CN114402806B - 一种球形果采摘机器人及采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球形果采摘机器人及采摘方法，包括移动小车、电动剪式升降平台、机械臂、末端执行器、视觉装置、收集装置和控制装置，其中移动小车包括双层车架、驱动车轮、驱动电机、电机连接件，机械臂包含基座、旋转电机、后臂电机、机械后臂、前臂电机、机械前臂、腕部电机、机械手腕，末端执行器由T型座、电动推杆、液压支撑杆、夹持机构、切割机构、滑块机构和压力传感器组成，视觉装置包括深度相机、相机支架，控制装置包括控制器、处理器和蓄电池，进一步结合视觉引导的采摘方法，本发明所述方案能够实现苹果、柑橘、猕猴桃等球形果的自动化采摘，具有自动化程度高、通用性强、高效率、低损伤等显著优势。
Description
技术领域
本发明属于采摘机器人领域，具体涉及一种球形果采摘机器人及采摘方法。
背景技术
我国是水果生产和消费大国，水果种植面积和产量均居世界首位，其中以苹果、柑橘、猕猴桃为代表的球形果深受消费者喜爱。目前，相应水果的采摘主要依靠人工来完成。采摘作业季节性强、劳动强度大、生产成本高，采摘时耗费大量人力、物力和时间等。同时，农业人口老龄化与农村青年从业人员比例降低现象并存。因此，依赖人工的大规模采摘方式已经无法满足现代农业生产的需求。应用采摘机器人于果蔬采摘领域是未来农业的发展趋势，这对解放劳动生产力、提升采摘效率、降低采摘成本等至关重要。
发明人在实现本发明的过程中发现：
为了解决相应问题，众多技术人员开发了新技术方案。诸如专利申请号为202120346005.X公开了一种苹果高效采摘机器人，包括采摘执行组件、角度自调节装置、储存箱、传输管、电驱动转座以及履带行走盘，采用角度自调节装置和电驱动转座驱动连接采摘执行组件，可以减少苹果采摘的范围限制。同时，采摘执行组件中设置有通过电机驱动进行快速旋转的夹持组件，其能够快速将苹果从枝干上扭下，提高了苹果的采摘效率，但采用扭断分离的采摘方式只适用于像苹果这类果实和果梗连接处结合力小的采摘。对于果实和果梗结合力大的情形，该方案会出现采摘失败的情况，其通用性略差、采摘成功率降低。
诸如专利申请号为202010571362.1公开了一种柑橘类水果采摘机器人，包括车体、筛选机构、剪式升降机和旋转采摘组件。采摘时，剪断机构直接剪断果梗、水果掉落收集框中，其可实现对柑橘类水果高效率的保护性采摘。然而，机器人只能在车体被推到待采摘的柑橘类水果树下后，其才能实施后续的采摘动作。因此，该方案只能实现了半自动化控制，仍需要操作人员的持续监督和操作。
诸如专利申请号为201911245304.3公开了一种基于Delta机械臂的猕猴桃采摘装置，包括采摘手、Delta机械臂、移动小车、车架、识别相机、柔性收集管。基于该方案的采摘装置的作业效率高、自动化程度高、具有智能化作业功能，但其同时存在作业空间有限、灵活度不高、控制精度要求高等方面的不足。此外，机械手通过翻转来实现果实和果梗分离，采摘方式较为单一，通用性略差。
因此，为了避免现有的采摘机器人方案在兼顾作业效率、采摘成功率、自动化程度、通用性等方面的不足，本发明提供了外一种球形果采摘机器人及采摘方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球形果采摘机器人及采摘方法，以解决现有技术中采摘机器人存在采摘成功率不高、自动化程度低、通用性差等问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种球形果采摘机器人，包括移动小车，其特征在于：所述移动小车为电动移动小车，移动小车上安装有电动剪式升降平台、收集装置和控制装置，电动剪式升降平台上安装有机械臂，机械臂上安装有视觉装置和用于抓取水果的末端执行器，
所述移动小车包括双层车架，控制装置设于双层车架下层，电动剪式升降平台和收集装置设于双层车架上层，双层车架底面设有通过电机连接件连接的驱动电机，驱动电机的动力输出端与对称设于双层车架两侧的驱动车轮相连接；
