CN112868444B - 一种大蒜芽苗破膜机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大蒜芽苗破膜机器人及其使用方法，其中大蒜芽苗破膜机器人包括行走装置、驱动装置、图像处理装置、控制箱、破膜装置；所述行走装置包括装有四个定向车轮的机械架车体，且机械架顶部载有一固定平台；所述驱动装置固定装在固定平台上，驱动Delta机械臂运转；所述图像处理装置位于装在固定平台上的控制箱内，用于处理收集到的蒜苗图像信息并传递给控制箱；所述破膜装置包括Delta机械臂和破膜钩，二者之间通过一Y型连接件连接。本发明针对部分蒜苗未能自行顶破所覆盖的地膜这一情况进行设计，通过自动识别芽苗与定位，完成蒜苗的破膜作业，节省了人力提高了效率，减小了对泥泞蒜地的压实作用。

Description

一种大蒜芽苗破膜机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及农业机械设备技术领域，尤其涉及到一种大蒜芽苗破膜机器人及其使用方法。

背景技术

我国是全球最主要的大蒜生产国、消费国和出口国，出口额占世界出口总额的一半以上。大蒜营养丰富，用途广泛，具有抑菌、杀菌、抗癌等医疗作用。我国大蒜种植区域分布广泛，大多以小而散的农户生产种植为主，经营模式以自产自销为主。

给大蒜覆膜主要是为了保持地温，保持土壤水肥不易流失，并且抑制蒜地里的杂草生长。大蒜在出苗后，要想正常生长，首先就要顶破覆盖在土上的地膜，不然这层膜会抑制住大蒜的生长。

目前蒜苗破膜主要依靠人力来完成，从最开始直接用手抠破地膜，到用细棍棒挑破地膜，再到用细钩子钩破地膜。无论是哪种方法，都需要花费大量人力和物力，劳动强度大，机械化程度较低。制约蒜苗破膜技术发展的关键问题主要是：蒜苗芽尖长到1-2厘米高时刚好可以触及地膜并顶破地膜生长出来。但是，如果这时候地膜与地面的距离太大，就会导致刚出芽的大蒜不能够及时顶破地膜，错过了良好的破膜时机。当蒜苗再长大一些，会变得柔软，就很不容易顶破地膜。按照传统的人工破膜方法，由人亲自去弄破地膜使蒜苗长出来，有着一定伤害蒜苗的风险。若用传统的机器来进行破膜作业，可能误伤蒜苗的同时会将其他没有顶破地膜的蒜苗其上方地膜破开，使一些还没有成熟的蒜苗过早暴露出来。因此，现阶段需要一种大蒜芽苗破膜机器人来解决存在的这些问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种大蒜芽苗破膜机器人及其使用方法，能够通过识别蒜苗颜色和生长高度来判断蒜苗是否成熟，并精准钩破覆盖在蒜苗上的地膜使其露出，节省人力和物力的同时，提高了工作效率。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种大蒜芽苗破膜机器人，包括行走装置，以及安装在所述行走装置上的图像采集装置、破膜装置和控制箱，所述图像采集装置电连接图像处理装置，图像处理装置电连接设置在控制箱内的控制系统，所述控制系统电连接破膜装置的驱动装置。

本方案通过行走装置带动整机行走，通过图像采集装置采集蒜苗信息，并将信息传至图像处理装置，图像处理装置对信息进行识别和判断，并将此信息传送给控制箱内的控制系统，以此来控制破膜装置到达指定位置进行破膜作业。

作为优化，所述破膜装置包括Delta机械臂和驱动Delta机械臂动作的驱动装置，Delta机械臂的下端安装有破膜钩。本优化方案的破膜装置通过Delta机械臂带动破膜钩移动实现破膜，提高了动作的精确性，而且方便控制。

作为优化，Delta机械臂的下端通过Y型件与破膜钩连接，Y型件与Delta机械臂铰接，破膜钩安装在Y型件的底面。本优化方案通过设置Y型件，方便与Delta机械臂进行连接，利用Y型件的三个延伸块的共具有的六个侧面，分别与Delta机械臂的六根臂杆连接，结构更加合理。

