CN113994814A - 一种智能果蔬采摘机器人 - Google Patents

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郭彤
王文娟
徐若萱
苏翔宇
宋冀搏
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Abstract

本发明涉及一种智能果蔬采摘机器人，包括机架，机架下方设置有行走装置，机架上方通过升降机构连接有工作平台，工作平台上方设置有机械臂，机械臂的活动端连接有采摘爪，机架上设置有收集箱，控制系统包括中央处理器，中央处理器连接有视觉模块、定位模块，定位模块用于对视觉模块采集到的图像进行分析后定位出果蔬位置，中央处理器与机械臂的控制模块连接，本发明的采摘机器人，可以在复杂的环境以及地面条件下，稳定移动，高效获取立体环境，还原采摘场景，精确识别采摘不同种类的果蔬、精准识别果蔬位置进行区域化采摘，本发明针对不同种类的水果使用不同的采摘爪，能够有效降低采摘收储果蔬果蔬损坏率。

Description

一种智能果蔬采摘机器人
技术领域
本发明涉及果蔬采摘设备技术领域，特别涉及一种智能果蔬采摘机器人。
背景技术
蔬菜和水果的收获是传统农业生产链中劳动强度较大、时效性要求较高的部分，随着种植规模的增长，其工作成本正在不断提高，近年来随着视觉识别技术的进步和智能控制理论的发展，使用机器人来采摘蔬菜和水果已经成为一种现实趋势。
然而，现有的采摘机器人采摘果品种类单一、在面对复杂的种植环境以及复杂地面时稳定性差、覆盖采摘率不高，因此，需要一种智能果蔬采摘机器人来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有的采摘机器人采摘果品种类单一、在面对复杂的种植环境以及复杂地面时稳定性差、覆盖采摘率不高的问题，提供一种智能果蔬采摘机器人。
本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，包括：
机架，其下方设置有行走装置；
工作平台，设置在机架上方，工作平台与机架之间通过升降机构连接；
机械臂，设置在工作平台上方，其固定端与工作平台连接；
第一采摘爪，与机械臂的活动端连接；
收集箱，设置在机架上；
控制系统，其包括中央处理器，中央处理器连接有视觉模块、定位模块，定位模块用于对视觉模块采集到的图像进行分析后定位出果蔬位置，中央处理器与机械臂的控制模块连接。
优选的，行走装置包括底盘，底盘与机架的底面连接，底盘的两侧连接有履带式车轮。
优选的，升降机构包括导轨，设置在机架上，导轨中设置有滑块，滑块与工作平台连接，还包括丝杆，设置在机架上，丝杆与导轨的方向相同，丝杆与滑块螺纹连接，丝杆的一端连接驱动电机，驱动电机与中央处理器电连接。
优选的，还包括旋转机构，设置在工作平台上，旋转机构的输入端连接有第一电机，第一电机与中央处理器电连接，旋转机构的输出端与机械臂的固定端连接。
优选的，旋转机构为包括行星齿轮机构，行星齿轮机构的太阳轮轴轴与第一电机的输出轴连接，行星齿轮机构的行星轮轴与机械臂的固定端连接。
优选的，还包括皮带输送机，设置在机架的两侧，皮带输送机的一端位于收集箱上方。
优选的，还包括第二采摘爪，其包括：
剪切支架，剪切支架上架设有两个互相啮合的齿轮；
两个相对设置的第一刀片，第一刀片的一端连接齿轮；
两个开口相对设置的壳体，设置在对应的第一刀片的下方，与第一刀片连接；
第二电机，设置在剪切支架上，其输出轴与其中一个齿轮的轮轴连接，第二电机与中央处理器电连接。
优选的，还包括第三采摘爪，其包括：
筒体，与机械臂的活动端连接，筒体的下端封闭，筒体内设置有第一压力检测模块；
盖板，设置在筒体内部的上侧，其一侧与筒体的内壁铰接，另外一侧与筒体的内壁通过弹性件连接；
第二刀片，设置在盖板上方，与筒体滑动连接；
电动推杆，其固定端和筒体连接，伸缩端与第二刀片的刀柄连接；
第二压力检测模块，设置在筒体的外周面上，刀柄上与第二压力检测模块对应的位置设置有凸块，中央处理器与第一压力检测模块、电动推杆、第二压力检测模块电连接。
与现有技术相比，本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，其有益效果是：
