益效果是：

其一、本方案通过优化设计，将导轨、底盘机构以及移动平台整体构成一体结构的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，该辅助系统可与采摘系统进行配合使用，使用时，将采摘系统固定在该辅助系统中的移动平台上，并将两者通过传感器连接，以方便采摘系统通过预览果蔬位置，将控制指令传输给辅助系统的控制系统，最大化节约人力，扩大机械臂采摘范围，提高采摘效率。

其二、本方案中，为了保证采摘系统移动过程中平稳性，对移动平台进行优化设计，具体结构为：移动平台包括移动平板和控位装置，所述的移动平板的下侧设有与载台组件中主动齿轮和从动齿轮相啮合的齿，载台组件中的步进电机转动，通过主动齿轮的转动带动移动平板沿水平方向往复移动；所述控位装置分别对称设置在移动平板的两侧用于保证移动平台稳定性；同时控位装置包括柱台、控位杆、轴承组件、限位块以及限位片，所述的限位块呈工字型，移动平板的侧面卡设在限位块侧面的凹槽内，所述的限位块通过轴承组件转动设置在控位杆上，所述控位杆的底部通过柱台固定设置在支撑平台上，在控位杆的顶部设有限位片，保证移动平台在水平移动时，两侧的限位块沿控位杆轴线平稳转动，进一步提高移动平台的稳定性。

其三、对底部的底盘机构进行优化设计，具体为：将底盘机构中的行走轮组件设置为主动轮和从动轮组形式，其中，所述主动轮分布于支撑底板中部位置的两侧，并与导轨上表面相贴合，所述的从动轮位于主动轮的两侧并分布于支撑底板的四个角处，对应任意一个角处，分别设有两个从动轮并卡设在导轨两侧面的凹槽中构成一个从动轮组，在移动时，两侧主动轮用于驱动，四个角处的从动轮组用于限位并嵌入工字型导轨的两侧凹槽中，可大大提高该辅助系统的稳定性，防止辅助系统倾斜或脱落导轨。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中省去移动平台的结构示意图；

图3为移动平台各组件的爆炸图；

图4为本发明中载台组件的结构示意图；

图5为本发明的控制原理图。

附图标记：1、导轨，2、底盘机构，21、直流电机，22、主动轮，23、从动轮，24、控制系统，25、步进电机，251、螺杆，252、轴承，253、导向杆，254、支撑圆台，26、载台组件，261、支撑平台，262、主动齿轮，263、从动齿轮，3、移动平台，31、控位装置，311、柱台，312、控位杆，313、轴承，314、限位块，315、限位片，32、移动平板，321、凸起。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的 “一个 ”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他元件或者物件。

用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，包括导轨1、设置导轨1上并可沿导轨方向往复滑动的底盘机构2以及移动平台3；

所述底盘机构2设有一支撑底板，所述支撑底板通过底部设置的行走轮组件安装在导轨1上，所述行走轮组件由驱动机构驱动并带动支撑底板沿导轨方向往复移动，在所述支撑底板上端的两侧对称设有竖直挡板，对应在每一侧的竖直挡板分别设有一载台组件26以及用于带动载台组件上下移动的升降组件，所述的移动平台3连接在载台组件26上并随载台组件同步上下运动；

所述的载台组件26包括支撑平台261、固定连接在支撑平台上的步进电机、主动齿轮262和从动齿轮263，所述步进电机的输出轴连接主动齿轮262，所述从动齿轮263分布在主动齿轮262的两侧并转动连接在支撑平台261上；

所述的移动平台3包括移动平板32和用于保证移动平台稳定性的控位装置31，所述的移动平板32的下侧设有与载台组件26中主动齿轮262和从动齿轮263相啮合的齿，载台组件26中的步进电机转动，通过主动齿轮262的转动带动移动平板32沿水平方向往复移动；所述控位装置31对称设置在移动平板32的两侧，包括柱台311、控位杆312、轴承组件、限位块314以及限位片315，所述的限位块314呈工字型，移动平板32的侧面卡设在限位块314侧面的凹槽内，所述的限位块314通过轴承组件转动设置在控位杆312上，所述控位杆312的底部通过柱台311固定设置在支撑平台261上，在控位杆312的顶部设有限位片315。