作为优化，所述行走装置包括机械架、固接于机械架顶部的固定平台，以及安装在机械架下端的四个呈矩形分布的定向车轮，前端的两定向车轮分别连接有轮边电机，两轮边电机与所述控制系统电连接。本优化方案的行走装置以机械架为主体结构，前端的两定向车轮分别连接有轮边电机，从而可以分别控制前端两定向轮的转速，从而实现位于前端的两个定向车轮的差速转动，通过两个前端车轮之间的转速差，使两个车轮以转动的形式做不等距的行驶，达到调整行进方向的目的。

作为优化，所述图像采集装置包括固定在固定平台前端的刚性杆和安装在所述刚性杆上的360°旋转摄像头，摄像头与图像处理装置通过USB连接线连接。本优化方案通过摄像头完成对蒜苗颜色、生长高度和位置信息的采集，并及时将收到的信息传递给图像处理装置，结构简单，摄像头360°旋转，增大了采集范围，提高了工作效率；摄像头与图像处理装置通过USB连接线连接，进一步简化了连接结构，接口通用性高。

作为优化，刚性杆与固定平台形成的夹角处设有L型角件，L型角件一侧边通过螺栓与刚性杆固接，另一侧边通过螺栓与固定平台固接。本优化方案通过设置L型角件，实现了对刚性杆与固定平台之间连接的加强，提高了刚性杆固定的可靠性，L型角件通过螺栓与刚性杆、固定平台连接，方便安装和拆卸。

作为优化，所述机械架包括相对设置的两侧架，侧架包括上端与固定平台固接的两竖杆，以及位于两竖杆之间且与 两竖杆固接的横杆，横杆与竖杆形成的拐角处，以及竖杆与固定平台形成的拐角处均设置有支撑杆，支撑杆与竖杆、横杆、固定平台分别通过A型角件连接，A型角件与支撑杆、竖杆、横杆、固定平台均通过螺栓固接。本优化方案的机械架结构简单，整体呈框式结构，减轻了重量，通过设置A型角件，提高了侧架的结构强度，并且A型角件与支撑杆、竖杆、横杆、固定平台通过螺栓连接，方便安装和拆卸。

本方案还提供一种上述大蒜芽苗破膜机器人的使用方法，包括如下方面：

1、图像处理识别路径并使机器人走直：

大蒜芽苗破膜机器人首先进入蒜地行间并调整好姿态，先按照预先设定好的既定路线行进，在行进过程中由于地面崎岖不平或有土块、杂草等障碍物，可能会导致大蒜芽苗破膜机器人偏离原先的既定路线行进。在行进过程中，摄像头对蒜地中的蒜苗空间排列信息进行收集，并将收集到的图像信息传递给图像处理装置，由图像处理装置对蒜苗空间排列图像的处理形成一条导航基线，在大蒜芽苗破膜机器人偏离基线时，由控制系统传输指令到轮边电机，使前端两个定向车轮差速运转，让偏离基线的大蒜芽苗破膜机器人的行进方向回到沿基线方向，以此来进行导航；

2、图像处理识别并定位蒜苗位置：

大蒜芽苗破膜机器人运用图像识别与处理算法，通过对信息数据的采集、传输和识别，准确定位蒜苗的位置；摄像头对蒜苗颜色和生长高度信息进行收集，并将收集到信息传递给图像处理装置，图像处理装置追踪图像亮度的变化，在所需破膜蒜苗位置形成区域边缘二值图，通过系列算法进行蒜苗的分布检测，最终通过系列判定求解得到蒜苗位置，近而驱动Delta机械臂运转进行破膜；

3、驱动Delta机械臂进行破膜作业：

大蒜芽苗破膜机器人行进至指定位置时，驱动装置驱动Delta机械臂运转，使Delta机械臂的主动杆进行一定的位移，从而使破膜钩精准到达所需破膜蒜苗上方位置，Delta机械臂带动破膜钩向前运动一定位移，即完成破膜作业。

本发明的有益效果为：

（1）本发明采用轮边电机驱动前端定向车轮行进的行走装置，与传统的行走装置相比，其优点在于，可以通过控制系统控制车轮的转速，调节行进速度的快慢，可以快速到达需要破膜的蒜苗的附近；亦可使前端的两定向车轮差速转动，调节行进的方向，使机器人不受限于只能在单条既定轨道上行进；