1、本发明设置的采摘机器人，可以在复杂的环境以及地面条件下，稳定移动，高效获取立体环境，还原采摘场景，精确识别采摘不同种类的果蔬、精准识别果蔬位置进行区域化采摘。
2、本发明针对不同种类的水果使用不同的采摘爪，能够有效降低采摘收储果蔬果蔬损坏率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的采摘爪和机械臂的连接示意图；
图3为本发明第二采摘爪的结构示意图；
图4为本发明第三采摘爪的结构示意图；
图5为本发明行星齿轮机构的结构示意图。
附图标记说明：
1、行走装置；2、底盘；3、收集箱；4、视觉模块；5、机械臂；6、第一采摘爪；7、工作平台；8、导轨；9、机架；10、皮带输送机；12、齿轮；13、剪切支架；14、第一刀片；15、壳体；16、筒体；17、盖板；18、弹性件；19、第二刀片；20、刀柄；21、第二压力检测模块；22、电动推杆；23、第一压力检测模块；24、滑块；25、丝杆；26、行星轮；27、太阳轮；28、齿圈。
具体实施方式
下面结合附图1和图5，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
如图1、图2、图5所示，本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，包括机架9，机架9下方设置有行走装置1，机架9上方设置有工作平台7，工作平台7与机架9之间通过升降机构连接，工作平台7上方设置有机械臂5，机械臂5的固定端与工作平台7连接，机械臂5的活动端连接有第一采摘爪6，机架9上设置有收集箱3，控制系统包括中央处理器，中央处理器连接有视觉模块4、定位模块，定位模块用于对视觉模块4采集到的图像进行分析后定位出果蔬位置，中央处理器与机械臂5的控制模块连接，中央处理器还连接有避障模块、驱动模块和自动配重系统，还设置有无线传输模块，能够连接手机APP控制，通过手机控制机器人采摘。
其中，机器臂采用安诺机器人品牌，型号：SJ-602-A，额定负载2KG，重复定位精度±0.05mm。
其中，视觉模块4采用双目视觉传感器，获取立体图像的深度信息即视差图，较全面地获得果蔬的特征信息，还原真实场景的三维信息，建立柱面坐标系，中央处理器根据识别得到的坐标，控制机械臂进行“从下至上，从左到右”的区域化采摘，以保证全覆盖采摘。
使用时，第一采摘爪6选用机械爪，长、宽、高分别为170mm、42mm和56mm，可适用于抓取苹果、桃子等体积稍大的水果，最大抓取重量500g。
进一步地，所述行走装置1包括底盘2，底盘2用于收纳电机、主要硬件配件和电线以及固定车体稳定采摘，底盘2与机架9的底面连接，底盘2的两侧连接有履带式车轮，履带式车轮用于控制机器人移动。
履带式车轮带悬挂系统，共有驱动轮、支撑轮、导向轮和拖带轮四种，通过两个伺服电机驱动前进驱动轮，可以防止揉带；通过在履带上侧的中间设计的履带拖带轮，可以防止履带在运行时产生的冲击载荷对内部结构带来的影响；通过对伺服电机转速与转向的控制，来实现履带式车轮在二维平面的自由运动，实现采摘机器人在复杂种植环境的稳定移动。
进一步地，所述升降机构包括导轨8，设置在机架9上，导轨8中设置有滑块24，滑块24与工作平台7连接，还包括丝杆25，设置在机架9上，丝杆25与导轨8的方向相同，丝杆25与滑块24螺纹连接，丝杆25的一端连接驱动电机，驱动电机选择步进电机。
进一步地，还包括旋转机构，设置在工作平台7上，旋转机构的输出端与机械臂5的固定端连接，用于驱动机械臂5转动。
进一步地，旋转机构包括行星齿轮机构，行星齿轮机构的太阳轮轮轴与第一电机的输出轴连接，行星齿轮机构的行星轮轮轴与机械臂5的固定端连接，行星齿轮机构设置在工作平台7上，包括太阳轮27、行星轮26和齿圈28，齿圈28为固定构件，中心的太阳轮27为主动件，电机通过同步带减速后连接太阳轮27的轮轴，行星轮26的轮轴与机械臂5的固定端连接，通过太阳轮27的转动，带动三个行星轮26同步以缓慢速度朝相同方向转动，实现机械臂5的回转转动，保证转动过程的平稳、快速，太阳轮27的尺寸为d＝42、m＝2、z＝21，行星轮26尺寸为d＝42、m＝2、z＝21，最外围齿圈分度圆为d＝126、m＝2、z＝63。