所述末端执行器包括倒置的T型座，底部与机械臂前端固定连接，T型座两侧的水平段上一侧设有电动推杆、另一侧对称设有液压支撑杆，T型座竖直段顶部铰接有两个相对设置的夹爪，与电动推杆同侧的为第一夹爪，与液压支撑杆同侧的为第二夹爪，第一夹爪和第二夹爪为中间向外拱起弯折形成的合抱结构、其拱起部之间一侧通过V型活动连杆铰接；电动推杆与第一夹爪背面之间通过L型第一推杆相互铰接、通过电动推杆的往复伸缩实现第一夹爪向第二卡爪的靠近或远离，第一夹爪前端还设有用于切断果梗的切割机构；T型座靠近液压支撑杆一侧的竖直段上倾斜向上延伸设置有滑轨，滑轨上嵌设有滑块，第二夹爪与滑块之间通过L型第二推杆相连接，L型第二推杆的上端与夹爪的拱起部之间活动铰接、下端与滑块球铰接，液压支撑杆上铰接有Y型拉杆，Y型拉杆的上端与L型第二推杆相对侧的中间位置固定连接、通过液压支撑杆的压缩和复位使滑块滑动带动第二夹爪翻转；
所述移动小车、电动剪式升降平台、机械臂、视觉装置和末端执行器通过控制装置控制。
进一步地，所述机械臂包括基座、旋转电机、后臂电机、柱形框架式结构的机械后臂、前臂电机、柱形框架式结构的机械前臂、腕部电机、机械手腕，其中：
所述基座为多圆盘叠加组合式结构，基座固定在电动剪式升降平台顶部，旋转电机设于基座中间，后臂电机固定在旋转电机的动力输出端上，机械后臂后端与后臂电机的动力输出端径向转动连接，机械臂通过旋转电机实现水平360°旋转，机械后臂前端通过前臂电机与机械前臂后端径向转动连接，机械前臂前端固定有所述腕部电机、腕部电机的动力输出端上旋转连接所述机械手腕，机械手腕的垂直方向上安装有所述视觉装置，末端执行器的T型座底部安装于机械手腕前端；
所述旋转电机、后臂电机、前臂电机、腕部电机均与控制装置相连接。控制系统通过控制各电机实现机械臂各部分的伸缩与旋转。
进一步地，所述第一夹爪和第二夹爪的内侧设置有柔性材质的内衬及压力传感器,压力传感器与控制装置相连接。目的避免对果实造成损伤、保证果实的外观。
进一步地，所述T型座竖直段与滑轨之间的夹角为60°-70°，可避免机构之间运动产生干涉。
进一步地，所述切割机构位于第一夹爪的前端、用于末端执行器夹住果实进行翻转时与果梗相抵接并切断果梗，切割机构包括下刀片、滚珠条、上刀片、大凸轮、小凸轮和微型电机，所述上刀片、下刀片均为直线形单刃锯齿刀片，第一夹爪前端设有向内弯折的刀片安装部、刀片安装部上设有滑槽，下刀片固定在滑槽内，滚珠条设于上刀片与下刀片之间的滚珠限位槽内、上刀片通过滚珠条与下刀片滑动配合，上刀片一侧依次连接所述大凸轮、小凸轮和微型电机，微型电机通过电机支架固定在第一夹爪上，通过微型电机动力输出端转动带动小凸轮和大凸轮旋转、实现上刀片绕下刀片作往复直线切割运动。
进一步地，所述收集装置包括拉环、收集漏斗、柔性收集管和收集框，拉环根部固定于T型座远离V型连杆一侧，拉环正对着V型连杆，拉环与收集漏斗上边缘配合连接，收集漏斗底部连接有所述柔性收集管，柔性收集管尾端放置有所述收集框，收集框布置于双层车架顶部前端。目的是提高采摘机器人的采摘效率，减少果实损伤。
进一步地，所述控制装置包括处理器、控制器和蓄电池，蓄电池分别与驱动电机、电动剪式升降平台、旋转电机、后臂电机、前臂电机、腕部电机、深度相机、电动推杆、微型电机、压力传感器、处理器和控制器电性连接；
采摘机器人通过处理器将深度相机传递的图像信息进行分析处理后传递给控制器，控制器控制移动小车、电动剪式升降平台、机械臂、末端执行器工作，完成果实采摘任务。
本发明还包括一种球形果采摘机器人的采摘方法，具体步骤为：
第一步，首先设定好要采摘的果实信息，系统各参数初始化；深度相机扫描外部环境，获取果树及周围环境信息，并将信息交由处理器进行分析处理；
第二步，处理器接收并分析深度相机传递的果树信息，计算出采摘停靠区域位置以及到到达该位置的最优路径，并将信号传递给控制器，控制器控制驱动电机的转速使移动小车达到指定采摘停靠区域；
