CN113079826A - 履带式专用农业采摘机器人及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了履带式专用农业采摘机器人及其采摘方法，涉及专用农业机器人领域，包括两个通过旋转底座和车身上部的导轨相连的采摘臂和每个通过舵机与采摘臂相连的采摘头，还包括计算机视觉子系统的相机组件，其通过螺栓与所述采摘头相连接，质量控制子系统利用螺栓与车身固定连接，用于管理采摘果实的质量，车身上部焊接固定有的存储子系统。本发明解决了机器人关节的伺服控制和制动问题，并可自动测绘出场地和树木的空间轮廓，并根据场景变化实时规划采摘路径、自动收集并分析捕捉到的视觉图像；通过将采摘头直接安装在机械臂上，缩小了产品的整体尺寸，减少了造价成本。而在采摘头上安装开放性计算机系统后，并可以随时更新应用程序。

Description

履带式专用农业采摘机器人及其采摘方法

技术领域

本发明涉及专用农业机器人领域，具体是一种履带式农业采摘专用机器人及其采摘方法。

背景技术

本发明所涉及的技术多数是指程序可编的、独立的，能够实现自动抓取、搬运工件、操作工具的装置。农业采摘机器人具有人体上肢的部分功能，且工作程序固定化、自动化。同时具有结构简单、成本低廉、容易维修的优势，但功能较少，适应性较差。目前，我国常把具有上述特点的农业采摘机器人称为专用农业采摘机器人，而把工业机械人称为通用农业采摘机器人。

现有技术中，一种农业采摘机器人的结构如图1所示，其控制系统103的采摘头包括计算机视觉子系统、质量控制子系统和存储子系统。视觉子系统负责收集并分析采摘的农产品的图像。质量控制子系统负责监测已采摘或可采摘的农产品的质量，并根据大小和质量对其进行分类。而存储子系统负责接收采摘的农产品，并将其储存在容器中。图1中的控制系统103采摘头只能通过手动编入采摘策略程序来学习采摘策略，属于封闭式计算机系统，且更新速度慢，修改该封闭系统的造价成本较高。故其不具备根据作业场地随环境变化而自行调整学习策略的功能，以及自主检测农产品重量、外形的功能。

因此，针对以上要求，提出并设计一种可以通过机器人行走来自动测绘、识别场地树木的大致空间轮廓，并具有自动规划采摘路径功能的履带式农业采摘机器人。

发明内容

本发明的目的是提出并设计一种可以通过机器人行走来自动测绘、识别场地树木的大致空间轮廓，并具有自动规划采摘路径功能的履带式农业采摘机器人，以解决背景技术中提到的问题。

为了解决上述问题，采用的技术方案为：

履带式专用农业采摘机器人，包括车身及其下方的履带车，包括两个通过旋转底座和车身上部的导轨相连的采摘臂和每个通过舵机与采摘臂相连的采摘头，采摘臂上还设置有计算机视觉子系统的相机组件，所述相机组件与所述采摘头固定连接，质量控制子系统同样与车身固定连接，能够控制采摘下来的农作物按质量优劣分类放置，此外还包括焊接固定在车身上端两侧的存储子系统，用于收纳采摘下来的农作物；履带车可以保证采摘作业可以经过一定坡度的土坡而不至于停止作业。

所述采摘臂中部固定有传感器模块，分为主动红外传感器和超声波测距传感器，两套传感器为上下分布，为可拆卸设置，其中主动红外传感器可通过主动发射红外线来完成测距功能，超声波测距传感器通过发射超声波掌握果树的实际距离，实际测量中，将两者的测量结果取交集，得出采摘臂与农作物或者果树的实际距离；

车身中部还安装有一个装载电源模块和通讯模块的箱体，所述电源模块由主副两套锂电池组组成，主电池组为履带车提供动力，副电池组专门为传感器模块和计算机视觉子系统供电；所述通讯模块能够与采摘场地上方的无人机以及后方控制室的工控机通信，能实时传输控制室传达的指令，电源模块外有便于更换电池组的拉手。

优选地，所述质量控制子系统通过计算机视觉组件生成质量度量，包括一些摄像机、灯组和软件进行图像捕获和分析。而摄像机的布置是为了获得所在位置时的整个画面。利用这些图像，让软件分析并测量农产品的三维形状，检测各种缺陷(包括但不限于腐烂、鸟害、喷雾残渣、霉变)。质量控制子系统可以通过调整生成模型的参数来恢复三维几何，以最大限度地提高模型与图像数据之间的一致性。

