CN113843810A - 基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法，包括采摘装置、收集装置、行驶装置、控制台和伸缩软管，采摘装置包括机械臂底座、底座旋转电机、机械臂装置、末端执行器、内部视觉传感器、大型水果剪切装置、中小型水果夹具和外部视觉传感器，末端执行器通过伸缩软管连接收集装置，采摘机器人通过控制台控制采摘装置、行驶装置和收集装置工作，以完成水果采摘作业。本发明可以实现苹果、梨、橙子、柠檬、柚子、榴莲、猕猴桃、葡萄等生长分布较稀疏的类球形水果的高效采摘，极大提高采摘机器人性价比，降低水果采摘成本，且极大地提高采摘水果质量。

Description

基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法
技术领域
本发明主要涉及采摘机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法。
背景技术
随着计算机技术、人工智能技术和自动控制技术的发展，采摘机器人逐渐普及。市面上已经应用了多种采摘机器人，如苹果采摘机器人、梨子采摘机器人、猕猴桃采摘机器人等。随着社会的快速发展，人们的生活水平不断提高。水果生产逐渐规模化，水果采摘智能化程度越来越高，人们对水果的质量要求日益提高，水果商对水果采摘时的要求也日益提高，如苹果、梨子等水果要求保留果柄等。并且常见水果的采摘方式也不尽不同。
现在市场上还未普及一种可以满足不同采摘方式和不同采摘要求的水果采摘机器人。多数采摘机器人存在采摘水果单一、采摘损耗大、采摘效率低、机器人性价比低等问题，如大多数苹果、梨子采摘机器人采摘时以不保留果柄来提高采摘速度，极大降低了苹果、梨子质量和储存时间，并且在农业生产中，常常不会种植单一水果，而不同水果对应不同水果采摘机器人极大的增加了农业生产的成本。因此研究开发一种可以满足不同采摘方式和不同采摘要求的类球形水果采摘机器人具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法，可解决现有技术中采摘机器人存在采摘水果单一、采摘损耗大、采摘效率低、机器人性价比低和水果在传输至收集箱时因为高度产生损坏的缺陷。
本发明的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，包括采摘装置、收集装置、行驶装置和控制台，所述收集装置和控制台均安装于行驶装置上，所述采摘装置安装于控制台/或行驶装置上，其中：
所述采摘装置包括机械臂底座、底座旋转电机、机械臂装置、末端执行器、内部视觉传感器、大型水果剪切装置、中小型水果夹具和外部视觉传感器；所述机械臂底座固定于控制台/或行驶装置上，所述机械臂底座通过底座旋转电机与机械臂装置的一端旋转连接；所述机械臂装置的另一端通过末端旋转电机与末端执行器旋转连接；所述末端执行器设有用于收集水果的空心结构，所述空心结构内部设有内部视觉传感器，所述末端执行器上设有外部视觉传感器，所述大型水果剪切装置和中小型水果夹具均安装于末端执行器上；
所述收集装置包括收集箱、升降板、升降装置和升降板压力传感器；所述收集箱固定于行驶装置上，所述升降板和升降装置均安装于收集箱内，所述升降装置驱动升降板在收集箱内升降，所述升降板压力传感器设置于升降板的底部，所述收集箱通过伸缩软管与所述末端执行器连通；
所述控制台分别与内部视觉传感器、外部视觉传感器、升降板压力传感器、底座旋转电机、末端旋转电机、升降装置和行驶装置连接，采摘机器人通过所述控制台控制所述采摘装置、行驶装置和收集装置工作，以完成水果采摘作业。
进一步地，所述机械臂装置包括所述第一机械臂、第一旋转电机、第二机械臂、第二旋转电机和第三机械臂，所述第一机械臂的下端通过底座旋转电机与机械臂底座旋转连接，其上端通过第一旋转电机与第二机械臂旋转连接；所述第二机械臂通过第二旋转电机与第三机械臂旋转连接；所述第三机械臂通过末端旋转电机与末端执行器旋转连接；所述第一旋转电机和第二旋转电机均与所述控制台连接。
进一步地，所述大型水果剪切装置包括剪切装置旋转电机、剪切长连杆、剪切短连杆、第一活塞销、左刀具和右刀具：所述剪切装置旋转电机与剪切长连杆中端旋转连接；所述剪切短连杆数量为两个，所述剪切长连杆设置于两个剪切短连杆之间，其两端通过第一活塞销分别与两个剪切短连杆的一端销连接；所述左刀具上设有第一滑块，所述第一滑块与其中之一剪切短连杆的另一端销连接，所述左刀具通过第一滑块与末端执行器平动连接；所述右刀具上设有第二滑块，所述右刀具与其中之二剪切短连杆的另一端销连接，所述右刀具通过第二滑块与末端执行器平动连接，所述剪切装置旋转电机与所述控制台连接。
进一步地，所述中小型水果夹具包括第一夹具旋转电机、第一夹具机械臂、第二夹具旋转电机、第二夹具机械臂、夹具短连杆、夹具长连杆、第二活塞销、右夹具、左夹具和手爪旋转电机：所述第一夹具机械臂通过第一夹具旋转电机与末端执行器旋转连接，所述第一夹具机械臂通过第二夹具旋转电机与第二夹具机械臂旋转连接；所述第二夹具机械臂通过手爪旋转电机与夹具长连杆中端旋转连接；所述夹具短连杆数量为两个，所述夹具长连杆设置于两个夹具短连杆之间，其两端通过第二活塞销分别与两个夹具短连杆一端销连接；所述左夹具上设有第三滑块，所述第三滑块与其中之一夹具短连杆的另一端销连接，所述左夹具通过第三滑块与第二夹具机械臂平动连接；所述右夹具上设有第四滑块，所述第四滑块与其中之二夹具短连杆的另一端销连接，所述右夹具通过第四滑块与第二夹具机械臂平动连接，所述第一夹具旋转电机、第二夹具旋转电机和手爪旋转电机分别与所述控制台连接。