（2）本发明采用一个机械架作为主体结构，将各种所需的装置安装在上面，既装拆方便，又能减轻整体的重量，使之在行进过程中更加灵活，防止车轮碾轧到蒜苗；

（3）本发明采用摄像头进行蒜苗图像的信息采集，可以最大限度地看到最广的范围，防止遗漏未被破膜的蒜苗，大幅提高蒜苗的成活率；

（4）本发明采用信息异步传递的传输方式，在摄像头采集到的图像信息经图像处理装置传送到控制系统时，控制系统率先发出行进的指令，在行进的过程中发出指令到驱动装置使Delta机械臂运转，并根据需被破膜蒜苗的生长高度信息使Delta机械臂调整最佳的角度，既可以准确无误地钩破地膜，又可以大幅节省时间；

（5）本发明采用Delta机械臂来运行破膜钩，可以较为快速、准确的完成破膜作业，因Delta机械臂具有定位精度高、惯性低的优点，在精准破膜的同时，又保证了不会伤害到蒜苗，提高了工作效率。

（6）本发明可以根据收集到的图像信息来辨别蒜苗的空间排列，图像处理装置对蒜苗的空间排列信息进行处理，以此形成一条导航基线，在大蒜芽苗破膜机器人偏离导航基线时，可以通过改变前端两定向车轮转速来调整行进方向，使机器人重新回到导航基线；

（7）本发明可通过图像处理装置追踪图像亮度的变化，并通过一系列算法和判定最终对蒜苗进行定位，该方法可精准的确定蒜苗的位置，既不会遗漏未破膜的蒜苗，又不会在破膜的过程中误伤到蒜苗。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为Delta机械臂结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种大蒜芽苗破膜机器人使用方法的流程示意图；

图中所示：

1、控制箱，2、固定平台，3、刚性杆，4、摄像头，5、机械架，6、Delta机械臂，7、轮边电机，8、定向车轮， 9、L型角件，10、Y型件，11、破膜钩，12、支撑杆，13、L型板，14、A型角件，15、U型板，16、驱动装置。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种大蒜芽苗破膜机器人，包括行走装置，以及安装在所述行走装置上的图像采集装置、破膜装置和控制箱1，控制箱内设有控制系统，控制系统用于传输指令，控制机器的各个部分协同运作，所述图像采集装置电连接图像处理装置，图像处理装置电连接设置在控制箱内的控制系统，所述控制系统电连接破膜装置的驱动装置。

行走装置包括机械架5、固接于机械架顶部的固定平台2，以及安装在机械架下端的四个呈矩形分布的定向车轮8，前端的两定向车轮分别连接有轮边电机7，两轮边电机与所述控制系统电连接，受控制系统的控制。轮边电机输出轴上有键槽，电机轴与定向车轮之间键连接。

图像采集装置包括固定在固定平台前端的刚性杆3和安装在所述刚性杆上的360°旋转摄像头4，摄像头4可自由转动来完成对蒜苗颜色、生长高度和位置信息的采集；刚性杆为直杆，向前延伸出固定平台，刚性杆的前端设置所述的摄像头4，摄像头4与图像处理装置通过USB连接线连接，图像处理装置位于控制箱内。摄像头4可实现360度自由旋转，对出现在其视野内的蒜苗颜色、生长高度和位置的信息进行无差别的捕捉，并及时将收到的信息传递给图像处理装置，图像处理装置对信息进行识别和判断，并将此信息传送给控制箱1内的控制系统，以此来引导行走装置到达指定位置进行破膜作业。

