CN114246063B - 一种水果采摘机器人及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水果采摘技术，具体涉及一种水果采摘机器人及其采摘方法，以解决现有的机器人结构复杂、控制难度大、水果采摘成本高、实用性差和很难实际应用的问题。本发明所采用的技术方案为：一种水果采摘机器人，包括行走单元、设置在行走单元上的调节单元、设置在调节单元上的传送单元、设置在传送单元前端的采摘单元；传送单元包括两个倾斜向上的倾斜筒、可在倾斜筒内伸缩的两个伸缩杆、设置在两个倾斜筒前端之间的水果减速转向杆以及设置在两个伸缩杆前端的采摘器；两个伸缩杆平行且设置有间隙；倾斜向下设置的水果减速转向杆的后端设置在倾斜筒的前端；本发明还提供了一种水果采摘方法。

Description

一种水果采摘机器人及其采摘方法

技术领域

本发明涉及水果采摘技术，具体涉及一种水果采摘机器人及其采摘方法。

背景技术

水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的30％以上。目前，水果采摘大部分以人工采摘为主，采摘作业比较复杂，大量的水果采摘不仅存在劳动强度大、作业范围广，而且触碰力度控制要求高，主要表现为在水果采摘时，水果容易碰伤。

还有一少部分水果采摘使用机器人采摘，替代了采摘人员的劳动。但现有的机器人采摘设备结构复杂，其采摘操控动作通过多自由度关节的机械臂实现，控制难度高，且机器人采摘水果的成本甚至远远超过了人工采摘水果成本，不能适应中小型水果采摘场地采摘水果。

发明内容

本发明在于解决现有水果采摘机器人存在结构复杂、控制难度大、水果采摘成本高、实用性差和很难实际应用的技术问题，而提供一种水果采摘机器人及其采摘方法。

本发明所采用的技术方案为：一种水果采摘机器人，包括行走单元、设置在行走单元上的调节单元、设置在调节单元上的传送单元、设置在传送单元前端的采摘单元；所述调节单元用于调节传送单元的旋转角度和升降高度；所述采摘单元用于采摘和收集水果；

所述传送单元包括两个倾斜向上的倾斜筒、可在倾斜筒内伸缩的两个伸缩杆、设置在两个倾斜筒前端之间的水果减速转向杆以及设置在两个伸缩杆前端的采摘器；

两个伸缩杆平行且设置有间隙；

所述水果减速转向杆倾斜向下设置，所述水果减速转向杆的后端设置在倾斜筒的前端；所述水果减速转向杆的前端低于相应位置处的两个伸缩杆的高度。

进一步地，所述两个伸缩杆的间隙以及倾斜筒的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆之间受重力作用而滚动；

所述水果减速转向杆的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆之间受重力作用而滚动的水果被水果减速转向杆抬升、减速并在水果减速转向杆后端失去平衡，从其中一个伸缩杆外侧掉落。以上倾斜角度的设定，由于水果的大小、形状、表面粗糙度等条件不同，均需并容易通过试验具体确定。

进一步地，所述调节单元包括设置在行走单元上的高度调节组件、设置在倾斜筒底部的可旋转圆盘和设置在倾斜筒上部的三目识别定位系统；所述可旋转圆盘底部设置在高度调节组件的伸缩杆顶端，所述可旋转圆盘可带动传送单元和三目识别定位系统在水平方向上同步转动。

进一步地，所述采摘单元包括采摘器和采摘篮，所述采摘器设置在两个伸缩杆的前端，所述采摘篮设置在水果减速转向杆的后端正下方，且设置在高度调节组件的伸缩杆上。

进一步地，所述采摘器可为自动控制采摘器，通过远距离对钢丝绳的手动牵拉实现采摘器剪切控制，完成水果采摘动作。

进一步地，所述高度调节组件为液压调节组件或电动调节组件；所述伸缩杆采用液压驱动或电动驱动方式在倾斜筒内进行伸缩；所述三目识别定位系统的摄像头与采摘器平齐；所述行走单元为履带式移动平台；所述采摘篮设有可拆卸式缓冲漏网。

进一步地，所述液压调节组件包括第一液压缸、设置在第一液压缸一侧的竖直支架和第二液压缸；所述第一液压缸的缸底固连在行走单元上，所述第一液压缸的活塞杆顶端通过水平支架与竖直支架顶部固连，所述竖直支架底部设置有水平台，所述第二液压缸的缸底固连在水平台上，所述可旋转圆盘设置在第二液压缸的活塞杆顶端。