本方案中，所述的行走轮组件包括主动轮22和从动轮23，主动轮22和从动轮23分别通过轮轴连接在支撑底板上，所述主动轮与驱动机构的动力输出轴相连接；所述的驱动机构为直流电机21。

本方案中，所述主动轮22分布于支撑底板中部位置的两侧，并与导轨1上表面相贴合，所述的从动轮23位于主动轮22的两侧并分布于支撑底板的四个角处，对应任意一个角处，分别设有两个从动轮23并卡设在导轨两侧面的凹槽中构成一个从动轮组。

本方案中，所述的升降组件包括步进电机25、螺杆251、轴承组件和支撑圆台254，所述支撑圆台254通过连接件固定设置在竖直挡板上，所述螺杆251的两端分别通过轴承组件转动设置在支撑底板和支撑圆台254上，其中一端穿过支撑底板并与步进电机25的输出轴相连接，所述的支撑平台261通过螺纹孔与螺杆261配合安装实现螺杆251运动时带动载台组件26上下移动。

本方案中，所述的升降组件中还设有导向杆253，所述导向杠253一端固定设置在支撑底板上，另一端穿过支撑平台261对应的孔后并与竖直挡板顶部的连接耳板固定连接。

本方案中，还设有用于防止移动平板32脱离的限位组件，所述的限位组件为设置在移动平板32四个角处的突起321。

本方案中，所述限位块314底部上侧与移动平板32相接触的板面上设有齿，且与移动平板下部齿相啮合。

本方案中，还设有一控制系统24，所述控制系统用于控制底盘机构2和移动平台3中的驱动电机动作。

用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、将导轨平行于作物种植区域内的行或垄方向放置，在该辅助系统中移动平台上固定安装包含有采摘机械臂或机械手的采摘系统，并将两者通过传感器连接，以方便采摘系统通过预览果蔬位置，将控制指令传输给辅助系统的控制系统；

S2、当采摘系统视野范围内检测出目标果蔬时，向辅助系统输入停止指令，接着控制系统控制底板机构中的驱动电机停止转动，后控制系统控制步进电机转动，带动螺杆转动，从而实现载台组件带动移动平台上下运动；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围外，则控制系统控制主动齿轮，使移动平台朝着果蔬方向移动，扩大采摘系统的采摘范围；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围内，则主动齿轮不再运动；待底盘机构与移动平台都运行到指定位置后，采摘系统进行采摘；

S3、当采摘系统视野范围内未检测到果蔬时，向辅助系统输入开始指令，接着控制系统控制直流电机，使其转动，实现底盘机构沿导轨方向的运动，从而实现辅助系统对行对垄平行方向运动，底盘机构运动到指定位置，控制系统开始控制载台组件移动至达到采摘系统所给指令的指定高度，控制系统控制移动平台朝靠近果蔬的方向移动，以扩大采摘系统的采摘范围。

