CN112772145A - 一种农业果树采摘分拣智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农业果树采摘分拣智能机器人，该智能机器人包括：负压采摘机构、视觉定位单元、行进小车、图像处理与控制单元以及分拣机构，利用机械臂和视觉定位系统实现了高效精准的果物采摘，巧妙的设计了一种果物识别准确且分类收集的分拣机构，具有采摘分拣、负压吸附采摘精准高效、同步分拣收集、智能化程度高且适用范围广等诸多优点。

Description

一种农业果树采摘分拣智能机器人

技术领域

本发明涉及一种农业果树采摘领域，特别涉及一种农业果树采摘分拣智能机器人。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对水果的需求量越来越大，同时国家大力推进农业现代化，包括机械化、自动化以及智能化，然而果树采摘分拣的工作量大、劳动强度也不低，传统的人力采摘分拣费时间、效率低下且劳动强度高。

果实机械采收方法是目前多用振动采收机或振摇式采果机采摘果实。基本工作过程是：用气力、曲柄连杆振动器或惯性式振动器，或用其他方法作为振动源产生振动，然后通过传动振杆件和夹爪把振动传给树体，使果树发生振动摇摆并使果实产生惯性力。当惯性力大于果实的脱落阻力时，果实便被振落，振落后的果实落在树冠下的集果器上，再收集分拣装箱。

当前果物收获在果树生产中的用工量约占果物田间作业量的一半，因此果物收获机械是目前果园机械中引人注目的领域。机械收获最大的问题是果实的损伤，据日本试验，当频率为880次/分，振幅为60毫米，振动时间2秒时，红玉苹果的振落率为95％，伤果率为63％；国光苹果振落率为96％，伤果率为48％。

然而目前我国在果树生产中尚未使用大规模使用机械采收，多数还是人工采摘、人工或机械分拣，急需一种采摘分拣一体、采摘精准高效、同步分拣收集、自动化智能化程度高且适用范围广的果物采摘和分拣分选系统装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种农业果树采摘分拣智能机器人，该采摘分拣智能机器人包括：负压采摘机构、视觉定位单元、行进小车、位于所述行进小车上的图像处理与控制单元以及位于所述行进小车内的分拣机构。

所述负压采摘机构包括两段式的机械臂、位于所述机械臂关节处的多个转动机构及其对应设置的角度传感器、所述机械臂的底座、位于机械臂上端部的吸管口、贯穿所述机械臂内部至所述底座的可伸缩柔性吸管、上端部穿过所述底座与所述柔性吸管相连通的矩形落料管道以及与所述落料管道相连通的真空发生器；所述转动机构包括设置在所述底座正上方的水平转动机构和位于所述机械臂关节处的垂直转动机构，所述落料管道包括方形管路、常闭可向下打开的单向闸门以及设置在所述单项闸门上的开关传感器。

所述视觉定位单元包括垂直设置在所述水平转动机构上方的伸缩杆和位于所述伸缩杆顶端摄像模块，所述摄像模块中水平间隔布置有两个广角摄像机；所述行进小车包括车身本体、位于所述车身本体内的水箱、与所述水箱相连通且位于所述落料管道正下方的清洗喷头和位于所述分拣机构下方的多个分类收集箱。

优选地，所述分拣机构包括：驱动机构、所述驱动机构驱动且循环转动的多个载物机构、识别单元、带动所述载物机构自身旋转的旋转装置、位于所述清洗喷头正下方的入料漏斗以及卸料机构。

优选地，所述驱动机构包括位于两端的主动齿轮和从动齿轮以及与所述主动齿轮和所述从动齿轮相匹配连接的柔性齿环。

优选地，所述载物机构包括位于所述驱动机构外侧的环形支架、接果容器、一端与所述柔性齿环垂直连接且另一端与所述接果容器活动旋转连接的连接杆、位于所述接果容器底部的重力传感器、位于所述接果容器上端部的接果口，此外所述环形支架上部与所述柔性齿环平行处开设有环形开口且所述连接杆穿过所述环形开口。