刚性杆与固定平台形成的夹角处设有L型角件9，L型角件9一侧边通过螺栓与刚性杆固接，另一侧边通过螺栓与固定平台固接。

破膜装置包括Delta机械臂6和驱动Delta机械臂动作的驱动装置16，驱动装置16给Delta机械臂的运转提供动力，Delta机械臂的下端安装有破膜钩11。具体的，Delta机械臂的下端通过Y型件10与破膜钩连接，Y型件与Delta机械臂铰接，破膜钩竖直悬吊安装在Y型件的底面，通过控制Delta机械臂的运动来实现Y型连接件的移动，从而带动破膜钩移动。Delta机械臂具有定位精度高，移动速度快的特点。当大蒜芽苗破膜机器人行至将要破膜蒜苗近处时，由摄像头进一步采集此蒜苗的具体生长高度信息并反馈给图像处理装置，图像处理装置通过算法的匹配处理得到的信号，由控制箱内的控制系统发出指令并控制Delta机械臂快速移动破膜钩至未破膜蒜苗的正上方，使其下放至合适高度，进行精准钩取破膜，有效避免误伤蒜苗的情况的出现。

机械架包括相对设置的两侧架，侧架包括上端与固定平台固接的两竖杆，以及位于两竖杆之间且与两竖杆固接的横杆，横杆与竖杆形成的拐角处，以及竖杆与固定平台形成的拐角处均设置有支撑杆12，支撑杆12与竖杆、横杆、固定平台分别通过A型角件14连接，A型角件14与支撑杆、竖杆、横杆、固定平台均通过螺栓固接。机械架底部前端装有与其通过螺栓连接的L型板13，后端装有与其通过螺栓连接的U型板15，L型板与U型板均与定向车轮通过滚动轴承连接，L型板内侧固定装有轮边电机。

本实施例大蒜芽苗破膜机器人的使用方法，包括如下方面：

S101、图像处理识别路径并使机器人走直：

大蒜芽苗破膜机器人首先进入蒜地行间并调整好姿态，先按照预先设定好的既定路线行进，在行进过程中由于地面崎岖不平或有土块、杂草等障碍物，可能会导致大蒜芽苗破膜机器人偏离原先的既定路线行进；在行进过程中，摄像头对蒜地中的蒜苗空间排列信息进行收集，并将收集到的图像信息传递给图像处理装置，由图像处理装置对蒜苗空间排列图像的处理形成一条导航基线；

S102、在大蒜芽苗破膜机器人偏离基线时，由控制系统传输指令到轮边电机，使前端两个定向车轮差速运转，让偏离基线的大蒜芽苗破膜机器人的行进方向回到沿基线方向，以此来进行导航，同时可避免辗轧蒜苗对其造成伤害；

S103、图像处理识别并定位蒜苗位置：

大蒜芽苗破膜机器人着重运用图像识别与处理算法，通过对信息数据的采集、传输和识别，准确定位蒜苗的位置；摄像头对蒜苗颜色和生长高度信息进行收集，并将收集到信息传递给图像处理装置，图像处理装置追踪图像亮度的变化，在所需破膜蒜苗位置形成区域边缘二值图，通过系列算法进行蒜苗的分布检测，最终通过系列判定求解得到蒜苗位置，近而驱动Delta机械臂运转进行破膜；通过对图像处理识别来实现对蒜苗的定位，因不能及时破膜的蒜苗通常呈顶部绿色，在被捕获的图像中亮度较高，易于被图像处理装置追踪到，能够精准的定位到蒜苗的位置；

S104、驱动Delta机械臂进行破膜作业：

大蒜芽苗破膜机器人行进至指定位置时，驱动装置驱动Delta机械臂运转，使Delta机械臂的主动杆进行一定的位移，从而使破膜钩精准到达所需破膜蒜苗上方位置，Delta机械臂带动破膜钩向前运动一定位移，即完成破膜作业。由于Delta机械臂可以灵活地调整其姿态，且定位精度高、移动速度快，可以调整使其以最佳的角度去完成破膜，使蒜苗以接近于垂直地面对的角度出膜生长，减小蒜苗的受损率。

本发明一种大蒜芽苗破膜机器人的使用方法，具体步骤如下：

行走装置沿指定路线前进，到达蒜地后，大蒜芽苗破膜机器人先沿着一条既定直线行进，期间Delta机械臂处于收缩状态，将破膜钩高高悬起，防止在行进过程中破膜钩将不需破膜的地膜钩破或是损伤蒜苗。摄像头收集蒜苗的颜色、生长高度和位置信息，并将这些收集到的信息传递给图像处理装置，由图像处理装置对信息进行识别和判断。若需被破膜蒜苗不在行进直线上，则控制箱会调整两个前端的定向车轮的转速，使其差速转动，改变行进方向。行至指定位置时，Delta机械臂会将破膜钩送至需破膜蒜苗的上方，快速精准的完成破膜作业。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种大蒜芽苗破膜机器人，其特征在于：包括行走装置，以及安装在所述行走装置上的图像采集装置、破膜装置和控制箱（1），所述图像采集装置电连接图像处理装置，图像处理装置电连接设置在控制箱内的控制系统，所述控制系统电连接破膜装置的驱动装置；

