CN114946408B - 一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置及其操作方法。装置包括车体、升降装置、移动平台、执行末端、视觉模块、收集装置；车体为四轮式，上端设果实收集框；移动平台包括水平移动层、旋转层、进给层；执行末端包括捉取瓜果的捉取机构和切断瓜梗的分断机构；收集装置包括水平传送带、斜向传送带；视觉模块、执行末端、进给层、旋转层、水平移动层、升降装置、车体依次相接；升降装置位于果实收集框的前侧，水平传送带位于果实收集框的一侧，斜向传送带设置在水平传送带的后侧和果实收集框之间。本发明集检测、采摘、收集和运输功能于一体，适用于设施栽培瓜的大面积采摘，属于设施栽培器械技术领域。

Description

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置

技术领域

本发明涉及设施栽培器械，具体涉及一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置及其操作方法。

背景技术

设施栽培，指的是指利用温室、塑料棚等保护地设施进行提早、延后和遮阳等形式的栽培，使之在不适宜或不利的气候条件下，人为地创造适合蔬菜生长的环境和条件，增加淡季蔬菜生产和花色品种，从而保证市场供应。设施栽培瓜一般是在温室或塑料棚内搭建培育架，瓜蔓吊绑在培育架上，为了提高产量摆放更多培育架，培育架呈矩形阵列排布。

随着人们生活水平的提高，消费者对瓜类品质的要求也越来越高, 优质冬瓜、南瓜等备受青睐。由于品质优、销路畅, 经济效益高，设施栽培种植面积不断增加，使瓜农增收显著。传统设施瓜类收获难以引入大型器械，收获方式与垄植瓜类不同而常用纯人工的收获方法，用人工完成瓜类的采摘、收集。

随着果园的发展、规模的扩大，机械化农业得以逐步引进，收获方法得到了改进。常用的方法为在设施过道上铺设轨道，人乘坐小型收集车在轨道上手工采摘瓜并放入收集框。此种方式免去了农民的位置移动，有效地提高了收获效率。但是随着设施栽培规模的扩大，对于农民本身而言总劳动强度并未有效降低，总劳动量依然巨大，机械化程度以及智能化程度较低；同时，现有的小型收集车需要在培育架前铺设轨道，大量轨道的使用，增加了搭建和改造的难度。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种集检测、采摘、收集和运输功能于一体的面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置及其操作方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置，包括车体、升降装置、移动平台、执行末端、视觉模块、收集装置；车体为四轮式，上端设置果实收集框；移动平台包括水平移动层、旋转层、进给层；执行末端包括捉取瓜果的捉取机构和切断瓜梗的分断机构，分断机构位于捉取机构的上方；收集装置包括水平传送带、斜向传送带；视觉模块与执行末端固定连接；执行末端通过进给层径向位置可调式与旋转层连接，进给层通过旋转层水平位置转动式与水平移动层连接，旋转层通过水平移动层左右位置可调式与升降装置相接，水平移动层通过升降装置高度可调式与车体相接；升降装置位于果实收集框的前侧，沿着前后方向延伸的水平传送带位于果实收集框的一侧，沿着左右方向延伸的斜向传送带设置在水平传送带的后侧和果实收集框之间。

作为一种优选，车体设置有动力系统和转向系统，动力系统、转向系统均搭载于车体底盘一层，底盘二层搭载果实收集框。

作为一种优选，升降装置包括液压推杆、导向架、升降台；导向架包括左右两根安装在车体上的C型钢材，两根C型钢材的开口朝向内侧，升降台的左右两侧各设置有2个导向轮，导向轮在C型钢材的开口内滚动；液压推杆安装在车体和导向架之间，通过液压推杆驱动升降台升降，升降台与水平移动层相接。

作为一种优选，水平移动层包括水平支撑板、滑轨、水平丝杆、丝杆电机，滑轨的数量为两条，滑轨与丝杆电机固连在水平支撑板上，水平丝杆由水平支撑板支撑并与丝杆电机通过联轴器相连；旋转层包括旋转台、旋转电机、带传动组、传动轴，旋转台的底部有两道与水平移动层的滑轨配合的滑槽和一个与水平移动层的水平丝杆配合的丝杆孔，传动轴竖直设置，旋转电机通过带传动组带动传动轴转动；进给层包括进给支撑板、进给电机、滑轨、水平丝杆、进给板，传动轴驱动进给支撑板转动，滑轨的数量为两条，滑轨与进给电机固连在进给支撑板上，水平丝杆由进给支撑板支撑并与进给电机通过联轴器相连，进给板底部有两道与进给层的滑轨配合的滑槽和一个与进给层的水平丝杆配合的丝杆孔，通过进给电机带动水平丝杆转动从而带动进给板进给或后退。