优选地，所述识别单元包括识别框架、位于所述识别框架外侧的光学识别设备以及位于所述识别框架内侧且正对所述光学识别设备的反射镜。

优选地，所述旋转装置包括位于所述接果容器上部外侧的圆形齿轮以及位于所述识别框架内且水平布置在所述环形支架上的直线齿条。

优选地，所述卸料机构包括固定在所述环形支架上且位于所述环形开口下方的推杆单元、固定在所述接果容器外侧下方的弧形翘杆以及位于所述分类收集箱正上方的卸料溜槽。

优选地，所述外角度传感器分为位于所述底座旋转处的第一角度传感器和位于所述机械臂关节处的第二传感器和第三传感器。

优选地，所述柔性吸管包括柔性管本体、环绕所述柔性管本体四周的多个加强筋以及位于相邻加强筋之间的缓冲气包。

优选地，所述吸管口还包括设置有一端与管口边沿活动连接且呈向内辐射状的多个隔离条和串联所述隔离条另一端的圆形的弹性绳。

优选地，所述光学识别设备为激光雷达。

优选地，所述连接杆与所述环形开口之间还设置有滚轮。

优选地，所述接料容器外壳优选为栅格通透网状结构。

优选地，所述直线齿条的长度大于等于所述圆形齿轮的外径。

优选地，所述接果容器、方形管路和单向闸门的内壁均设置有防碰撞缓冲材料。

综上所述，本发明智能机器人具有采摘分拣一体、采摘精准高效、同步分拣收集、自动化智能化程度高且适用范围广等诸多优点。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明智能机器人的整体结构示意图；

图2示意性示出本发明智能机器人的分拣机构结构示意图；

图3示意性示出本发明智能机器人的环形支架结构示意图；

图4示意性示出本发明智能机器人的接果容器结构示意图；

图5示意性示出本发明智能机器人分拣机构的卸料过程示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1示意性示出了本发明一种农业果树采摘分拣智能机器人，该智能机器人包括：负压采摘机构1、视觉定位单元2、行进小车3、位于所述行进小车3上的图像处理与控制单元10以及位于所述行进小车3内的分拣机构100，主要用于农业果树上的果物采摘和分拣领域，具有采摘定位精准、分拣识别高效、结构简单紧凑、适用范围广、成本低且维护方便等优点。

如图1所示，负压采摘机构1包括两段式的机械臂11、位于机械臂11关节处的多个转动机构12及其对应设置的角度传感器13、机械臂11的底座14、位于机械臂11上端部的吸管口15、贯穿机械臂11内部至所述底座14的可伸缩的柔性吸管16、上端部穿过底座14与柔性吸管16相连通的矩形落料管道17以及与落料管道17相连通的真空发生器18。机械臂11可实现在关节处实现上下垂直转动且底座14处实现水平转动，进一步实现机械臂11多角度多方位的伸展收缩操作。

转动机构12包括设置在底座14正上方的水平转动机构12a和位于机械臂11关节处的垂直转动机构12b。落料管道17包括方形管路17a和常闭可向下打开的单向闸门17b，方形管路17a有助于提高闸门关闭时的密封效果，优选地，在单向闸门17b上还设置有检测单向闸门17b开合的开关传感器17c。

柔性吸管16包括柔性管本体16a、环绕柔性管本体16a四周的多个加强筋16b以及位于相邻加强筋16b之间的缓冲气包16c，进一步吸管口15还包括设置有一端与管口边沿活动连接且呈向内辐射状的多个隔离条15a和串联隔离条15a另一端的圆形的弹性绳15b，隔离条15a主要起到隔离树枝树叶等杂物进入到柔性吸管16内。果物在吸附力的作用下开始接触并挤压隔离条15a，进一步隔离条15a向内扩散带动弹性绳15b展开直径变大，然后果物直接穿过弹性绳15b进入到柔性吸管16内，最后隔离条15a在弹性绳15b收缩力的作用下恢复原样，同时尽可能地阻挡了树枝树叶等杂物的进入。

更加优选地，吸管口15上还设置有探测果物距离的红外测距传感器19，红外测距传感器19一共有三个且等间距布置在吸管口15平面的边缘处，此外红外测距传感器19的朝向与设置点和吸管口15中心点连线构成夹角θ，夹角θ优选为60度。红外测距传感器19主要用于辅助角度传感器13进行位置获取和微调整，防止产生较大的位置误差，从而实现更加精准的吸管口15位置获取和定位执行采摘。此外角度传感器13分为位于底座14旋转处的第一角度传感器13a和位于机械臂11关节处的第二传感器13b和第三传感器13c。

视觉定位单元2包括垂直设置在水平转动机构12a上方的伸缩杆21和位于伸缩杆21顶端摄像模块22，摄像模块22中水平间隔布置有两个广角摄像机22a，广角摄像机22a朝向与机械臂11的朝向一致。

视觉定位单元2利用两个摄像机建立立体视觉系统，根据果物的形状和颜色识别出果物的位置，进一步采用立体视觉方法从图像中计算出场景的三维坐标，然后利用三角测量原理计算深度则获取到果物的三维坐标，最后图像处理与控制单元10发出指令命令机械臂11执行动作并将吸管口15移动至目标物位置。

行进小车3包括车身本体31、位于车身本体31内的水箱32、与水箱32相连通且位于落料管道17正下方的清洗喷头33和位于分拣机构100下方的多个分类收集箱34。行进小车3主要起到移动承载的作用，可以再果树间稳定行走，其中清洗喷头33可以对落到接果容器51中的果物进行定时清洗，清洗后的污水可以回收进化后再使用也可以直接排出，分类收集箱34则用于暂时分类存放不同品质的果物。