为了更清晰的描述出该辅助系统中各组件的连接关系及位置关系，结合附图1-4详细说明：

实施例1、

所述用于设施农业环境采摘的辅助系统，如图1所示，包括导轨1、底盘机构2与移动平台3。

所述导轨1横截面呈工字型，凹槽为水平方向，且固接于地面，两导轨相互平行。

所述底盘机构，包括支撑底板和设置支撑底板两侧的竖直挡板构成的 U型框架，底盘机构2是实现该系统平行于作物方向运动的载体，是该系统正常运行在导轨1上的关键结构，如图2所示。底盘机构2还包括：直流电机21、主动轮22、从动轮23、控制系统24、步进电机25、载台组件26。步进电机25上方包括螺杆251、轴承252、导向杆253、支撑圆台254；其中载台组件26包括：支撑平台261、主动齿轮262、从动齿轮263；载台组件26内部设有步进电机（图中未画出）且输出轴与主动齿轮262固定连接。所述底盘机构2底部中间为直流电机21；主动轮分布于底盘机构2中支撑底板中间两侧，呈工字型分布且与导轨上表面相贴合；支撑底板下方四角分布从动轮23，其两两一对，嵌入工字型导轨1的两侧凹槽中，在于提高系统稳定性，防止系统倾斜或脱落导轨1。直流电机21输出轴通过轴间关系与主动轮22相连，通过直流电机21的运行，使两个主动轮22在导轨1上运动，进而带动从动轮运动，进而同时带动底盘机构2与移动平台3运动。所述支撑底板前后两侧分别设有步进电机25，步进电机25输出轴与螺杆251下端固接；螺杆251穿过底盘，且与底盘穿插处设有轴承252；轴承252嵌于底盘2底板中且内侧与螺杆251固接；紧接着螺杆251穿过载台组件26中的支撑平台261，穿插处设有螺纹且与螺杆251吻合，保证当螺杆251运动时，带动载台组件26上下运动，移动平台3连接在载台组件26上并随载台组件26同步上下运动；螺杆251上端嵌于轴承内部固接，且此轴承嵌于上部支撑圆台254内部，保证螺杆251滑动转动。所述导向杆253上下两端固接于支撑底板，穿过支撑平台261且滑动连接，保证移动平台3的稳定运动。步进电机25转动带动螺杆251转动，从而实现移动平台3的上下运动。

所述移动平台3是是搭载采摘机械臂或机械手的平台，是可以辅助采摘机械臂或机械手向目标作物方向移动的装置，其结构如图3所示。移动平台3两侧分别有控位装置31、移动平板32；所述控位装置31结构如图3爆炸图所示。控位装置31包括：柱台311、控位杆312、轴承313、限位块314 、限位片315。所述限位块314呈工字型，限位块314底部上侧设有齿且与移动平板32下部齿啮合，限位块314中心内部上下嵌有多个轴承313；柱台311固定于支撑平台261上方，控位杆312下端固定于柱台311中心部位，上端设有限位片315；控位杆312穿过所述限位块314的多个轴承中间并与之固接，保证限位块314与控位杆312滑动连接且不脱落，提高移动平台3的稳定性，减少移动平板32的运动阻力。移动平板32四角设有突起321，防止移动平板32因运动过度脱离装置，起安全限位作用；主动齿轮与从动齿轮与载台32的齿相啮合。位于载台组件26内部的步进电机转动，带动主动齿轮262的转动，通过主动齿轮262的齿与移动平板32下侧的齿相啮合，从而带动移动平板32的运动；从动齿轮263随移动平板32的移动而转动，保证移动平板32的稳定性。

如图5所示，该系统的移动平台3上放置采摘机械臂或机械手（以下称为“采摘系统”），采摘系统将信息或指令传输给用于设施农业环境采摘的辅助系统（以下简称“辅助系统”）的控制系统24，从而控制辅助系统工作。

首先将导轨1平行于行或垄方向放置，在该系统移动平台上放置采摘系统，两者通过传感器连接。采摘系统通过预览果蔬位置，将指令传输给辅助系统的控制系统24。当采摘系统视野范围内检测出目标果蔬时，向辅助系统输入停止指令，接着控制系统24控制直流电机21，使其停止转动，从而使底盘机构2停止运动；控制系统24控制步进电机25转动，带动螺杆251转动，从而实现移动平板32上下运动，对于较高或较低的果蔬都有适用性；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围外，则控制系统24控制主动齿轮262，使移动平板32朝着果蔬方向移动，扩大采摘系统的采摘范围；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围内，则主动齿轮262不再运动；待底盘2与移动平台3都运行到指定位置后，采摘系统进行采摘。当采摘系统视野范围内未检测到果蔬时，向辅助系统输入开始指令，接着控制系统24控制直流电机21，使其转动，实现底盘机构2沿导轨1方向的运动，从而实现辅助系统对行对垄平行方向运动。底盘2运动到指定位置，控制系统24开始控制步进电机25转动，通过带动上方螺杆251的转动使移动平板32达到采摘系统所给指令的指定高度，控制系统24控制主动齿轮262转动，使移动平板32朝靠近果蔬的方向移动。从而扩大采摘系统的采摘范围。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：包括导轨、设置导轨上并可沿导轨方向往复滑动的底盘机构以及移动平台；