所述行走装置包括机械架（5）、固接于机械架顶部的固定平台（2）；所述图像采集装置包括固定在固定平台前端的刚性杆（3）和安装在所述刚性杆上的360°旋转摄像头（4），摄像头（4）与图像处理装置通过USB连接线连接；所述行走装置还包括安装在机械架下端的四个呈矩形分布的定向车轮（8），前端的两定向车轮分别连接有轮边电机（7），两轮边电机与所述控制系统电连接；所述破膜装置包括Delta机械臂（6）和驱动Delta机械臂动作的驱动装置（16），Delta机械臂的下端安装有破膜钩（11）；

所述大蒜芽苗破膜机器人的使用方法，包括如下方面：

（1）图像处理识别路径并使机器人走直：

大蒜芽苗破膜机器人首先进入蒜地行间并调整好姿态，先按照预先设定好的既定路线行进，在行进过程中，摄像头对蒜地中的蒜苗空间排列信息进行收集，并将收集到的图像信息传递给图像处理装置，由图像处理装置对蒜苗空间排列图像的处理形成一条导航基线，在大蒜芽苗破膜机器人偏离基线时，由控制系统传输指令到轮边电机，使前端两个定向车轮差速运转，让偏离基线的大蒜芽苗破膜机器人的行进方向回到沿基线方向，以此来进行导航；

（2）图像处理识别并定位蒜苗位置：

大蒜芽苗破膜机器人运用图像识别与处理算法，通过对信息数据的采集、传输和识别，准确定位蒜苗的位置；摄像头对蒜苗颜色和生长高度信息进行收集，并将收集到信息传递给图像处理装置，图像处理装置追踪图像亮度的变化，在所需破膜蒜苗位置形成区域边缘二值图，通过系列算法进行蒜苗的分布检测，最终通过系列判定求解得到蒜苗位置，近而驱动Delta机械臂运转进行破膜；

（3）驱动Delta机械臂进行破膜作业：

大蒜芽苗破膜机器人行进至指定位置时，驱动装置驱动Delta机械臂运转，使Delta机械臂的主动杆进行一定的位移，从而使破膜钩精准到达所需破膜蒜苗上方位置，Delta机械臂带动破膜钩向前运动一定位移，即完成破膜作业；

（4）采用信息异步传递的传输方式，在摄像头采集到的图像信息经图像处理装置传送到控制系统时，控制系统率先发出行进的指令，在行进的过程中发出指令到驱动装置使Delta机械臂运转，并根据需被破膜蒜苗的生长高度信息使Delta机械臂调整最佳的角度，使蒜苗以接近于垂直地面的角度出膜生长。

2.根据权利要求1所述的一种大蒜芽苗破膜机器人，其特征在于：Delta机械臂的下端通过Y型件（10）与破膜钩连接，Y型件与Delta机械臂铰接，破膜钩安装在Y型件的底面。

3.根据权利要求1所述的一种大蒜芽苗破膜机器人，其特征在于：刚性杆与固定平台形成的夹角处设有L型角件（9），L型角件（9）一侧边通过螺栓与刚性杆固接，另一侧边通过螺栓与固定平台固接。

4.根据权利要求1所述的一种大蒜芽苗破膜机器人，其特征在于：所述机械架包括相对设置的两侧架，侧架包括上端与固定平台固接的两竖杆，以及位于两竖杆之间且与两竖杆固接的横杆，横杆与竖杆形成的拐角处，以及竖杆与固定平台形成的拐角处均设置有支撑杆（12），支撑杆（12）与竖杆、横杆、固定平台分别通过A型角件（14）连接，A型角件（14）与支撑杆、竖杆、横杆、固定平台均通过螺栓固接。

Images