如图2所示，分拣机构100包括：驱动机构4、驱动机构4驱动且循环转动的多个载物机构5、识别单元6、带动载物机构5自身旋转的旋转装置7、位于清洗喷头33正下方的入料漏斗8以及卸料机构9。驱动机构4包括位于两端的主动齿轮41和从动齿轮42以及与主动齿轮41和从动齿轮42相匹配连接的柔性齿环43。该柔性齿环43首尾无缝连接，同时与主动齿轮41和从动齿轮42相互匹配循环运动，该驱动机构4具有刚性强、定位准确、运行速度精准可控等优点。

如图3所示，载物机构5包括位于驱动机构外侧的环形支架54、接果容器51、一端与柔性齿环43垂直连接且另一端与接果容器51活动旋转连接的连接杆56、位于接果容器51底部的重力传感器52、位于接果容器51上端部的接果口53，用于承载待分选识别的果物。此外环形支架54上部与柔性齿环43平行处开设有环形开口55且连接杆56穿过环形开口55，柔性齿环43通过连接杆56带动接果容器51沿环形支架54外侧循环转动。更加优选地，连接杆56与环形开口55之间设置有滚轮57，从而减少运行过程中的阻力、延长部件使用寿命和保持平稳循环转动。

如图4所示，接果容器51外壳优选为栅格通透网状结构、也可为激光可穿过的透明材料制成，接果容器51、方形管路17a和单向闸门17b的内壁均设置有防碰撞缓冲材料，防止果物碰撞影响品质。接果容器51可绕连接杆56转动，此外接果容器51还可通过其上部外侧设置的转动轴承58与连接杆56相连接，从而实现接果容器51绕转动轴承58中心线旋转。

识别单元6包括识别框架61、位于识别框架61外侧的光学识别设备62以及位于识别框架61内侧且正对光学识别设备62的反射镜63，光学识别设备62优选采用激光雷达。识别框架61优选为一个相对封闭空间，最大程度减少自然光对光学识别设备62的探测，进一步得到果物的轮廓、体积以及表面反射率等物理属性。反射镜63可以显著提高自然光或激光的反射率，从而提高所获得果物轮廓的清晰度和果物体积计算的准确度，最后识别出不同大小的果物、不同品质的果物等等。

旋转装置7包括位于接果容器51上部外侧的圆形齿轮71以及位于识别框架61内且水平布置在环形支架54上的直线齿条72。当接果容器51转至直线齿条72时，圆形齿轮71在直线齿条72上转动并带动接果容器51绕转动轴承58中心线旋转，直线齿条72的长度大于等于圆形齿轮71的外径，从而实现光学识别设备62对果物的360度探测，提升果物轮廓识别的精准度。

卸料机构9包括固定在环形支架54上且位于环形开口55下方的推杆单元91以及固定接果容器51外侧下方的弧形翘杆92。如图5所示，推杆单元91可根据图像处理与控制单元10的指令推出档杆阻挡接果容器51进行翻转卸料，进一步卸料至不同的卸料溜槽93中，最后进入分类收集箱34，从而实现果物分选的目的。

图像处理与控制单元10用于接收角度传感器53、红外测距传感器19、摄像模块22、开关传感器17c、重力传感器22和光学识别设备62传回的信息进行分析计算后再向机械臂11和卸料机构6发出控制指令，实现系统的统一调度和精准控制。

本发明还公开了一种农业果树采摘分拣智能机器人100的采摘分拣方法，具体分选步骤如下：

a)行进小车3进入果园采摘区域，摄像模块22获取区域图像并传输至图像处理与控制单元10；

b)图像处理与控制单元10进一步识别出果物的位置即深度，再建立场景的三维坐标并计算出机械臂11需要转动的角度参数值，最后发出指令至机械臂11进行执行定位操作；

c)机械臂11在进行执行定位操作过程中，角度传感器53对其进行初步校准，然后红外测距传感器19再对其进行近距离校准，最终实现精确定位；

d)启动真空发生器18产生负压吸附力，将果物吸入到柔性吸管16内，并进一步进入落料管道17并冲开单向闸门17b落至接果容器51中，此时开关传感器17c获取到单向闸门17b打开的并传输至图像处理与控制单元10；