第三步，移动小车到达采摘停靠区域后，处理器根据深度相机采集的果树图像，识别出的图像中包含的所有果实信息并结合机械臂的工作空间，判断机械臂工作空间是否覆盖所有球形果；若未覆盖，处理器计算需要升降的高度，并将信号传递给控制器，控制器控制电动剪式升降平台升降，直至机械臂的工作空间覆盖整个球形果后方可进行下一步操作；
第四步，深度相机采集球形果的位姿信息并发送给处理器，处理器结合末端执行器的位置信息判断末端执行器是否到达球形果采摘位置；若末端执行器未到达球形果采摘位置，处理器计算出旋转电机、后臂电机、前臂电机、腕部电机各自需要旋转的角度，并将信号传递给控制器，进一步由控制器控制机械臂进行多自由运动，使得末端执行器到达球形果采摘位置后方可进行下一步操作；
第五步，深度相机扫描待采摘果实的颜色、大小等图像信息，进一步将信息传递给处理器，处理器对果实大小和成熟度进行判断后将信息传递给控制器，控制器通过控制电动推杆的行程对末端执行器的开度和夹持力大小进行实时调控；
第六步，采摘前，电动推杆和液压支撑杆均在初始位置，
末端执行器的第一夹爪和第二夹爪正对着球形果形成相适应的开度；
开始执行采摘动作，控制器根据第一夹爪内压力传感器测得的压力值调节电动推杆运动行程，夹紧水果；
滑块开始工作，控制器控制电动推杆继续上移，使得第二夹爪下方的液压支撑杆受到果实重力的作用向下压缩一定的行程；滑块沿滑轨向下滑动一定距离、第一夹爪和第二夹爪夹住球形果向右下方翻转一定的角度；在翻转的同时，果梗被拉直，安装在第一夹爪上方的切割机构开始运行，控制器控制微型电机旋转，使得上刀片绕下刀片做往复直线切割运动切断果梗；
第七步，末端执行器回正，开始卸果：控制器控制电动推杆下移，液压支撑杆复位，第一夹爪和第二夹爪夹住球形果回到中间位置；随后，控制器控制电动推杆继续下移并驱动腕部电机旋转，使得末端执行器松开球形果朝拉环方向偏转，球形果靠重力作用掉落与之相对的收集漏斗中，沿柔性收集管落入收集框中，一次采摘作业完成；
第八步，采摘完当前果实后，处理器接收并分析深度相机当前采集的图像信息中是否存在未采摘的球形果；若一棵果树中存在未采摘的果实，机器人重复第四步、第五步、第六步、第七步实施新一轮采摘，直至一棵果树的果实全部采摘完毕；如果一棵果树中果实采摘完毕，则机器人控制返回第一步，深度相机继续扫描外部环境信息，机器人将自动移动到下一个位置，完成另外位置果树中所有果实采摘，直至完成整个果园的采摘任务。
有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)采摘时，深度相机采集图像信息并发送给处理器，处理器对接受到的信息进行分析处理后传递给控制器，控制器根据处理器传来的信息向移动小车、电动剪式升降平台、机械臂、末端执行器发送任务指令，从而实现自动采摘。采摘完成后通过收集装置自动收集果实，极大地节省了劳动力，在提高采摘效率和自动化程度的基础上降低了果实的损伤；
(2) 基于翻转和切割两种采摘分离方式设计了末端执行器，可实现苹果、柑橘、猕猴桃等多种球形果的采摘，通用性好；
(3)采用单个电动推杆作为末端执行器的动力输入，极大地减少电机在末端执行器中占用的空间，可进一步降低控制难度；
(4)末端执行器采用了滑块机构，可保障夹持机构翻转时角度可调，实现夹持后翻转、切割动作有序地进行，能很好地适应果实的果茎粗细、材质方面的差异化采摘；
(5) 采用的切割机构采用往复式切割原理，可切断不同粗细和材质的果茎，切割效果好，采摘成功率高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的后视图。
图3为本发明机械臂结构示意图。
图4为本发明末端执行器结构示意图。
图5为本发明切割机构结构示意图。
图6为本发明末端执行器采摘之前的工作状态示意图。
图7为本发明末端执行器抓取果实的工作状态示意图。
图8为本发明末端执行器翻转切割的工作状态示意图。
图9为本发明末端执行器采摘完成后回正的工作状态示意图。
图10为本发明球形果采摘机器人采摘流程图。