进一步地，所述倾斜筒通过调节支架固定在可旋转圆盘上；所述水果减速转向杆的后端通过调节螺栓固定在倾斜筒的顶部。

同时，基于上述一种水果采摘机器人，本发明还提供了一种水果采摘方法，包括以下步骤：

1)行走单元靠近果树；

2)三目识别定位系统对采摘范围内的水果进行识别，并对所识别的水果分别进行高度、方位和距离定位；

3)高度调节组件根据所识别的某个水果的高度信息升降可旋转圆盘；

4)可旋转圆盘根据该水果的方位信息带动传送单元旋转；

5)传送单元根据该水果的距离信息控制两个伸缩杆的同步伸缩；

6)两个伸缩杆前方的采摘器动作，使水果自由下落到向下后方倾斜的两个伸缩杆的间隙之间；

7)该水果依靠重力作用从两个伸缩杆前端滚动至两个伸缩杆后端，两个伸缩杆之间的水果减速转向杆将水果抬升、减速，并将其抬升至高于两个伸缩杆的高度，从其中一个伸缩杆外侧掉落至水果减速转向杆下方的采摘篮内；

8)重复步骤3至7，直至三目识别定位系统所识别的水果采摘完毕；

9)重复步骤1-8，直至采摘篮装满水果。

进一步地，步骤6中，所述两个伸缩杆的间隙以及倾斜筒的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆之间受重力作用而滚动；

步骤7中，所述水果减速转向杆的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆之间受重力作用而滚动的水果可被抬升、减速至高于两个伸缩杆的高度，从其中一个伸缩杆外侧掉落。

进一步地，所述三目识别定位系统的摄像头与采摘器平齐。

进一步地，高度调节组件采用两级或多级升降方式以适应最高处和最低处水果的高度差。

进一步地，所述采摘篮设有两层可拆卸式缓冲漏网，分别设置在采摘篮上部和中部。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

一、本发明采用的一种水果采摘机器人，先通过三目识别定位系统检测待摘水果位置，再通过可旋转圆盘的旋转、高度调节组件的升降以及传送单元的伸缩这三种方位调节，使得采摘器移动至待采摘水果处并完成对水果的采摘；其中的可旋转圆盘、高度调节组件和传送单元均结构简单，操控便捷，优化了机器人采摘水果的操作方式，只需简单的机械结构便可实现水果采摘，降低了机器人采摘水果的的难度，实用性更强，应用范围更广泛。

二、本发明采用的一种水果采摘机器人，替代人工完成水果的采摘，降低了劳动强度，提高了采摘工作效率；采用的传送单元结构设计巧妙，传送单元依靠水果本身具有的重力，便可实现对水果的输送、抬升和掉落，降低了水果采摘机器人的采摘成本。

三、本发明采用的一种水果采摘机器人，采用的两个伸缩杆的间隙使得水果可在其上有序滚动，同时设置两个伸缩杆的倾斜角度，既避免了滚动速度太快，水果冲出伸缩杆，又避免了滚动速度过慢，不能滚动至水果减速转向杆抬升掉落；通过结构尺寸的限定，实现了采摘水果的有序进行。

附图说明

图1为本发明实施例中水果采摘机器人的高度调节组件的最低调节位置状态图。

图2为本发明实施例中水果采摘机器人的高度调节组件的中部调节位置状态图。

图3为本发明实施例中水果采摘机器人的高度调节组件的最高调节位置状态图。

图4为本发明实施例中水果采摘机器人的传送单元局部结构图。

图5为本发明实施例中水果采摘机器人的传送单元的局部俯视图。

图6为本发明实施例中水果采摘机器人的采摘篮俯视图。

图7为本发明实施例中水果采摘机器人的传送单元未转动状态俯视图。

图8为本发明实施例中水果采摘机器人的传送单元转动状态俯视图。

图中：

1-高度调节组件，11-第一液压缸，12-竖直支架，13-第二液压缸，14-水平台；

2-可旋转圆盘；

3-传送单元，31-倾斜筒，32-伸缩杆，33-水果减速转向杆；

4-三目识别定位系统，5-采摘器，6-采摘篮。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1至图8所示，本实施例中水果采摘机器人，包括行走单元、设置在行走单元上的调节单元、设置在调节单元上的传送单元3、设置在传送单元3前端的采摘单元；所述调节单元用于调节传送单元的旋转角度和升降高度；所述采摘单元用于采摘和收集水果；该传送单元可用于采摘球形水果或可在两个伸缩杆上滚动的水果，例如苹果、梨、柿子、橘子等。

所述传送单元3包括两个倾斜向上的倾斜筒31、可在倾斜筒31内伸缩的两个伸缩杆32、设置在两个倾斜筒31前端之间的水果减速转向杆33以及设置在两个伸缩杆32前端的采摘器5；