进一步地，所述中小型水果夹具还包括上端刀具旋转电机、上端刀具、左端刀具旋转电机、左端刀具和夹具压力传感器，所述左夹具左侧设有供左端刀具放置的第一凹槽，左端刀具通过左端刀具旋转电机与左夹具的第一凹槽旋转连接，所述左夹具通过上端刀具旋转电机与上端刀具旋转连接，所述左夹具的右侧设有夹具压力传感器，所述夹具压力传感器、上端刀具旋转电机和左端刀具旋转电机分别与控制台连接。
进一步地，所述末端执行器上设有用于安装大型水果剪切装置的第二凹槽，所述第二凹槽上方设有保护挡板，所述保护挡板上设有用于中小型水果夹具旋转连接的底座，所述第一夹具机械臂通过第一夹具旋转电机与保护挡板上的底座旋转连接，所述第二夹具机械臂上设有用于右夹具和左夹具平动的第一导轨，所述末端执行器上设有用于左刀具和右刀具平动的第二导轨。
进一步地，所述升降装置包括两个第一升降装置和两个第二升降装置，两个所述第一升降装置安装于收集箱内的底部的一端，两个所述第二升降装置安装于收集箱内的底部的另一端，第一升降装置和第二升降装置分别与控制台连接。
进一步地，所述行驶装置包括右前车轮、右后车轮、左前车轮、左后车轮、右前驱动电机、右后驱动电机、左前驱动电机、左后驱动电机和底盘：所述右前驱动电机固定于底盘内部，所述右前车轮与右前驱动电机连接；所述右后驱动电机固定于底盘内部，所述右后车轮与右后驱动电机旋转连接；所述左前驱动电机固定于底盘内部，所述左前车轮与左前驱动电机旋转连接；所述左后驱动电机固定于底盘内部，所述左后车轮与左后驱动电机旋转连接，所述右前驱动电机、右后驱动电机、左前驱动电机和左后驱动电机分别与控制台连接。
进一步地，所述采摘机器人还包括导航系统和供电箱，所述供电箱固定于控制台内部，所述导航系统与控制台连接。
本发明的另一个方面，还提供一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人的水果采摘方法，所述方法利用其上所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人进行水果采摘，包括以下步骤：
步骤(1)、所述采摘装置和收集装置复位到初始位置，所述控制台等待人工输入水果类别指令，所述控制台根据人工输入水果类别指令，将水果分为大型类球形水果、带果柄的中型类球形水果、不带果柄的中型类球形水果和带枝条的小型类球形水果，所述控制台根据水果分类的不同，执行不同的采摘动作；
步骤(2)、所述控制台接收到启动指令，控制底座旋转电机和末端旋转电机将所述外部视觉传感器的镜头朝向采摘机器人前端，所述控制台根据预设路径，控制行驶装置行驶前进，到达目的地附近，所述外部视觉传感器捕捉和识别果树位置信息，控制采摘机器人到达果树合适采摘位置；
步骤(3)、所述控制台控制底座旋转电机和末端旋转电机将所述外部视觉传感器镜头朝向果树，所述外部视觉传感器采集图像，并传送图像至所述控制台处理，所述控制台完成对水果成熟度检测和定位；
步骤(4)、采摘水果及处理，具体包括：
当所述控制台处理的水果分类结果为大型类球形水果，所述控制台控制底座旋转电机和末端旋转电机，驱动机械臂装置，将水果由下至上套入末端执行器的空心结构，所述内部视觉传感器采集图像，并发送至所述控制台，所述控制台识别到果柄位置信号，驱动所述末端执行器到达指定位置，控制剪切装置旋转电机驱动左刀具和右刀具动作，完成平动剪切，剪切后水果通过所述伸缩软管输送至所述收集箱底部；
当所述控制台处理的水果分类结果为带果柄的中型类球形水果，所述外部视觉传感器采集图像，所述控制台识别水果枝条位置，所述控制台驱动所述中小型水果夹具，将水果果柄卡入所述左夹具的第一凹槽中，所述控制台根据所述夹具压力传感器所测得的压力值调节所述手爪旋转电机的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台控制所述左端刀具旋转电机驱动所述左端刀具切割果柄，所述控制台驱动中小型水果夹具将水果放入所述末端执行器的空心结构中，水果通过所述伸缩软管输送至所述收集箱底部；
当所述控制台处理的水果分类结果为不带果柄的中型类球形水果，所述控制台驱动所述中小型水果夹具将水果竖直夹起，所述控制台根据所述夹具压力传感器所测得的压力值调节所述手爪旋转电机的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台驱动所述中小型水果夹具将水果放入所述末端执行器的空心结构中，水果通过所述伸缩软管输送至所述收集箱底部；
当所述控制台处理的水果分类结果为带枝条的小型类球形水果，所述外部视觉传感器采集图像，所述控制台识别水果枝条位置，所述控制台驱动所述中小型水果夹具，将水果枝条垂直夹起，所述控制台根据所述夹具压力传感器所测得的压力值调节所述手爪旋转电机的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台控制所述上端刀具旋转电机驱动所述上端刀具切割果柄，所述控制台驱动所述中小型水果夹具将水果放入所述收集箱底部；