图中所示：移动小车(1)，双层车架（1-1），驱动车轮（1-2），驱动电机（1-3），电机连接件（1-4），电动剪式升降平台(2)，机械臂（3），基座（3-1），旋转电机（3-2），后臂电机（3-3），机械后臂（3-4），前臂电机（3-5），机械前臂（3-6），腕部电机（3-7）,机械手腕（3-8），视觉装置（4），相机支架（4-1），深度相机（4-2），末端执行器（5），T型座（5-1），电动推杆（5-2），第一夹爪（5-31），第二夹爪（5-32），V型活动连杆（5-33），L型第一推杆（5-34），L型第二推杆（5-35），切割机构（5-4），下刀片（5-41），滚珠条（5-42），上刀片（5-43），大凸轮（5-44），小凸轮（5-45），微型电机（5-46），电机支架（5-47），滚珠限位槽（5-48），滑轨（5-51），滑块（5-52），Y型拉杆（5-53），液压支撑杆（5-6），压力传感器（5-7），收集装置（6），拉环（6-1），收集漏斗（6-2），柔性收集管（6-3），收集框（6-4），控制装置（7），处理器（7-1），控制器（7-2），蓄电池（7-3）。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明如图1至图10所示：
一种球形果采摘机器人，包括移动小车1，移动小车为电动移动小车，移动小车上安装有电动剪式升降平台2、收集装置6和控制装置7，电动剪式升降平台2上安装有机械臂3，机械臂3上安装有视觉装置4和用于抓取水果的末端执行器5，
如图1和图2所示：所述移动小车1包括双层车架1-1，控制装置7设于双层车架1-1下层，电动剪式升降平台2和收集装置6设于双层车架1-1上层，双层车架1-1底面设有通过电机连接件1-4连接的驱动电机1-3，驱动电机的动力输出端与对称设于双层车架两侧的驱动车轮1-2相连接；
如图4所示：所述末端执行器5包括倒置的T型座5-1，底部与机械臂3前端固定连接，T型座两侧的水平段上一侧设有电动推杆5-2、另一侧对称设有液压支撑杆5-6，T型座竖直段顶部铰接有两个相对设置的夹爪，与电动推杆5-2同侧的为第一夹爪5-31，与液压支撑杆同侧的为第二夹爪5-32，第一夹爪和第二夹爪为中间向外拱起弯折形成的合抱结构、其拱起部之间一侧通过V型活动连杆5-33铰接（防止夹爪之间张合度过大，进一步提升夹爪的抓握稳定性）；电动推杆5-2与第一夹爪背面之间通过L型第一推杆5-34相互铰接、通过电动推杆的往复伸缩实现第一夹爪向第二卡爪的靠近或远离，第一夹爪5-31前端还设有用于切断果梗的切割机构5-4；T型座靠近液压支撑杆5-6一侧的竖直段上倾斜向上延伸设置有滑轨5-51，滑轨上嵌设有滑块5-52，第二夹爪与滑块之间通过L型第二推杆5-35相连接，L型第二推杆的上端与夹爪的拱起部之间活动铰接、下端与滑块5-52球铰接，液压支撑杆上铰接有Y型拉杆5-53，Y型拉杆的上端与L型第二推杆5-35相对侧的中间位置固定连接、通过液压支撑杆的压缩和复位使滑块滑动带动第二夹爪5-32翻转；
所述第一夹爪5-31和第二夹爪5-32的内侧设置有柔性材质的内衬及压力传感器5-7,压力传感器与控制装置相连接，柔性材质可以为硅胶、海绵类材料，避免损伤果实；
所述T型座竖直段与滑轨之间的夹角为60°-70°，避免干涉；
所述移动小车1、电动剪式升降平台2、机械臂3、视觉装置4和末端执行器5通过控制装置7控制。
如图3所示：所述机械臂3为四自由度机械臂，包括基座3-1、旋转电机3-2、后臂电机3-3、柱形框架式结构的机械后臂3-4、前臂电机3-5、柱形框架式结构的机械前臂3-6、腕部电机3-7、机械手腕3-8，其中：
所述基座3-1为多圆盘叠加组合式结构，基座3-1固定在电动剪式升降平台2顶部，旋转电机3-2设于基座3-1中间，后臂电机3-3固定在旋转电机3-2的动力输出端上，机械后臂3-4后端与后臂电机3-3的动力输出端径向转动连接（沿径向旋转通过调整角度实现升降），机械臂3通过旋转电机实现水平360°旋转，机械后臂3-4前端通过前臂电机3-5与机械前臂3-6后端径向转动连接，机械前臂3-6前端固定有所述腕部电机3-7、腕部电机的动力输出端上旋转连接所述机械手腕3-8，机械手腕3-8的垂直方向上安装有所述视觉装置4，末端执行器5的T型座底部安装于机械手腕3-8前端；