优选地，相机组件与所述采摘头通过螺栓固定连接，质量控制子系统同样利用螺栓固定连接到车身。

进一步改进的是，在所述车身前部和后部可以安装两套倒车雷达，通过雷达影像达到履带车行进过程中能够实时避让障碍物的作用。

进一步改进的是，所述超声波测距传感器可以由微型激光测距仪替代，其安装位置为质量控制子系统对侧的车身上部。

优选地，所述存储子系统的边缘有一定的高度(外边缘处有10厘米高的突起)，足以保证在车身与水平面夹角≤20度的颠簸环境下所收纳的农作物不会掉落。

优选地，所述计算机视觉子系统可以在不同的照明条件下获得多幅图像。这是该系统通过将一系列LED灯排列在农产品周围的圆圈中，并一次激活它们，每盏灯捕捉一次曝光来实现的。此外，方向灯在农产品表面和合适的定位背景屏幕上都会产生阴影。这种阴影可以用来获得更多关于农产品的三维形状的信息。

构建农业采摘机器人平台的核心是建立农业采摘机器人的开放性计算机控制系统。首先本发明需要选择硬件平台，一般来讲控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于低成本地添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等。鉴于以上原因，本发明的基于PC机控制系统包括PC+数据采集卡的控制模式。

本发明会自动运行，可应用于田地、果园或多隧道中，并对农产品进行识别、定位、采摘。最后将采摘的农产品分级、分类地存放到合适的冷库中。

应用履带式专用农业采摘机器人采摘农作物的方法，包括以下步骤：

(1)由计算机视觉子系统进行图片的收集与测绘；

(2)将收集来的图片和位置坐标通过软件计算，传输给质量控制子系统；

(3)质量控制子系统对农产品进行分级分类；

(4)再由开放性计算机系统控制采摘臂(发生采摘动作)；

(5)最后将农产品运送到存储子系统，至此一个完整的工作流程结束。

进一步改进的是，所述步骤(4)的开放性计算机系统由PC主机+数据采集卡的形式组成，PC机能够随时更新应用程序。

本发明的有益效果为：采用具有开放结构的农业采摘机器人系统，通过将采摘头直接安装在机械臂上，不但缩小了产品的整体尺寸，还减少了造价成本。而在采摘头上安装开放性计算机系统后，则达到了可随时更新应用程序的目的。采用两种测距传感器，提高了测距精度。由于基于PC机+采集卡的控制方式灵活方便，成本低廉。

附图说明

图1为现有农业采摘机器人的整体结构图；

图2为本发明的整体结构图；

图3为本发明的俯视图；

图4为控制系统的组成结构图。

图中：100-采摘臂，101-采摘头，102-计算机视觉子系统，103-质量控制子系统，104-存储子系统，105-传感器模块，1051-主动红外传感器，1052-超声波测距传感器，106-电源模块，107-通信模块。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的解释和说明。需要特别指出的是，所述实施例仅仅是一部分优选实施例，不是全部实施例，不能作为对本发明的任何限制。本发明的保护范围由权利要求书及其等同物确定。

请参阅图2-4，履带式专用农业采摘机器人，主要包括两个通过旋转底座和车身上部的导轨相连的采摘臂100，以及每个通过舵机与采摘臂相连的采摘头101，还包括计算机视觉子系统102的相机组件，它通过螺栓固定在所述采摘头101上，质量控制子系统103通过螺栓与车身固定连接，还包括焊接固定在车身上部的存储子系统104。所述采摘臂100中部固定有传感器模块104，分为主动红外传感器1041和超声波测距传感器1042，两套传感器为上下分布，为可拆卸设置，其中主动红外传感器1041可通过主动发射红外线来完成测距功能，超声波测距传感器1042通过发射超声波确定果树的实际距离，实际测量时对两者的测量结果求交集，得出较为精确的果树或者农作物与采摘臂之间的距离；车身中部还安装有电源模块105和通讯模块106，所述电源模块105由主副两套锂电池组组成，主电池组为履带车提供电源，副电池组专门为计算机视觉子系统102和传感器模块104供电；通讯模块106能够与果园或者菜地上方的无人机以及后方的控制室的主机通信，能够实时传输遥控室传达的指令，电源模块外有便于更换电池组的拉手(图中未示出)。