作为一种优选，抓取机构包括固定座、旋转电机、抓取爪，固定座与进给板固定连接，旋转电机安装在固定座上，抓取爪的基座通过轴承与旋转电机连接，旋转电机带动抓取爪轴向旋转，抓取爪的基座内置电动推杆控制抓取爪的开合；分断机构包括小型电锯、电锯座、电机、电机座，电机座固定在固定座侧面，电机固定在电机座下平面并与电锯座通过法兰盘相连，小型电锯与电锯座固定，电机带动小型电锯在水平面上转动实现进给切割或退刀。

作为一种优选，视觉模块包括深度相机，深度相机搭载于抓取机构的固定座上。

作为一种优选，水平传送带架设于车体侧方，传送方向与车体前进方向平行；斜向传送带呈Z型，斜向传送带上每隔一段距离设置有一块辅助瓜果沿着斜向传送带向上输送的挡板，斜向传送带的传送方向与车体前进方向垂直。

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置的操作方法，采摘瓜类果实时，车体在预定路线中行走，车体到达每个预采摘位置时停止，通过深度相机在预采摘位置收集图像信息，使得视觉模块能够采集到一定区域内果实的信息。

作为一种优选，当视觉模块采集到果实图像信息后，控制系统对果实图像信息进行处理，并且生成对应控制指令；根据生成的指令，先由液压推杆将升降台抬升到瓜果所在高度，然后移动平台进行左右移动、旋转调整进给角度，然后执行末端通过抓取机构的旋转电机调整抓取爪的姿态，再由移动平台的进给层带动执行末端的抓取机构前进到达果实位置；当执行末端到达瓜位置时，根据生成的指令抓取爪合并夹紧需要采集的瓜，再由分断机构的电机操作小型电锯旋转以切断瓜梗，完成一次采摘；采摘完成后，根据生成的指令，抓取机构通过旋转电机的转动将自身的姿态与原本吊竖着的瓜横置，通过移动平台完成后退、调整角度移动，通过升降平台将抓取着瓜的抓取爪移动到水平传送带近上方，然后松开抓取爪令瓜滚落至水平传送带，随后升降装置、移动平台、执行末端调整自身的位置与姿态回到初始位置，预备下一次采摘，同时瓜通过水平传送带移动至车体侧后方，滚落至斜向传送带，再由斜向传送带运输至果实收集框，完成一次收集。

作为一种优选，四轮式多功能果园机械装置的升降装置和移动平台具有多个自由度，可将执行末端以多种路径到达指定位置，强化了避障能力。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.相较于传统的设施栽培的轨道小型收集车，智能化程度较高，集检测、采摘、收集和运输功能于一体，适用于设施栽培瓜的大面积采摘，智能化程度高，瓜果的整个收获流程可由一机独立完成，极大地降低了劳动强度，大幅度保证了农民的安全，提高了采摘效率。

2.本发明的控制系统与基于深度相机的视觉系统进行组合而成的智能操作系统，通过深度相机获取图像并且将图像传输至控制系统，控制系统通过对图像的处理实现瓜果植株的三维空间模型构建，实现对果实的位置识别以及定位，并通过算法实现采摘的路径和动作的规划，实现采摘的仿真模拟。通过该智能操作系统控制升降装置、移动平台令执行末端达到工作位置，以实现快速采摘的动作，有效提升采摘的效率、减少采摘所用的时间，同时减少采摘过程中对瓜果实的损伤。

3.本发明的果园机械装置的采摘机构采用笛卡尔坐标系型结构，将机械装备的采摘操作使用简单的水平、竖直动作，因此坐标、路径计算以及操作控制较简单，提高计算精度以及采摘果实的成功率。同时如此设计有利于采摘过程中对障碍物的规避以及对采摘动作轨迹的自动调整，有利于提高减少机器损耗，延长机器的使用寿命。