所述旋转电机3-2、后臂电机3-3、前臂电机3-5、腕部电机3-7均与控制装置7相连接；
如图4、图5所示：所述切割机构5-4位于第一夹爪5-31的前端、用于末端执行器5夹住果实进行翻转时与果梗相抵接并切断果梗，切割机构包括下刀片5-41、滚珠条5-42、上刀片5-43、大凸轮5-44、小凸轮5-45和微型电机5-46，所述上刀片5-43、下刀片5-41均为直线形单刃锯齿刀片，第一夹爪5-31前端设有向内弯折的刀片安装部、刀片安装部上设有滑槽，下刀片固定在滑槽内，滚珠条5-42设于上刀片与下刀片之间的滚珠限位槽5-48内（上刀片与下刀片相对面上设有相对应的滚珠限位槽5-48）、上刀片通过滚珠条与下刀片滑动配合，上刀片5-43一侧依次连接所述大凸轮5-44、小凸轮5-45和微型电机5-46，微型电机通过电机支架5-41固定在第一夹爪上，通过微型电机5-46动力输出端转动带动小凸轮5-45和大凸轮5-44旋转、实现上刀片5-43绕下刀片5-41作往复直线切割运动。
如图1、图3所示：视觉装置4包括相机支架4-1、深度相机4-2，深度相机4-2通过相机支架4-1固定在机械手腕3-8上并顶托于末端执行器5的正上方。
如图1所示：所述收集装置6包括拉环6-1、收集漏斗6-2、柔性收集管6-3和收集框6-4，拉环6-1根部固定于T型座5-1远离V型连杆一侧，拉环6-1正对着V型连杆5-33，拉环6-1与收集漏斗6-2上边缘配合连接，收集漏斗6-2底部连接有所述柔性收集管6-3，柔性收集管6-3尾端放置有所述收集框6-4，收集框布置于双层车架1-1顶部前端。
如图1所示：所述控制装置7包括处理器7-1、控制器7-2和蓄电池7-3，蓄电池7-3分别与驱动电机1-3、电动剪式升降平台2、旋转电机3-2、后臂电机3-3、前臂电机3-5、腕部电机3-7、深度相机4-2、电动推杆5-2、微型电机5-46、压力传感器5-7、处理器7-1和控制器7-2电性连接；
采摘机器人通过处理器7-1将深度相机4-2传递的图像信息进行分析处理后传递给控制器7-2，控制器7-2控制移动小车1、电动剪式升降平台2、机械臂3、末端执行器5工作，完成果实采摘任务。
如图6至图10所示，本发明还提供一种球形果采摘机器人的采摘方法，具体实施步骤如下：
第一步，首先设定好要采摘的果实信息，系统各参数初始化；深度相机4-2扫描外部环境，获取果树及周围环境信息，并将信息交由处理器7-1进行分析处理；
第二步，处理器7-1接收并分析深度相机4-2传递的果树信息，计算出采摘停靠区域位置以及到到达该位置的最优路径，并将信号传递给控制器7-2，控制器7-2控制驱动电机1-3的转速使移动小车1达到指定采摘停靠区域；
第三步，移动小车1到达采摘停靠区域后，处理器7-1根据深度相机4-2采集的果树图像，识别出的图像中包含的所有果实信息并结合机械臂3的工作空间，判断机械臂3工作空间是否覆盖所有球形果；若未覆盖，处理器7-1计算需要升降的高度，并将信号传递给控制器7-2，控制器7-2控制电动剪式升降平台2升降，直至机械臂3的工作空间覆盖整个球形果后方可进行下一步操作；
第四步，深度相机4-2采集球形果的位姿信息并发送给处理器7-1，处理器7-1结合末端执行器5的位置信息判断末端执行器5是否到达球形果采摘位置；若末端执行器5未到达球形果采摘位置，处理器7-1计算出旋转电机3-2、后臂电机3-3、前臂电机3-5、腕部电机3-7各自需要旋转的角度，并将信号传递给控制器7-2，进一步由控制器7-2控制机械臂3进行多自由运动，使得末端执行器5到达球形果采摘位置后方可进行下一步操作；