履带式专用农业采摘机器人采摘农作物的方法，包括以下步骤：

(1)通过计算机视觉子系统102进行图片的收集与测绘；

(2)将收集来的图片和位置坐标通过软件计算，传输给质量控制子系统103；

(3)利用质量控制子系统103对农产品进行分级分类；

(4)再由开放性计算机系统控制采摘臂100发生采摘动作；

(5)最后将农产品运送到存储子系统104，至此一个完整的工作流程结束。

实施例1：工作时，由计算机视觉子系统102进行图片的收集与测绘，通过软件计算，传输给质量控制子系统103对农产品进行分级分类。再由开放性计算机系统控制采摘臂100发生采摘动作，将农产品运送到存储子系统104，至此一个完整的工作流程结束。

实施例2：工作时，质量控制子系统103通过计算机视觉组件生成质量度量，包括一些摄像机、灯和软件进行图像捕获和分析。而摄像机的布置是为了获得所在位置时的整个画面。例如，采摘草莓时，草莓的茎是垂直向下的，一个相机定位在农产品下面向上看，更多的相机定位在一个垂直轴向内看。以便能够显示农产品所有的视图，方便对农产品进行下一步的操作。

需要说明的是，本领域的普通技术人员在本发明的精神指导下，还可以对本发明进行变形或变式而得到其他实施例，上述实施例均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.履带式专用农业采摘机器人，包括车身和安装在车身下部的履带车，其特征在于：车身上部安装有两个通过旋转底座和车身上部的导轨相连的采摘臂(100)，以及每个通过舵机与采摘臂(100)相连的采摘头(101)，采摘臂(100)上通过螺栓固定有计算机视觉子系统(102)的相机组件，质量控制子系统(103)则与车身固定连接，在车身上端两侧还焊接固定在车身上部的存储子系统(104)；所述采摘臂(100)中部安装有传感器模块(105)，分为主动红外传感器(1051)和超声波测距传感器(1052)，两套传感器为上下分布，均为可拆卸设置，其中红外传感器(1051)可通过主动发射红外线完成测距工作，超声波测距传感器(1052)通过发射超声波确定果树的实际距离，两者的测量结果取交集即得最终测量结果；

车身中部安装有一个装载电源模块(106)和通讯模块(107)的箱体，所述电源模块(106)由主副两套锂电池组组成，主电池组为履带车供电，副电池组专门为计算机视觉子系统(102)和传感器模块(105)供电；通讯模块(107)能够与采摘场地上方的无人机以及后方控制室的工控机通信，能够实时传输控制室传达的指令，电源模块外有便于更换电池组的拉手。

2.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：所述质量控制子系统(103)利用计算机视觉子系统(102)生成质量度量，包括一组摄像机、灯组和软件进行图像捕获和分析；利用上述图像，让软件分析并测量农产品的三维形状，检测四种所采摘农作物的常见缺陷；所述质量控制子系统(103)可以通过调整生成模型的参数来恢复三维几何，以最大限度地提高模型与图像数据之间的一致性。

3.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：所述计算机视觉子系统(102)的相机组件的设置是为了获得待采摘农产品所在位置的整个画面。

4.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：所述计算机视觉子系统(102)的相机组件通过螺栓与采摘臂(101)固定连接；所述质量控制子系统(103)通过螺栓与车身相连接。

5.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：在所述车身的前部和后部可以安装两套倒车雷达，通过雷达影像达到实时避让障碍物的作用。

6.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：所述超声波测距传感器(1052)可以由微型激光测距仪替代，其安装位置为质量控制子系统(103)对侧的车身上部。

7.根据权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人，其特征在于：所述存储子系统(104)的外边缘有10厘米高的突起，能够在车身与水平面夹角小于等于20度的颠簸环境下，保证其所收纳的农产品不会掉落。

8.应用如权利要求1所述的履带式专用农业采摘机器人采摘农作物的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)由计算机视觉子系统(102)进行图片的收集与测绘；

(2)将收集来的图片和位置坐标通过软件计算，传输给质量控制子系统(103)；

(3)质量控制子系统(103)对农产品进行分级分类；

(4)再由开放性计算机系统控制采摘臂(100)发生采摘动作；

(5)最后将农产品运送到存储子系统(104)，至此一个完整的工作流程结束。

9.根据权利要求8所述的采摘农作物的方法，其特征在于：所述步骤(4)的开放性计算机系统由PC机+数据采集卡的形式组成，所述PC机能够随时更新应用程序。

Images