步骤(5)、所述控制台根据所述升降板底部设置的所述升降板压力传感器的压力数值，调节所述升降装置的伸缩高度，当压力数值到达所设定的阈值或果园水果已采摘完毕时时，所述控制台控制采摘机器人停止采摘，并到达卸货点卸货，否则所述控制台根据外部视觉传感器采集的图像确定采摘点是否还有需采摘水果，若有继续采摘，若无则控制行驶装置行驶至下一个采摘点。
本发明的有益效果为：本发明提供一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人及其水果采摘方法，其上设置有采摘装置、收集装置、行驶装置和控制台，通过采摘装置可以实现苹果、梨、橙子、柠檬、柚子、榴莲、猕猴桃、葡萄等生长分布较稀疏的类球形水果的智能高效采摘，极大提高采摘机器人性价比，降低水果采摘成本，并且可根据收集水果的重量而升降的收集装置，防止了水果在传送到收集箱时因为高度差而造成的果实损坏，极大提高采摘水果质量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明所述一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人的结构示意图。
图2是本发明所述末端执行器的一状态结构示意图
图3是本发明所述末端执行器的另一状态结构示意图。
图4是本发明所述大型水果剪切装置的结构示意图。
图5是本发明所述中小型水果夹具夹水果的结构示意图。
图6是本发明所述中小型水果夹具夹葡萄的结构示意图。
图7是本发明所述收集装置的结构示意图。
图8是本发明所述行驶装置的结构示意图。
图9是本发明所述一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人采摘果实的流程图。
附图标记说明：
1、车轮；2、底盘；3、控制台；4、机械臂底座；5、螺栓；6、底座旋转电机；7、第一机械臂；8、第一旋转电机；9、第二机械臂；10、第二旋转电机；11、第三机械臂；12、末端旋转电机；13、末端执行器；14、内部视觉传感器；15、大型水果剪切装置；16、中小型水果夹具；17、保护挡板；18、外部视觉传感器；19、伸缩软管；20、收集箱；21、升降板；22、柚子；23、第一升降装置；24、升降板压力传感器；25、第二升降装置；26、卸货板；27、苹果；28、葡萄；29、猕猴桃；30、夹具压力传感器；31、右前车轮；32、右后车轮；33、左前车轮；34、左后车轮；111、右前车轮；121、右后车轮；131、左前车轮；141、左后车轮；151、剪切装置旋转电机；152、剪切长连杆；153、剪切短连杆；154、第一活塞销；155、左刀具；156、右刀具；161、第一夹具旋转电机；162、第一夹具机械臂；163、第二夹具旋转电机；164、第二夹具机械臂；165、夹具短连杆；166、夹具长连杆；167、第二活塞销；168、右夹具；169、左夹具；1610、上端刀具旋转电机；1611、上端刀具；1612、左端刀具旋转电机；1613、左端刀具；1614、手爪旋转电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中大型类球形水果包括柚子、榴莲，带果柄的中型类球形水果包括橙子、柠檬、苹果、梨子，不带果柄的中型类球形水果包括猕猴桃，带枝条的小型类球形水果包括葡萄。
如图1-8所示，一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，包括采摘装置、收集装置、行驶装置、控制台3、导航系统和供电箱，收集装置和控制台3均安装于行驶装置上，采摘装置安装于控制台3上，供电箱固定于控制台3内部，导航系统、采摘装置、收集装置、行驶装置分别与控制台3连接，需要说明的是，采摘装置也可安装于行驶装置，具体地：
上述实施例中采摘装置包括机械臂底座4、底座旋转电机6、机械臂装置、末端执行器13、内部视觉传感器14、大型水果剪切装置15、中小型水果夹具16和外部视觉传感器18；机械臂底座4通过螺栓5固定于控制台3上，机械臂底座4通过底座旋转电机6与机械臂装置的一端旋转连接；机械臂装置的另一端通过末端旋转电机12与末端执行器13旋转连接；末端执行器13设有用于收集水果的空心结构，空心结构内部设有用于采集图像的内部视觉传感器14，末端执行器13上设有用于采集图像的外部视觉传感器18，大型水果剪切装置15和中小型水果夹具16均安装于末端执行器13上；末端执行器13上设有用于安装大型水果剪切装置15的第二凹槽，该第二凹槽上方设有保护挡板17，末端执行器13上设有用于大型水果剪切装置15平动的第二导轨，该保护挡板17上设有用于中小型水果夹具16旋转连接的底座，图3显示的即为处理猕猴桃29的结构图。优选地，前述机械臂装置包括所述第一机械臂7、第一旋转电机8、第二机械臂9、第二旋转电机10和第三机械臂11，第一机械臂7的下端通过底座旋转电机6与机械臂底座4旋转连接，其上端通过第一旋转电机8与第二机械臂9旋转连接；第二机械臂9通过第二旋转电机10与第三机械臂11旋转连接；第三机械臂11通过末端旋转电机12与末端执行器13旋转连接；第一旋转电机8和第二旋转电机10均与所述控制台3连接。需要说明的是，上述机械臂装置上机械臂的数量并不仅限于三根(即第一机械臂7、第二机械臂9和第三机械臂11)，其还可以有四根、五根或更多根，相邻的两机械臂间均设置有旋转电机。