第五步，深度相机4-2扫描待采摘果实的颜色、大小等图像信息，进一步将信息传递给处理器7-1，处理器7-1对果实大小和成熟度进行判断后将信息传递给控制器7-2，控制器7-2通过控制电动推杆5-2的行程对末端执行器5的开度和夹持力大小进行实时调控；
第六步，采摘前，电动推杆5-2和液压支撑杆5-6均在初始位置，
末端执行器5的第一夹爪5-31和第二夹爪5-32正对着球形果形成相适应的开度；
开始执行采摘动作，控制器7-2根据第一夹爪5-31内压力传感器5-7测得的压力值调节电动推杆5-2运动行程，夹紧水果；
滑块开始工作，控制器7-2控制电动推杆5-2继续上移，使得第二夹爪5-32下方的液压支撑杆5-6受到果实重力的作用向下压缩一定的行程；滑块5-52沿滑轨5-51向下滑动一定距离、第一夹爪5-31和第二夹爪5-32夹住球形果向右下方翻转一定的角度；在翻转的同时，果梗被拉直，安装在第一夹爪5-31上方的切割机构5-4开始运行，控制器7-2控制微型电机5-46旋转，使得上刀片5-43绕下刀片5-41做往复直线切割运动切断果梗；
第七步，末端执行器5回正，开始卸果：控制器7-2控制电动推杆5-2下移，液压支撑杆5-6复位，第一夹爪5-31和第二夹爪5-32夹住球形果回到中间位置；随后，控制器7-2控制电动推杆5-2继续下移并驱动腕部电机3-7旋转，使得末端执行器5松开球形果朝拉环6-1方向偏转，球形果靠重力作用掉落与之相对的收集漏斗6-2中，沿柔性收集管6-3落入收集框6-4中，一次采摘作业完成；
第八步，采摘完当前果实后，处理器7-1接收并分析深度相机4-2当前采集的图像信息中是否存在未采摘的球形果；若一棵果树中存在未采摘的果实，机器人重复第四步、第五步、第六步、第七步实施新一轮采摘，直至一棵果树的果实全部采摘完毕；如果一棵果树中果实采摘完毕，则机器人控制返回第一步，深度相机4-2继续扫描外部环境信息，机器人将自动移动到下一个位置，完成另外位置果树中所有果实采摘，直至完成整个果园的采摘任务。
本说明书中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)
1.一种球形果采摘机器人，包括移动小车（1），其特征在于：所述移动小车为电动移动小车，移动小车上安装有电动剪式升降平台（2）、收集装置（6）和控制装置（7），电动剪式升降平台（2）上安装有机械臂（3），机械臂（3）上安装有视觉装置（4）和用于抓取水果的末端执行器（5），
所述移动小车（1）包括双层车架（1-1），控制装置（7）设于双层车架（1-1）下层，电动剪式升降平台（2）和收集装置（6）设于双层车架（1-1）上层，双层车架（1-1）底面设有通过电机连接件（1-4）连接的驱动电机（1-3），驱动电机的动力输出端与对称设于双层车架两侧的驱动车轮（1-2）相连接；
所述末端执行器（5）包括倒置的T型座（5-1），底部与机械臂（3）前端固定连接，T型座两侧的水平段上一侧设有电动推杆（5-2）、另一侧对称设有液压支撑杆（5-6），T型座竖直段顶部铰接有两个相对设置的夹爪，与电动推杆（5-2）同侧的为第一夹爪（5-31），与液压支撑杆同侧的为第二夹爪（5-32），第一夹爪和第二夹爪为中间向外拱起弯折形成的合抱结构、其拱起部之间一侧通过V型活动连杆（5-33）铰接；电动推杆（5-2）与第一夹爪背面之间通过L型第一推杆（5-34）相互铰接、通过电动推杆的往复伸缩实现第一夹爪向第二卡爪的靠近或远离，第一夹爪（5-31）前端还设有用于切断果梗的切割机构（5-4）；T型座靠近液压支撑杆（5-6）一侧的竖直段上倾斜向上延伸设置有滑轨（5-51），滑轨上嵌设有滑块（5-52），第二夹爪与滑块之间通过L型第二推杆（5-35）相连接，L型第二推杆的上端与夹爪的拱起部之间活动铰接、下端与滑块（5-52）球铰接，液压支撑杆上铰接有Y型拉杆（5-53），Y型拉杆的上端与L型第二推杆（5-35）相对侧的中间位置固定连接、通过液压支撑杆的压缩和复位使滑块滑动带动第二夹爪（5-32）翻转；
所述移动小车（1）、电动剪式升降平台（2）、机械臂（3）、视觉装置（4）和末端执行器（5）通过控制装置（7）控制。