两个伸缩杆32平行且设置有间隙；

所述水果减速转向杆33倾斜向下设置，所述水果减速转向杆33的后端设置在倾斜筒31的前端；所述水果减速转向杆33的前端低于相应位置处的两个伸缩杆32的高度。

所述两个伸缩杆32的间隙以及倾斜筒31的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆32之间受重力作用而滚动；两个伸缩杆32的间隙可根据所采摘不同种类的水果进行提前设定。

所述水果减速转向杆33的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆32之间受重力作用而滚动的水果被水果减速转向杆33抬升、减速并在水果减速转向杆33后端失去平衡，从其中一个伸缩杆32外侧掉落。以上倾斜角度的设定，由于水果的大小、形状、表面粗糙度等条件不同，均需并容易通过试验具体确定。

所述调节单元包括设置在行走单元上的高度调节组件1、设置在倾斜筒31底部的可旋转圆盘2和设置在倾斜筒31上部的三目识别定位系统4；所述可旋转圆盘2底部设置在高度调节组件1的伸缩杆顶端，所述可旋转圆盘2可带动传送单元3和三目识别定位系统4在水平方向上同步转动。

所述采摘单元包括采摘器5和采摘篮6，所述采摘器5设置在两个伸缩杆32的前端，所述采摘篮6设置在水果减速转向杆33的后端正下方，且设置在高度调节组件1的伸缩杆上；

所述采摘器5可为自动控制采摘器，通过远距离对钢丝绳的手动牵拉实现采摘器剪切控制，完成水果采摘动作。具体实现方式可参考申请号为201821481340.0，名称为一种苹果采摘装置的专利文件，亦可采用其他自动控制采摘器。

所述高度调节组件1为液压调节组件或电动调节组件；所述伸缩杆32采用液压驱动或电动驱动方式在倾斜筒31内进行伸缩；所述三目识别定位系统4的摄像头与采摘器5平齐；所述行走单元为履带式移动平台；所述采摘篮6设有可拆卸式缓冲漏网。

所述液压调节组件包括第一液压缸11、设置在第一液压缸11一侧的竖直支架12和第二液压缸13；所述第一液压缸11的缸底固连在行走单元上，所述第一液压缸11的活塞杆顶端通过水平支架与竖直支架12顶部固连，所述竖直支架12底部设置有水平台14，所述第二液压缸13的缸底固连在水平台14上，所述可旋转圆盘2设置在第二液压缸13的活塞杆顶端。

所述倾斜筒31通过调节支架固定在可旋转圆盘2上；所述水果减速转向杆33的后端通过调节螺栓固定在倾斜筒31的上部。

基于上述一种水果采摘机器人，采用的水果采摘方法，包括以下步骤：

1)行走单元靠近果树；

2)三目识别定位系统4对采摘范围内的水果进行识别，并对所识别的水果分别进行高度、方位和距离定位；

3)高度调节组件1根据所识别的某个水果的高度信息升降可旋转圆盘2；

4)可旋转圆盘2根据该水果的方位信息带动传送单元3旋转；

5)传送单元3根据该水果的距离信息控制两个伸缩杆32的同步伸缩；

6)两个伸缩杆32前方的采摘器5动作，使水果自由下落到向下后方倾斜的两个伸缩杆32的间隙之间；

所述两个伸缩杆32的间隙以及倾斜筒31的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆32之间受重力作用而滚动；

7)该水果依靠重力作用从两个伸缩杆32前端滚动至两个伸缩杆32后端，两个伸缩杆32之间的水果减速转向杆33将水果抬升、减速，并将其抬升至高于两个伸缩杆32的高度，从其中一个伸缩杆32外侧掉落至水果减速转向杆33下方的采摘篮6内；

所述水果减速转向杆33的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆32之间受重力作用而滚动的水果可被抬升、减速至高于两个伸缩杆32的高度，从其中一个伸缩杆32外侧掉落；

8)重复步骤3至7，直至三目识别定位系统4所识别的水果采摘完毕；

9)重复步骤1-8，直至采摘篮6装满水果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种水果采摘机器人，包括行走单元、设置在行走单元上的调节单元、设置在调节单元上的传送单元（3）、设置在传送单元前端的采摘单元；所述调节单元用于调节传送单元（3）的旋转角度和升降高度；所述采摘单元用于采摘和收集水果；其特征在于：