同时，如图4所示，大型水果剪切装置15包括剪切装置旋转电机151、剪切长连杆152、剪切短连杆153、第一活塞销154、左刀具155和右刀具156：剪切装置旋转电机151与剪切长连杆152中端旋转连接；剪切短连杆153数量为两个，剪切长连杆152设置于两个剪切短连杆153之间，其两端通过第一活塞销154分别与两个剪切短连杆153的一端销连接；左刀具155上设有第一滑块，第一滑块与其中之一剪切短连杆153的另一端销连接，所述左刀具155通过第一滑块与末端执行器13平动连接；右刀具156上设有第二滑块，右刀具156与其中之二剪切短连杆153的另一端销连接，所述右刀具156通过第二滑块与末端执行器13平动连接，剪切装置旋转电机151与控制台3连接。需要说明的是，所述末端执行器13上设有第二导轨用于左刀具155和右刀具156的平动。
进一步地，参见图2、图5和图6，中小型水果夹具16包括第一夹具旋转电机161、第一夹具机械臂162、第二夹具旋转电机163、第二夹具机械臂164、夹具短连杆165、夹具长连杆166、第二活塞销167、右夹具168、左夹具169、手爪旋转电机1614、上端刀具旋转电机1610、上端刀具1611、左端刀具旋转电机1612、左端刀具1613和夹具压力传感器30，其中：第一夹具机械臂162通过第一夹具旋转电机161与末端执行器13旋转连接，第一夹具机械臂162通过第二夹具旋转电机163与第二夹具机械臂164旋转连接；第二夹具机械臂164通过手爪旋转电机1614与夹具长连杆166中端旋转连接；夹具短连杆165数量为两个，夹具长连杆166设置于两个夹具短连杆165之间，其两端通过第二活塞销167分别与两个夹具短连杆165一端销连接；左夹具169上设有第三滑块，第三滑块与其中之一夹具短连杆165的另一端销连接，左夹具169通过第三滑块与第二夹具机械臂164平动连接；右夹具168上设有第四滑块，第四滑块与其中之二夹具短连杆165的另一端销连接，右夹具168通过第四滑块与第二夹具机械臂164平动连接；左夹具169左侧设有供左端刀具1613放置的第一凹槽，左端刀具1613通过左端刀具旋转电机1612与左夹具169的第一凹槽旋转连接，左夹具169通过上端刀具旋转电机1610与上端刀具1611旋转连接，左夹具169的右侧设有夹具压力传感器30，夹具压力传感器30、上端刀具旋转电机1610和左端刀具旋转电机1612、第一夹具旋转电机161、第二夹具旋转电机163和手爪旋转电机1614分别与控制台3连接。具体地，上述第一夹具机械臂162通过第一夹具旋转电机161与保护挡板17上的底座旋转连接，第二夹具机械臂164上设有用于右夹具168和左夹具169平动的第一导轨。图2显示的即为处理苹果27的结构图。图6显示的即为处理葡萄28的结构图。
参见图7，收集装置包括收集箱20、升降板21、升降装置和升降板压力传感器24；收集箱20固定于行驶装置上，升降板21和升降装置均安装于收集箱20内，升降装置驱动升降板21在收集箱20内升降，升降板压力传感器24设置于升降板21的底部，收集箱20通过伸缩软管19与所述末端执行器13连通，优选地，升降装置包括两个第一升降装置23和两个第二升降装置25，两个第一升降装置23安装于收集箱20内的底部的一端，两个第二升降装置25安装于收集箱20内的底部的另一端，第一升降装置23和第二升降装置25分别与控制台3连接，且收集箱20上设有供伸缩软管19连接的圆孔，在本实施例中，伸缩软管19上端与末端执行器13连接，其下端与收集箱20的圆孔连接，图1中即显示柚子22从伸缩软管19输送至收集箱20。应当清楚，第一升降装置23和第二升降装置25也可以均为四个，当然，第一升降装置23和第二升降装置25的数量还可以有其他更多可能，均可以实现本发明的技术效果。需要说明的是，该收集箱20上设置有卸货板26，所述卸货板26与收集箱20通过铰链连接，收集箱20收集的水果即通过卸货板26卸载。在本实施例中，升降板21可为Z型板或凹型板。
如图8所示，行驶装置包括车轮1和底盘2，具体地，车轮1包括右前车轮111、右后车轮121、左前车轮131、左后车轮141、右前驱动电机31、右后驱动电机32、左前驱动电机33、左后驱动电机34；右前驱动电机31固定于底盘2内部，右前车轮111通过右前驱动电机31旋转连接；右后驱动电机32固定于底盘2内部，右后车轮121通过右后驱动电机32旋转连接；左前驱动电机33固定于底盘2内部，所述左前车轮131通过左前驱动电机33旋转连接；左后驱动电机34固定于底盘2内部，所述左后车轮141通过左后驱动电机34旋转连接，右前驱动电机31、右后驱动电机32、左前驱动电机33和左后驱动电机34分别与控制台3连接；具体地，右前驱动电机31、右后驱动电机32、左前驱动电机33、左后驱动电机34分别位于底盘2内的右前方、右后方、左前方和左后方。