所述底盘机构设有一支撑底板，所述支撑底板通过底部设置的行走轮组件安装在导轨上，所述行走轮组件由驱动机构驱动并带动支撑底板沿导轨方向往复移动，在所述支撑底板上端的两侧对称设有竖直挡板，对应在每一侧的竖直挡板分别设有一载台组件以及用于带动载台组件上下移动的升降组件，所述的移动平台连接在载台组件上并随载台组件同步上下运动；

所述的载台组件包括支撑平台、固定连接在支撑平台上的步进电机、主动齿轮和从动齿轮，所述步进电机的输出轴连接主动齿轮，所述从动齿轮分布在主动齿轮的两侧并转动连接在支撑平台上；

所述的移动平台包括移动平板和用于保证移动平台稳定性的控位装置，所述的移动平板的下侧设有与载台组件中主动齿轮和从动齿轮相啮合的齿，载台组件中的步进电机转动，通过主动齿轮的转动带动移动平板沿水平方向往复移动；所述控位装置对称设置在移动平板的两侧，包括柱台、控位杆、轴承组件、限位块以及限位片，所述的限位块呈工字型，移动平板的侧面卡设在限位块侧面的凹槽内，所述的限位块通过轴承组件转动设置在控位杆上，所述控位杆的底部通过柱台固定设置在支撑平台上，在控位杆的顶部设有限位片。

2.根据权利要求1所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述的行走轮组件包括主动轮和从动轮，主动轮和从动轮分别通过轮轴连接在支撑底板上，所述主动轮与驱动机构的动力输出轴相连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述的驱动机构为直流电机。

4.根据权利要求2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述主动轮分布于支撑底板中部位置的两侧，并与导轨上表面相贴合，所述的从动轮位于主动轮的两侧并分布于支撑底板的四个角处，对应任意一个角处，分别设有两个从动轮并卡设在导轨两侧面的凹槽中构成一个从动轮组。

5.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述的升降组件包括步进电机、螺杆、轴承组件和支撑圆台，所述支撑圆台通过连接件固定设置在竖直挡板上，所述螺杆的两端分别通过轴承组件转动设置在支撑底板和支撑圆台上，其中一端穿过支撑底板并与步进电机的输出轴相连接，所述的支撑平台通过螺纹孔与螺杆配合安装实现螺杆运动时带动载台组件上下移动。

6.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述的升降组件中还设有导向杆，所述导向杠一端固定设置在支撑底板上，另一端穿过支撑平台对应的孔后并与竖直挡板顶部的连接耳板固定连接。

7.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：还设有用于防止移动平板脱离的限位组件，所述的限位组件为设置在移动平板四个角处的突起。

8.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：所述限位块底部上侧与移动平板相接触的板面上设有齿，且与移动平板下部齿相啮合。

9.根据权利要求1或2所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统，其特征在于：还设有一控制系统，所述控制系统用于控制底盘机构和移动平台中的驱动电机动作。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的用于设施农业环境下作物采摘的辅助系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将导轨平行于作物种植区域内的行或垄方向放置，在该辅助系统中移动平台上固定安装包含有采摘机械臂或机械手的采摘系统，并将两者通过传感器连接，以方便采摘系统通过预览果蔬位置，将控制指令传输给辅助系统的控制系统；

S2、当采摘系统视野范围内检测出目标果蔬时，向辅助系统输入停止指令，接着控制系统控制底板机构中的驱动电机停止转动，后控制系统控制步进电机转动，带动螺杆转动，从而实现载台组件带动移动平台上下运动；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围外，则控制系统控制主动齿轮，使移动平台朝着果蔬方向移动，扩大采摘系统的采摘范围；若目标果蔬在机械臂或机械手的采摘范围内，则主动齿轮不再运动；待底盘机构与移动平台都运行到指定位置后，采摘系统进行采摘；

S3、当采摘系统视野范围内未检测到果蔬时，向辅助系统输入开始指令，接着控制系统控制直流电机，使其转动，实现底盘机构沿导轨方向的运动，从而实现辅助系统对行对垄平行方向运动，底盘机构运动到指定位置，控制系统开始控制载台组件移动至达到采摘系统所给指令的指定高度，控制系统控制移动平台朝靠近果蔬的方向移动，以扩大采摘系统的采摘范围。

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