进一步地，还包括皮带输送机10，设置在机架9的两侧，其主动轴连接有第三驱动电机，皮带输送机10的输送线路的四周设置有挡板，挡板靠近收集箱3的一侧开设有下落口，皮带输送机10的一端位于收集箱3上方，皮带输送机10的皮带具有一定弹性，可以吸收果蔬下落时带来的势能，防止果蔬的损坏。
进一步地，还包括下落缓冲器，设置在收集箱3上方，且位于皮带输送机10的下方，下落缓冲器选择倾斜设置的传输筒，引导果蔬顺利滑入收集箱3中，用于防止果蔬在下落过程中摔伤。
进一步地，工作平台7两侧搭载有避障传感器，在高架果蔬棚里进行果蔬采摘时，能够对高架、墙面以及其他障碍物进行躲避。
实施例2
如图3所示，在实施例1的基础上，本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，在采摘杏、番茄等体积中等的果蔬时，使用的第二采摘爪长、宽、高分别为160mm、43mm和5mm，包括：
剪切支架13，剪切支架13上架设有两个互相啮合的齿轮12，齿轮12的设置方式与第一采摘爪中齿轮的设置方式相同；
两个相对设置的第一刀片14，第一刀片14的一端连接齿轮12；
两个开口相对设置的壳体15，设置在对应的第一刀片14的下方，与第一刀片14连接；
第二电机，设置在剪切支架13上，其输出轴与其中一个齿轮12的轮轴连接。
实施例3
如图4所示，在实施例1的基础上，本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，在采摘体积大、中及成串结果的果蔬时，使用的第三采摘爪包括筒体16、盖板17、第二刀片19、电动推杆22，筒体16与机械臂5的活动端连接，筒体16的下端封闭，筒体16内设置有第一压力检测模块23，第一压力检测模块23选择压力传感器，两个相对设置的盖板17设置在筒体16内部的上侧，其一侧与筒体16的内壁铰接，另外一侧与筒体16的内壁通过弹性件18连接，弹性件18选择弹簧，圆形的第二刀片19设置在盖板17上方，与筒体16滑动连接，电动推杆22的固定端和筒体16连接，伸缩端与第二刀片19的刀柄20连接，第二压力检测模块21设置在筒体16的外周面上，第二压力检测模块21选择压力传感器，刀柄20上与第二压力检测模块21对应的位置设置有凸块，中央处理器与第一压力检测模块23、电动推杆22、第二压力检测模块21电连接。
筒体16移动到果蔬的下方时，继续向上移动筒体16，盖板17受到果蔬的压力使弹簧压缩，果蔬从盖板17的缝隙中落入筒体16中，当大型果蔬落入筒体16后，盖板17弹起，将果蔬的根茎夹持在两个盖板17之间，第一压力检测模块23检测到果蔬落下，电动推杆22收缩拉动第二刀片19向有果蔬方向移动剪切树枝，当刀柄20上的凸块触碰到第二压力检测模块21的压力传感器后，电动推杆22反向工作，推动第二刀片19向背离有果蔬方向移动。
使用方法及工作原理
本发明提供的一种智能果蔬采摘机器人，在使用时，在人工模式下，利用手机APP控制机器人进行行进、规避障碍、果实选取以及采摘；在自动巡航模式下，定位模块对机器人顶部的视觉模块4采集的图像进行分析划分，根据图像分割技术对背景的去除，智能精确识别果蔬位置，避障模块在行进前对路径进行规划，选择最优运动轨迹，中央处理器计算最优路径的运动时间和机器人履带的速度，进而调整运动状态，得到最优路径结果；
行进时，底盘2中的伺服电机带动驱动轮间接驱动支撑轮、导向轮和拖带轮，实现机器人的水平方向移动，工作平台7两侧搭载避障传感器，在高架果蔬棚里进行果蔬采摘时，能够对高架、墙面以及其他障碍物进行躲避，避免机器人与其产生碰撞；
采摘时，机械臂5的驱动方式为电机驱动，在双目视觉传感器识别果蔬位置后，机器人行进至果蔬附近，通过驱动电机驱动丝杆25转动，滑块24上移带动工作平台7上移，再由双目视觉传感器进行图像采集，进行图像分析后，判别果蔬具体位置，中央处理器通过反馈信息动力学求解，将求解信号反馈至机械臂5，机械臂5上连接的采摘爪按照信号要求将果蔬枝条剪断，通过对不同果蔬的采摘，在机械臂5的活动端安装一个重量传感器，传感器将果蔬的重量数据传输至中央处理器之后，系统会根据重量的大小命令机械臂5做出相应的放置动作，降低果蔬损坏率，之后通过行星齿轮机构将剪断后的果蔬放至皮带输送机10上，皮带输送机10传送果蔬至收集箱3中。