即上述控制台3分别与内部视觉传感器14、外部视觉传感器18、升降板压力传感器24、底座旋转电机6、末端旋转电机12、升降装置和行驶装置连接，采摘机器人通过所述控制台3控制所述采摘装置、行驶装置和收集装置工作，以完成水果采摘作业。
此外，值得提及的是，在本实施例中，第一导轨和第二导轨可为平导轨、圆柱型导轨、燕尾导轨或V型导轨。
本发明的另一个方面，参见图9，还提供一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人进行水果采摘的方法，所述方法利用的是其上所述的采摘机器人，包括以下步骤：
步骤(1)、所述采摘装置和收集装置复位到初始位置，所述控制台3等待人工输入水果类别指令，所述控制台3根据人工输入水果类别指令，将水果分为大型类球形水果、带果柄的中型类球形水果、不带果柄的中型类球形水果和带枝条的小型类球形水果，所述控制台3根据水果分类的不同，执行不同的采摘动作；
步骤(2)、所述控制台3接收到启动指令，控制底座旋转电机6和末端旋转电机12将所述外部视觉传感器18的镜头朝向采摘机器人前端，所述控制台3根据预设路径，控制行驶装置行驶前进，到达目的地附近，所述外部视觉传感器18捕捉和识别果树位置信息，控制采摘机器人到达果树合适采摘位置；
步骤(3)、所述控制台3控制底座旋转电机6和末端旋转电机12将所述外部视觉传感器18镜头朝向果树，所述外部视觉传感器18采集图像，并传送图像至所述控制台3处理，所述控制台3完成对水果成熟度检测和定位；
步骤(4)、采摘水果及处理，具体包括：
当所述控制台3处理的水果分类结果为大型类球形水果，所述控制台3控制底座旋转电机6和末端旋转电机12，驱动机械臂装置，将水果由下至上套入末端执行器13的空心结构，所述内部视觉传感器14采集图像，并发送至所述控制台3，所述控制台3识别到果柄位置信号，驱动所述末端执行器13到达指定位置，控制剪切装置旋转电机151驱动左刀具155和右刀具156动作，完成平动剪切，剪切后水果通过所述伸缩软管19输送至所述收集箱20底部；
当所述控制台3处理的水果分类结果为带果柄的中型类球形水果，所述外部视觉传感器18采集图像，所述控制台3识别水果枝条位置，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16，将水果果柄卡入所述左夹具169的第一凹槽中，所述控制台3根据所述夹具压力传感器30所测得的压力值调节所述手爪旋转电机1614的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台3控制所述左端刀具旋转电机1612驱动所述左端刀具1613切割果柄，所述控制台3驱动中小型水果夹具16将水果放入所述末端执行器13的空心结构中，水果通过所述伸缩软管19输送至所述收集箱20底部；
需要说明的是，所述控制台3识别水果枝条位置，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16，将水果果柄卡入所述左夹具169的第一凹槽中，具体表现为：所述控制台3实时识别水果和水果枝条位置，所述控制台3根据水果和水果枝条位置信息，给予各个旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12)旋转角度和旋转速度，分别驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13靠近水果，当中小型夹具16到达水果附近时，控制器3给予各旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12、第一夹具旋转电机161、第二夹具旋转电机163)分别旋转角度并减缓旋转速度，驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13、第一夹具机械臂162、第二夹具机械臂164靠近水果，直至水果果柄卡入所述左夹具169的第一凹槽中。
当所述控制台3处理的水果分类结果为不带果柄的中型类球形水果，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16将水果竖直夹起，所述控制台3根据所述夹具压力传感器30所测得的压力值调节所述手爪旋转电机1614的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16将水果放入所述末端执行器13的空心结构中，水果通过所述伸缩软管19输送至所述收集箱20底部；