2.根据权利要求1所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：
所述机械臂（3）包括基座（3-1）、旋转电机（3-2）、后臂电机（3-3）、柱形框架式结构的机械后臂（3-4）、前臂电机（3-5）、柱形框架式结构的机械前臂（3-6）、腕部电机（3-7）、机械手腕（3-8），其中：
所述基座（3-1）为多圆盘叠加组合式结构，基座（3-1）固定在电动剪式升降平台（2）顶部，旋转电机（3-2）设于基座（3-1）中间，后臂电机（3-3）固定在旋转电机（3-2）的动力输出端上，机械后臂（3-4）后端与后臂电机（3-3）的动力输出端径向转动连接，机械臂（3）通过旋转电机实现水平360°旋转，机械后臂（3-4）前端通过前臂电机（3-5）与机械前臂（3-6）后端径向转动连接，机械前臂（3-6）前端固定有所述腕部电机（3-7）、腕部电机的动力输出端上旋转连接所述机械手腕（3-8），机械手腕（3-8）的垂直方向上安装有所述视觉装置（4），末端执行器（5）的T型座底部安装于机械手腕（3-8）前端；
所述旋转电机（3-2）、后臂电机（3-3）、前臂电机（3-5）、腕部电机（3-7）均与控制装置（7）相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：所述第一夹爪（5-31）和第二夹爪（5-32）的内侧设置有柔性材质的内衬及压力传感器（5-7）,压力传感器与控制装置相连接。
4.根据权利要求3所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：所述T型座竖直段与滑轨之间的夹角为60°-70°。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：所述切割机构（5-4）位于第一夹爪（5-31）的前端、用于末端执行器（5）夹住果实进行翻转时与果梗相抵接并切断果梗，切割机构包括下刀片（5-41）、滚珠条（5-42）、上刀片（5-43）、大凸轮（5-44）、小凸轮（5-45）和微型电机（5-46），所述上刀片（5-43）、下刀片（5-41）均为直线形单刃锯齿刀片，第一夹爪（5-31）前端设有向内弯折的刀片安装部、刀片安装部上设有滑槽，下刀片固定在滑槽内，滚珠条（5-42）设于上刀片与下刀片之间的滚珠限位槽内、上刀片通过滚珠条与下刀片滑动配合，上刀片（5-43）一侧依次连接所述大凸轮（5-44）、小凸轮（5-45）和微型电机（5-46），微型电机通过电机支架（5-47）固定在第一夹爪上，通过微型电机（5-46）动力输出端转动带动小凸轮（5-45）和大凸轮（5-44）旋转、实现上刀片（5-43）绕下刀片（5-41）作往复直线切割运动。
6.根据权利要求5所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：所述收集装置（6）包括拉环（6-1）、收集漏斗（6-2）、柔性收集管（6-3）和收集框（6-4），拉环（6-1）根部固定于T型座（5-1）远离V型连杆一侧，拉环（6-1）正对着V型连杆5-33，拉环（6-1）与收集漏斗（6-2）上边缘配合连接，收集漏斗（6-2）底部连接有所述柔性收集管（6-3），柔性收集管（6-3）尾端放置有所述收集框（6-4），收集框布置于双层车架（1-1）顶部前端。
7.根据权利要求6所述的一种球形果采摘机器人，其特征在于：所述控制装置（7）包括处理器（7-1）、控制器（7-2）和蓄电池（7-3），蓄电池（7-3）分别与驱动电机（1-3）、电动剪式升降平台（2）、旋转电机（3-2）、后臂电机（3-3）、前臂电机（3-5）、腕部电机（3-7）、深度相机（4-2）、电动推杆（5-2）、微型电机（5-46）、压力传感器（5-7）、处理器（7-1）和控制器（7-2）电性连接；
采摘机器人通过处理器（7-1）将深度相机（4-2）传递的图像信息进行分析处理后传递给控制器（7-2），控制器（7-2）控制移动小车（1）、电动剪式升降平台（2）、机械臂（3）、末端执行器（5）工作，完成果实采摘任务。