4.本发明的果园机械装置，其传送带布置在侧后且靠下放置，可避免产生因运动机构过于靠前而导致的重心不平衡的缺陷，利于车体运动状态的维持，保持工作状态稳定。

5.本发明的果园机械装置，升降装置、移动平台拥有多个自由度，其可将执行末端以多种路径到达某一指定位置，该组合强化了机械结构的避障能力，能够允许执行末端绕过障碍物到达瓜梗位置进行采摘工作，提供了无死角采摘的机械结构条件。

附图说明

图1为四轮式多功能果园机械装置整体结构的轴测图。

图2为四轮式多功能果园机械装置整体结构的主视图。

图3为四轮式多功能果园机械装置整体结构的俯视图。

图4a和图4b为四轮式多功能果园机械装置升降装置的正视图和左视图。

图5为四轮式多功能果园机械装置的轴测图。

图6为四轮式多功能果园机械装置移动平台的轴测图。

图7a和图7b为四轮式多功能果园机械装置移动平台的正视图和俯视图。

图8为四轮式多功能果园机械装置执行末端搭载视觉模块的轴测图。

图9a和图9b为四轮式多功能果园机械装置执行末端搭载视觉模块的正视图和俯视图。

图中，1为车体；2为升降装置；2-1为液压推杆；2-2为导向架；2-3为升降台；3为移动平台；3-1为水平移动层；3-2为旋转层；3-3为进给层；4为执行末端；4-1为抓取爪；4-2为固定座；4-3为小型电锯；4-4为电机；4-5为旋转电机；5为视觉模块；6为收集装置。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

本实施例的四轮式多功能果园机械装置解决了现有设施种植瓜类采摘因为基本是靠人力而存在的采摘效率低下、劳动强度大等问题，这些问题会影响植株规模化采摘，机械化生产能够代替人工以及辅助机器式的传统的采摘模式，并在一定程度上能够实现智能识别的机械化与自动化采摘，具有工作效率较高、精准定位、智能采摘、减轻劳动强度等特点。

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置，包括车体、升降装置、移动平台、执行末端、视觉模块、收集装置；车体为四轮式，上端设置果实收集框；移动平台包括水平移动层、旋转层、进给层；执行末端包括捉取瓜果的捉取机构和切断瓜梗的分断机构，分断机构位于捉取机构的上方；收集装置包括水平传送带、斜向传送带；视觉模块与执行末端固定连接；执行末端通过进给层径向位置可调式与旋转层连接，进给层通过旋转层水平位置转动式与水平移动层连接，旋转层通过水平移动层左右位置可调式与升降装置相接，水平移动层通过升降装置高度可调式与车体相接；升降装置位于果实收集框的前侧，沿着前后方向延伸的水平传送带位于果实收集框的一侧，沿着左右方向延伸的斜向传送带设置在水平传送带的后侧和果实收集框之间。

车体设置有动力系统和转向系统，动力系统、转向系统均搭载于车体底盘一层，底盘二层搭载果实收集框。

升降装置包括液压推杆、导向架、升降台；导向架包括左右两根安装在车体上的C型钢材，两根C型钢材的开口朝向内侧，升降台的左右两侧各设置有2个导向轮，导向轮在C型钢材的开口内滚动；液压推杆安装在车体和导向架之间，通过液压推杆驱动升降台升降，升降台与水平移动层相接。

水平移动层包括水平支撑板、滑轨、水平丝杆、丝杆电机，滑轨的数量为两条，滑轨与丝杆电机固连在水平支撑板上，水平丝杆由水平支撑板支撑并与丝杆电机通过联轴器相连。

旋转层包括旋转台、旋转电机、带传动组、传动轴，旋转台的底部有两道与水平移动层的滑轨配合的滑槽和一个与水平移动层的水平丝杆配合的丝杆孔，传动轴竖直设置，旋转电机通过带传动组带动传动轴转动。

进给层包括进给支撑板、进给电机、滑轨、水平丝杆、进给板，传动轴驱动进给支撑板转动，滑轨的数量为两条，滑轨与进给电机固连在进给支撑板上，水平丝杆由进给支撑板支撑并与进给电机通过联轴器相连，进给板底部有两道与进给层的滑轨配合的滑槽和一个与进给层的水平丝杆配合的丝杆孔，通过进给电机带动水平丝杆转动从而带动进给板进给或后退。