e)图像处理与控制单元10发出指令关停真空发生器18，且同时开启清洗喷头33冲洗3-10秒，然后发出指令启动分拣机构100运转一圈；

f)然后接果容器51转入到识别单元6内，旋转装置7带动接果容器51自身旋转，同时光学识别设备62从侧方对果物进行多方位的光学探测；

g)图像处理与控制单元10接收到来自重力传感器52和光学识别设备62传回的数据，分析并得出果物的体积、重量、密度以及果物品质等属性值，

h)最后图像处理与控制单元10根据属性值大小判断并指令相应推杆单元91执行动作，实现果物进入到相应的卸料溜槽93中。

综上所述，本发明一种农业果树采摘分拣智能机器人100创造性地提出了一种功能完善且整体可行的果树采摘分拣智能机器人，采用了立体视觉定位和多传感器校正、多角度360度的光学探测且整个系统结构简单和统一调度控制，为了方便果物采摘，已提前做好果树的剪枝修理作业以防止阻挡本发明机器人的有效采摘作业。该智能机器人可广泛适用于多种果树果实的采摘，例如苹果、梨、桔子等近圆形果物，具有设计巧妙、负压吸附、采摘分拣一体、统一集中控制、机械臂定位精确、多属性分拣、分拣精度高、适用范围广等诸多优点。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种农业果树采摘分拣智能机器人，该采摘分拣智能机器人包括：负压采摘机构、视觉定位单元、行进小车、位于所述行进小车上的图像处理与控制单元以及位于所述行进小车内的分拣机构；其中，

所述负压采摘机构包括两段式的机械臂、位于所述机械臂关节处的多个转动机构及其对应设置的角度传感器、所述机械臂的底座、位于机械臂上端部的吸管口、贯穿所述机械臂内部至所述底座的可伸缩柔性吸管、上端部穿过所述底座与所述柔性吸管相连通的矩形落料管道以及与所述落料管道相连通的真空发生器；所述转动机构包括设置在所述底座正上方的水平转动机构和位于所述机械臂关节处的垂直转动机构，所述落料管道包括方形管路、常闭可向下打开的单向闸门以及设置在所述单项闸门上的开关传感器；

所述视觉定位单元包括垂直设置在所述水平转动机构上方的伸缩杆和位于所述伸缩杆顶端摄像模块，所述摄像模块中水平间隔布置有两个广角摄像机；

所述行进小车包括车身本体、位于所述车身本体内的水箱、与所述水箱相连通且位于所述落料管道正下方的清洗喷头和位于所述分拣机构下方的多个分类收集箱。

2.根据权利要求1所述的智能机器人，其特征在于：所述分拣机构包括：驱动机构、所述驱动机构驱动且循环转动的多个载物机构、识别单元、带动所述载物机构自身旋转的旋转装置、位于所述清洗喷头正下方的入料漏斗以及卸料机构；

所述驱动机构包括位于两端的主动齿轮和从动齿轮以及与所述主动齿轮和所述从动齿轮相匹配连接的柔性齿环；

所述载物机构包括位于所述驱动机构外侧的环形支架、接果容器、一端与所述柔性齿环垂直连接且另一端与所述接果容器活动旋转连接的连接杆、位于所述接果容器底部的重力传感器、位于所述接果容器上端部的接果口，此外所述环形支架上部与所述柔性齿环平行处开设有环形开口且所述连接杆穿过所述环形开口；

所述识别单元包括识别框架、位于所述识别框架外侧的光学识别设备以及位于所述识别框架内侧且正对所述光学识别设备的反射镜；

所述旋转装置包括位于所述接果容器上部外侧的圆形齿轮以及位于所述识别框架内且水平布置在所述环形支架上的直线齿条；

所述卸料机构包括固定在所述环形支架上且位于所述环形开口下方的推杆单元、固定在所述接果容器外侧下方的弧形翘杆以及位于所述分类收集箱正上方的卸料溜槽。

3.根据权利要求1所述的智能机器人，其特征在于：所述外角度传感器分为位于所述底座旋转处的第一角度传感器和位于所述机械臂关节处的第二传感器和第三传感器。

4.根据权利要求3所述的智能机器人，其特征在于：所述柔性吸管包括柔性管本体、环绕所述柔性管本体四周的多个加强筋以及位于相邻加强筋之间的缓冲气包。

5.根据权利要求4所述的智能机器人，其特征在于：所述吸管口还包括设置有一端与管口边沿活动连接且呈向内辐射状的多个隔离条和串联所述隔离条另一端的圆形的弹性绳。

6.根据权利要求2所述的智能机器人，其特征在于：所述光学识别设备为激光雷达。

7.根据权利要求6所述的智能机器人，其特征在于：所述连接杆与所述环形开口之间还设置有滚轮。

8.根据权利要求7所述的智能机器人，其特征在于：所述接料容器外壳优选为栅格通透网状结构。

9.根据权利要求8所述的智能机器人，其特征在于：所述直线齿条的长度大于等于所述圆形齿轮的外径。

10.根据权利要求9所述的智能机器人，其特征在于：所述接果容器、方形管路和单向闸门的内壁均设置有防碰撞缓冲材料。

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