需要说明的是，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16将水果竖直夹起，具体表现为：所述外部视觉传感器18采集图像，所述控制台3实时识别水果位置，所述控制台3根据水果位置信息，给予各个旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12)旋转角度和旋转速度，分别驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13靠近水果，当中小型夹具16到达水果附近时，控制器3给予各旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12、第一夹具旋转电机161、第二夹具旋转电机163)旋转角度并减缓旋转速度，分别驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13、第一夹具机械臂162、第二夹具机械臂164靠近水果，直至到达右夹具168、左夹具169可将水果竖直夹起的所需位置。
当所述控制台3处理的水果分类结果为带枝条的小型类球形水果，所述外部视觉传感器18采集图像，所述控制台3识别水果枝条位置，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16，将水果枝条垂直夹起，所述控制台3根据所述夹具压力传感器30所测得的压力值调节所述手爪旋转电机1614的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台3控制所述上端刀具旋转电机1610驱动所述上端刀具1611切割果柄，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16将水果放入所述收集箱20底部；
需要说明的是，所述控制台3驱动所述中小型水果夹具16，具体表现为：所述控制台3实时识别水果和水果枝条位置，所述控制台3根据水果和水果枝条位置信息，给予各个旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12)旋转角度和旋转速度，分别驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13靠近水果，当中小型夹具16到达水果附近时，控制器3给予各旋转电机(即底座旋转电机6、第一旋转电机8、第二旋转电机10、末端旋转电机12、第一夹具旋转电机161、第二夹具旋转电机163)旋转角度并减缓旋转速度，分别驱动第一机械臂7、第二机械臂9、第三机械臂11、末端执行器13、第一夹具机械臂162、第二夹具机械臂164靠近水果，直至到达右夹具168、左夹具169可将水果果柄垂直夹起的所需位置。
步骤(5)、所述控制台3根据所述升降板21底部设置的所述升降板压力传感器24的压力数值，调节所述升降装置的伸缩高度，当压力数值到达所设定的阈值或果园水果已采摘完毕时时，所述控制台3控制采摘机器人停止采摘，并到达卸货点卸货，否则所述控制台3根据外部视觉传感器18采集的图像确定采摘点是否还有需采摘水果，若有继续采摘，若无则控制行驶装置行驶至下一个采摘点。
总之，本发明通过上述设置，克服了现有技术中采摘机器人存在采摘水果单一、采摘损耗大、采摘效率低、机器人性价比低和水果在传输至收集箱时因为高度产生损坏的技术问题，可以实现苹果、梨、橙子、柠檬、柚子、榴莲、猕猴桃、葡萄等生长分布较稀疏的类球形水果的高效采摘，极大提高采摘机器人性价比，降低水果采摘成本，并且设计了可根据收集水果的重量而升降的收集装置，防止了水果在传送到收集箱时因为高度差而造成的果实损坏，极大提高采摘水果质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，包括采摘装置、收集装置、行驶装置和控制台(3)，所述收集装置和控制台(3)均安装于行驶装置上，所述采摘装置安装于控制台(3)/或行驶装置上，其中：
所述采摘装置包括机械臂底座(4)、底座旋转电机(6)、机械臂装置、末端执行器(13)、内部视觉传感器(14)、大型水果剪切装置(15)、中小型水果夹具(16)和外部视觉传感器(18)；所述机械臂底座(4)固定于控制台(3)/或行驶装置上，所述机械臂底座(4)通过底座旋转电机(6)与机械臂装置的一端旋转连接；所述机械臂装置的另一端通过末端旋转电机(12)与末端执行器(13)旋转连接；所述末端执行器(13)设有用于收集水果的空心结构，所述空心结构内部设有内部视觉传感器(14)，所述末端执行器(13)上设有外部视觉传感器(18)，所述大型水果剪切装置(15)和中小型水果夹具(16)均安装于末端执行器(13)上；
所述收集装置包括收集箱(20)、升降板(21)、升降装置和升降板压力传感器(24)；所述收集箱(20)固定于行驶装置上，所述升降板(21)和升降装置均安装于收集箱(20)内，所述升降装置驱动升降板(21)在收集箱(20)内升降，所述升降板压力传感器(24)设置于升降板(21)的底部，所述收集箱(20)通过伸缩软管(19)与所述末端执行器(13)连通；