综上所述，本发明的采摘机器人，可以在复杂的环境以及地面条件下，稳定移动，高效获取立体环境，还原采摘场景，精确识别采摘不同种类的果蔬、精准识别果蔬位置进行区域化采摘，本发明针对不同种类的水果使用不同的采摘爪，能够有效降低采摘收储果蔬果蔬损坏率。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，包括：
机架(9)，其下方设置有行走装置(1)；
工作平台(7)，设置在机架(9)上方，工作平台(7)与机架(9)之间通过升降机构连接；
机械臂(5)，设置在工作平台(7)上方，其固定端与工作平台(7)连接；
第一采摘爪(6)，与机械臂(5)的活动端连接；
收集箱(3)，设置在机架(9)上；
控制系统，其包括中央处理器，中央处理器连接有视觉模块(4)、定位模块，定位模块用于对视觉模块(4)采集到的图像进行分析后定位出果蔬位置，中央处理器与机械臂的控制模块连接。
2.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，所述行走装置(1)包括底盘(2)，底盘(2)与机架(9)的底面连接，底盘(2)的两侧连接有履带式车轮。
3.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，所述升降机构包括导轨(8)，设置在机架(9)上，导轨(8)中设置有滑块(24)，滑块(24)与工作平台(7)连接，还包括丝杆(25)，设置在机架(9)上，丝杆(25)与导轨(8)的方向相同，丝杆(25)与滑块(24)螺纹连接，丝杆(25)的一端连接驱动电机，驱动电机与中央处理器电连接。
4.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，还包括旋转机构，设置在工作平台(7)上，旋转机构的输入端连接有第一电机，第一电机与中央处理器电连接，旋转机构的输出端与机械臂(5)的固定端连接。
5.如权利要求4所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，所述旋转机构为包括行星齿轮机构，行星齿轮机构的太阳轮轮轴与第一电机的输出轴连接，行星齿轮机构的行星轮轮轴与机械臂(5)的固定端连接。
6.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，还包括皮带输送机(10)，设置在机架(9)的两侧，皮带输送机(10)的一端位于收集箱(3)上方。
7.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，还包括第二采摘爪，其包括：
剪切支架(13)，剪切支架(13)上架设有两个互相啮合的齿轮(12)；
两个相对设置的第一刀片(14)，第一刀片(14)的一端连接齿轮(12)；
两个开口相对设置的壳体(15)，设置在对应的第一刀片(14)的下方，与第一刀片(14)连接；
第二电机，设置在剪切支架(13)上，其输出轴与其中一个齿轮(12)的轮轴连接，第二电机与中央处理器电连接。
8.如权利要求1所述的一种智能果蔬采摘机器人，其特征在于，还包括第三采摘爪，其包括：
筒体(16)，与机械臂(5)的活动端连接，筒体(16)的下端封闭，筒体(16)内设置有第一压力检测模块(23)；
盖板(17)，设置在筒体(16)内部的上侧，其一侧与筒体(16)的内壁铰接，另外一侧与筒体(16)的内壁通过弹性件(18)连接；
第二刀片(19)，设置在盖板(17)上方，与筒体(16)滑动连接；
电动推杆(22)，其固定端和筒体(16)连接，伸缩端与第二刀片(19)的刀柄(20)连接；
第二压力检测模块(21)，设置在筒体(16)的外周面上，刀柄(20)上与第二压力检测模块(21)对应的位置设置有凸块，所述中央处理器与第一压力检测模块(23)、电动推杆(22)、第二压力检测模块(21)电连接。
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