8.权利要求7所述一种球形果采摘机器人的采摘方法，其特征在于：
第一步，首先设定好要采摘的果实信息，系统各参数初始化；深度相机（4-2）扫描外部环境，获取果树及周围环境信息，并将信息交由处理器（7-1）进行分析处理；
第二步，处理器（7-1）接收并分析深度相机（4-2）传递的果树信息，计算出采摘停靠区域位置以及到到达该位置的最优路径，并将信号传递给控制器（7-2），控制器（7-2）控制驱动电机（1-3）的转速使移动小车（1）达到指定采摘停靠区域；
第三步，移动小车（1）到达采摘停靠区域后，处理器（7-1）根据深度相机（4-2）采集的果树图像，识别出的图像中包含的所有果实信息并结合机械臂（3）的工作空间，判断机械臂（3）工作空间是否覆盖所有球形果；若未覆盖，处理器（7-1）计算需要升降的高度，并将信号传递给控制器（7-2），控制器（7-2）控制电动剪式升降平台（2）升降，直至机械臂（3）的工作空间覆盖整个球形果后方可进行下一步操作；
第四步，深度相机（4-2）采集球形果的位姿信息并发送给处理器（7-1），处理器（7-1）结合末端执行器（5）的位置信息判断末端执行器（5）是否到达球形果采摘位置；若末端执行器（5）未到达球形果采摘位置，处理器（7-1）计算出旋转电机（3-2）、后臂电机（3-3）、前臂电机（3-5）、腕部电机（3-7）各自需要旋转的角度，并将信号传递给控制器（7-2），进一步由控制器（7-2）控制机械臂（3）进行多自由运动，使得末端执行器（5）到达球形果采摘位置后方可进行下一步操作；
第五步，深度相机（4-2）扫描待采摘果实的颜色、大小等图像信息，进一步将信息传递给处理器（7-1），处理器（7-1）对果实大小和成熟度进行判断后将信息传递给控制器（7-2），控制器（7-2）通过控制电动推杆（5-2）的行程对末端执行器（5）的开度和夹持力大小进行实时调控；
第六步，采摘前，电动推杆（5-2）和液压支撑杆（5-6）均在初始位置，
末端执行器（5）的第一夹爪（5-31）和第二夹爪（5-32）正对着球形果形成相适应的开度；
开始执行采摘动作，控制器（7-2）根据第一夹爪（5-31）内压力传感器（5-7）测得的压力值调节电动推杆（5-2）运动行程，夹紧水果；
滑块开始工作，控制器（7-2）控制电动推杆（5-2）继续上移，使得第二夹爪（5-32）下方的液压支撑杆（5-6）受到果实重力的作用向下压缩一定的行程；滑块（5-52）沿滑轨（5-51）向下滑动一定距离、第一夹爪（5-31）和第二夹爪（5-32）夹住球形果向右下方翻转一定的角度；在翻转的同时，果梗被拉直，安装在第一夹爪（5-31）上方的切割机构（5-4）开始运行，控制器（7-2）控制微型电机（5-46）旋转，使得上刀片（5-43）绕下刀片（5-41）做往复直线切割运动切断果梗；
第七步，末端执行器（5）回正，开始卸果：控制器（7-2）控制电动推杆（5-2）下移，液压支撑杆（5-6）复位，第一夹爪（5-31）和第二夹爪（5-32）夹住球形果回到中间位置；随后，控制器（7-2）控制电动推杆（5-2）继续下移并驱动腕部电机（3-7）旋转，使得末端执行器（5）松开球形果朝拉环（6-1）方向偏转，球形果靠重力作用掉落与之相对的收集漏斗（6-2）中，沿柔性收集管（6-3）落入收集框（6-4）中，一次采摘作业完成；
第八步，采摘完当前果实后，处理器（7-1）接收并分析深度相机（4-2）当前采集的图像信息中是否存在未采摘的球形果；若一棵果树中存在未采摘的果实，机器人重复第四步、第五步、第六步、第七步实施新一轮采摘，直至一棵果树的果实全部采摘完毕；如果一棵果树中果实采摘完毕，则机器人控制返回第一步，深度相机（4-2）继续扫描外部环境信息，机器人将自动移动到下一个位置，完成另外位置果树中所有果实采摘，直至完成整个果园的采摘任务。
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