所述控制台(3)分别与内部视觉传感器(14)、外部视觉传感器(18)、升降板压力传感器(24)、底座旋转电机(6)、末端旋转电机(12)、升降装置和行驶装置连接，采摘机器人通过所述控制台(3)控制所述采摘装置、行驶装置和收集装置工作，以完成水果采摘作业。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述机械臂装置包括所述第一机械臂(7)、第一旋转电机(8)、第二机械臂(9)、第二旋转电机(10)和第三机械臂(11)，所述第一机械臂(7)的下端通过底座旋转电机(6)与机械臂底座(4)旋转连接，其上端通过第一旋转电机(8)与第二机械臂(9)旋转连接；所述第二机械臂(9)通过第二旋转电机(10)与第三机械臂(11)旋转连接；所述第三机械臂(11)通过末端旋转电机(12)与末端执行器(13)旋转连接；所述第一旋转电机(8)和第二旋转电机(10)均与所述控制台(3)连接。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述大型水果剪切装置(15)包括剪切装置旋转电机(151)、剪切长连杆(152)、剪切短连杆(153)、第一活塞销(154)、左刀具(155)和右刀具(156)：所述剪切装置旋转电机(151)与剪切长连杆(152)中端旋转连接；所述剪切短连杆(153)数量为两个，所述剪切长连杆(152)设置于两个剪切短连杆(153)之间，其两端通过第一活塞销(154)分别与两个剪切短连杆(153)的一端销连接；所述左刀具(155)上设有第一滑块，所述第一滑块与其中之一剪切短连杆(153)的另一端销连接，所述左刀具(155)通过第一滑块与末端执行器(13)平动连接；所述右刀具(156)上设有第二滑块，所述右刀具(156)与其中之二剪切短连杆(153)的另一端销连接，所述右刀具(156)通过第二滑块与末端执行器(13)平动连接，所述剪切装置旋转电机(151)与所述控制台(3)连接。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述中小型水果夹具(16)包括第一夹具旋转电机(161)、第一夹具机械臂(162)、第二夹具旋转电机(163)、第二夹具机械臂(164)、夹具短连杆(165)、夹具长连杆(166)、第二活塞销(167)、右夹具(168)、左夹具(169)和手爪旋转电机(1614)：所述第一夹具机械臂(162)通过第一夹具旋转电机(161)与末端执行器(13)旋转连接，所述第一夹具机械臂(162)通过第二夹具旋转电机(163)与第二夹具机械臂(164)旋转连接；所述第二夹具机械臂(164)通过手爪旋转电机(1614)与夹具长连杆(166)中端旋转连接；所述夹具短连杆(165)数量为两个，所述夹具长连杆(166)设置于两个夹具短连杆(165)之间，其两端通过第二活塞销(167)分别与两个夹具短连杆(165)一端销连接；所述左夹具(169)上设有第三滑块，所述第三滑块与其中之一夹具短连杆(165)的另一端销连接，所述左夹具(169)通过第三滑块与第二夹具机械臂(164)平动连接；所述右夹具(168)上设有第四滑块，所述第四滑块与其中之二夹具短连杆(165)的另一端销连接，所述右夹具(168)通过第四滑块与第二夹具机械臂(164)平动连接，所述第一夹具旋转电机(161)、第二夹具旋转电机(163)和手爪旋转电机(1614)分别与所述控制台(3)连接。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述中小型水果夹具(16)还包括上端刀具旋转电机(1610)、上端刀具(1611)、左端刀具旋转电机(1612)、左端刀具(1613)和夹具压力传感器(30)，所述左夹具(169)左侧设有供左端刀具(1613)放置的第一凹槽，左端刀具(1613)通过左端刀具旋转电机(1612)与左夹具(169)的第一凹槽旋转连接，所述左夹具(169)通过上端刀具旋转电机(1610)与上端刀具(1611)旋转连接，所述左夹具(169)的右侧设有夹具压力传感器(30)，所述夹具压力传感器(30)、上端刀具旋转电机(1610)和左端刀具旋转电机(1612)分别与控制台(3)连接。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述末端执行器(13)上设有用于安装大型水果剪切装置(15)的第二凹槽，所述第二凹槽上方设有保护挡板(17)，所述保护挡板(17)上设有用于中小型水果夹具(16)旋转连接的底座，所述第一夹具机械臂(162)通过第一夹具旋转电机(161)与保护挡板(17)上的底座旋转连接，所述第二夹具机械臂(164)上设有用于右夹具(168)和左夹具(169)平动的第一导轨，所述末端执行器(13)上设有用于左刀具(155)和右刀具(156)平动的第二导轨。
7.根据权利要求6所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述升降装置包括两个第一升降装置(23)和两个第二升降装置(25)，两个所述第一升降装置(23)安装于收集箱(20)内的底部的一端，两个所述第二升降装置(25)安装于收集箱(20)内的底部的另一端，第一升降装置(23)和第二升降装置(25)分别与控制台(3)连接。