所述传送单元（3）包括两个倾斜向上的倾斜筒（31）、可在倾斜筒（31）内伸缩的两个伸缩杆（32）、设置在两个倾斜筒（31）前端之间的水果减速转向杆（33）以及设置在两个伸缩杆（32）前端的采摘器（5）；

两个伸缩杆（32）平行且设置有间隙；

所述水果减速转向杆（33）倾斜向下设置，后端设置在倾斜筒（31）的前端；前端低于相应位置处的两个伸缩杆（32）的高度；

所述两个伸缩杆（32）的间隙以及倾斜筒（31）的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆（32）之间受重力作用而滚动；

所述水果减速转向杆（33）的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆（32）之间受重力作用而滚动的水果被水果减速转向杆（33）抬升、减速并在水果减速转向杆（33）后端失去平衡，从其中一个伸缩杆（32）外侧掉落；

所述调节单元包括设置在行走单元上的高度调节组件（1）、设置在倾斜筒（31）底部的可旋转圆盘（2）和设置在倾斜筒（31）上部的三目识别定位系统（4）；所述可旋转圆盘（2）底部设置在高度调节组件（1）的伸缩杆顶端，所述可旋转圆盘（2）可带动传送单元（3）和三目识别定位系统（4）在水平方向上同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种水果采摘机器人，其特征在于：所述采摘单元包括采摘器（5）和采摘篮（6），所述采摘器（5）设置在两个伸缩杆（32）的前端，所述采摘篮（6）设置在水果减速转向杆（33）的后端正下方，且设置在高度调节组件（1）的伸缩杆上。

3.根据权利要求2所述的一种水果采摘机器人，其特征在于：所述高度调节组件（1）为液压调节组件或电动调节组件；所述伸缩杆（32）采用液压驱动或电动驱动方式在倾斜筒（31）内进行伸缩；所述三目识别定位系统（4）的摄像头与采摘器（5）平齐；所述行走单元为履带式移动平台；所述采摘篮（6）设有可拆卸式缓冲漏网。

4.根据权利要求3所述的一种水果采摘机器人，其特征在于：所述液压调节组件包括第一液压缸（11）、设置在第一液压缸（11）一侧的竖直支架（12）和第二液压缸（13）；所述第一液压缸（11）的缸底固连在行走单元上，所述第一液压缸（11）的活塞杆顶端通过水平支架与竖直支架（12）顶部固连，所述竖直支架（12）底部设置有水平台（14），所述第二液压缸（13）的缸底固连在水平台（14）上，所述可旋转圆盘（2）设置在第二液压缸（13）的活塞杆顶端。

5.根据权利要求3所述的一种水果采摘机器人，其特征在于：所述倾斜筒（31）通过调节支架固定在可旋转圆盘（2）上；所述水果减速转向杆（33）的后端通过调节螺栓固定在倾斜筒（31）的上部。

6.一种水果采摘方法，采用权利要求1至5任一一项所述的水果采摘机器人，其特征在于，包括以下步骤：

1）行走单元靠近果树；

2）三目识别定位系统（4）对采摘范围内的水果进行识别，并对所识别的水果分别进行高度、方位和距离定位；

3）高度调节组件（1）根据所识别的某个水果的高度信息升降可旋转圆盘（2）；

4）可旋转圆盘（2）根据该水果的方位信息带动传送单元（3）旋转；

5）传送单元（3）根据该水果的距离信息控制两个伸缩杆（32）的同步伸缩；

6）两个伸缩杆（32）前方的采摘器（5）动作，使水果自由下落到向下后方倾斜的两个伸缩杆（32）的间隙之间；

7）该水果依靠重力作用从两个伸缩杆（32）前端滚动至两个伸缩杆（32）后端，两个伸缩杆（32）之间的水果减速转向杆（33）将水果抬升、减速，并将其抬升至高于两个伸缩杆（32）的高度，从其中一个伸缩杆（32）外侧掉落至水果减速转向杆（33）下方的采摘篮（6）内；

8）重复步骤3至7，直至三目识别定位系统（4）所识别的水果采摘完毕；

9）重复步骤1-8，直至采摘篮（6）装满水果。

7.根据权利要求6所述的一种水果采摘方法，其特征在于：步骤6中，所述两个伸缩杆（32）的间隙以及倾斜筒（31）的倾斜角度设定条件是：水果可在两个伸缩杆（32）之间受重力作用而滚动。

8.根据权利要求7所述的一种水果采摘方法，其特征在于：步骤7中，所述水果减速转向杆（33）的倾斜角度设定条件是：两个伸缩杆（32）之间受重力作用而滚动的水果可被抬升、减速至高于两个伸缩杆（32）的高度，从其中一个伸缩杆（32）外侧掉落。

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