8.根据权利要求6所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，所述行驶装置包括右前车轮(111)、右后车轮(121)、左前车轮(131)、左后车轮(141)、右前驱动电机(31)、右后驱动电机(32)、左前驱动电机(33)、左后驱动电机(34)和底盘(2)：所述右前驱动电机(31)固定于底盘(2)内部，所述右前车轮(111)与右前驱动电机(31)连接；所述右后驱动电机(32)固定于底盘(2)内部，所述右后车轮(121)与右后驱动电机(32)旋转连接；所述左前驱动电机(33)固定于底盘(2)内部，所述左前车轮(131)与左前驱动电机(33)旋转连接；所述左后驱动电机(34)固定于底盘(2)内部，所述左后车轮(141)与左后驱动电机(34)旋转连接，所述右前驱动电机(31)、右后驱动电机(32)、左前驱动电机(33)和左后驱动电机(34)分别与控制台(3)连接。
9.根据权利要求6所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人，其特征在于，还包括导航系统和供电箱，所述供电箱固定于控制台(3)内部，所述导航系统与控制台(3)连接。
10.基于机器视觉的类球形水果采摘机器人的水果采摘方法，其特征在于，所述方法利用权利要求6-9任一项所述的基于机器视觉的类球形水果采摘机器人进行水果采摘，包括以下步骤：
步骤(1)、所述采摘装置和收集装置复位到初始位置，所述控制台(3)等待人工输入水果类别指令，所述控制台(3)根据人工输入水果类别指令，将水果分为大型类球形水果、带果柄的中型类球形水果、不带果柄的中型类球形水果和带枝条的小型类球形水果，所述控制台(3)根据水果分类的不同，执行不同的采摘动作；
步骤(2)、所述控制台(3)接收到启动指令，控制底座旋转电机(6)和末端旋转电机(12)将所述外部视觉传感器(18)的镜头朝向采摘机器人前端，所述控制台(3)根据预设路径，控制行驶装置行驶前进，到达目的地附近，所述外部视觉传感器(18)捕捉和识别果树位置信息，控制采摘机器人到达果树合适采摘位置；
步骤(3)、所述控制台(3)控制底座旋转电机(6)和末端旋转电机(12)将所述外部视觉传感器(18)镜头朝向果树，所述外部视觉传感器(18)采集图像，并传送图像至所述控制台(3)处理，所述控制台(3)完成对水果成熟度检测和定位；
步骤(4)、采摘水果及处理，具体包括：
当所述控制台(3)处理的水果分类结果为大型类球形水果，所述控制台(3)控制底座旋转电机(6)和末端旋转电机(12)，驱动机械臂装置，将水果由下至上套入末端执行器(13)的空心结构，所述内部视觉传感器(14)采集图像，并发送至所述控制台(3)，所述控制台(3)识别到果柄位置信号，驱动所述末端执行器(13)到达指定位置，控制剪切装置旋转电机(151)驱动左刀具(155)和右刀具(156)动作，完成平动剪切，剪切后水果通过所述伸缩软管(19)输送至所述收集箱(20)底部；
当所述控制台(3)处理的水果分类结果为带果柄的中型类球形水果，所述外部视觉传感器(18)采集图像，所述控制台(3)识别水果枝条位置，所述控制台(3)驱动所述中小型水果夹具(16)，将水果果柄卡入所述左夹具(169)的第一凹槽中，所述控制台(3)根据所述夹具压力传感器(30)所测得的压力值调节所述手爪旋转电机(1614)的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台(3)控制所述左端刀具旋转电机(1612)驱动所述左端刀具(1613)切割果柄，所述控制台(3)驱动中小型水果夹具(16)将水果放入所述末端执行器(13)的空心结构中，水果通过所述伸缩软管(19)输送至所述收集箱(20)底部；
当所述控制台(3)处理的水果分类结果为不带果柄的中型类球形水果，所述控制台(3)驱动所述中小型水果夹具(16)将水果竖直夹起，所述控制台(3)根据所述夹具压力传感器(30)所测得的压力值调节所述手爪旋转电机(1614)的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台(3)驱动所述中小型水果夹具(16)将水果放入所述末端执行器(13)的空心结构中，水果通过所述伸缩软管(19)输送至所述收集箱(20)底部；
当所述控制台(3)处理的水果分类结果为带枝条的小型类球形水果，所述外部视觉传感器(18)采集图像，所述控制台(3)识别水果枝条位置，所述控制台(3)驱动所述中小型水果夹具(16)，将水果枝条垂直夹起，所述控制台(3)根据所述夹具压力传感器(30)所测得的压力值调节所述手爪旋转电机(1614)的旋转角度或者输出脉冲数量以夹紧水果，所述控制台(3)控制所述上端刀具旋转电机(1610)驱动所述上端刀具(1611)切割果柄，所述控制台(3)驱动所述中小型水果夹具(16)将水果放入所述收集箱(20)底部；
步骤(5)、所述控制台(3)根据所述升降板(21)底部设置的所述升降板压力传感器(24)的压力数值，调节所述升降装置的伸缩高度，当压力数值到达所设定的阈值或果园水果已采摘完毕时时，所述控制台(3)控制采摘机器人停止采摘，并到达卸货点卸货，否则所述控制台(3)根据外部视觉传感器(18)采集的图像确定采摘点是否还有需采摘水果，若有继续采摘，若无则控制行驶装置行驶至下一个采摘点。
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