抓取机构包括固定座、旋转电机、抓取爪，固定座与进给板固定连接，旋转电机安装在固定座上，抓取爪的基座通过轴承与旋转电机连接，旋转电机带动抓取爪轴向旋转，抓取爪的基座内置电动推杆控制抓取爪的开合。

分断机构包括小型电锯、电锯座、电机、电机座，电机座固定在固定座侧面，电机固定在电机座下平面并与电锯座通过法兰盘相连，小型电锯与电锯座固定，电机带动小型电锯在水平面上转动实现进给切割或退刀。

视觉模块包括深度相机，深度相机搭载于抓取机构的固定座上。

水平传送带架设于车体侧方，传送方向与车体前进方向平行。

斜向传送带呈Z型，斜向传送带上每隔一段距离设置有一块辅助瓜果沿着斜向传送带向上输送的挡板，斜向传送带的传送方向与车体前进方向垂直。

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置的操作方法，采摘瓜类果实时，车体在预定路线中行走，车体到达每个预采摘位置时停止，通过深度相机在预采摘位置收集图像信息，使得视觉模块能够采集到一定区域内果实的信息。

当视觉模块采集到果实图像信息后，控制系统对果实图像信息进行处理，并且生成对应控制指令；根据生成的指令，先由液压推杆将升降台抬升到瓜果所在高度，然后移动平台进行左右移动、旋转调整进给角度，然后执行末端通过抓取机构的旋转电机调整抓取爪的姿态，再由移动平台的进给层带动执行末端的抓取机构前进到达果实位置；当执行末端到达瓜位置时，根据生成的指令抓取爪合并夹紧需要采集的瓜，再由分断机构的电机操作小型电锯旋转以切断瓜梗，完成一次采摘；采摘完成后，根据生成的指令，抓取机构通过旋转电机的转动将自身的姿态与原本吊竖着的瓜横置，通过移动平台完成后退、调整角度移动，通过升降平台将抓取着瓜的抓取爪移动到水平传送带近上方，然后松开抓取爪令瓜滚落至水平传送带，随后升降装置、移动平台、执行末端调整自身的位置与姿态回到初始位置，预备下一次采摘，同时瓜通过水平传送带移动至车体侧后方，滚落至斜向传送带，再由斜向传送带运输至果实收集框，完成一次收集。

四轮式多功能果园机械装置的升降装置和移动平台具有多个自由度，可将执行末端以多种路径到达指定位置，强化了避障能力。

一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置的操作方法，具体包括以下步骤：

S1、作业前，该机械装置进入作业区域，车体1按照设置好的轨道进行移动，视觉模块5每隔一段时间对行动轨迹上的果实采集一次视觉信息。

S2、当视觉模块采集到果实信息，车体1暂停前进，控制系统通过已有的命令对采集到的果实图像进行分析，生成采摘轨迹、动作，并进行仿真采摘模拟。

S3、若仿真模拟结果成功，则按照生成的采摘轨迹、动作路径，升降装置2将移动平台3、执行末端4抬升至所需高度，水平移动层3-1、旋转层 3-2带动执行末端4进行左右移动、角度转动以调整执行末端4前进的位置以及角度，然后执行末端4通过自身的转动电机4-5调整抓取爪4-1的姿态，然后进行步骤S4；若仿真模拟失败，则车体1往后移动小段距离，重新采集果实信息，转到步骤S2；若仿真模拟失败2次，则放弃本次采摘，进行下一次采摘。

S4、当步骤S3仿真模拟成功且抓取爪4-1调整姿态完成，则进给层3-3带动执行末端4前进到达果实位置，然后抓取爪4-1抓住所要采摘的瓜，随后电锯旋转电机控制电锯座带动固连的小型电锯4-3对瓜梗进行切割，切割后回归原位，完成一次切割。

S5、切割动作完成后进给层3-3带动执行末端4后退，转动电机4-5将抓取爪4-1与瓜横置，旋转层3-2令执行末端4的进给方向与传送带的传送方向垂直，升降装置将移动平台3、执行末端4下降到合适高度，然后抓取爪4-1松开，瓜将会滚落至水平传送带。

S6、水平传送带将瓜运输至车侧后方的斜向传送带，斜向传送带将瓜斜向运输至车中间的果实收集框内。

S7、瓜滚落后，升降装置回到作业前高度，步骤转到S1，重新开始收集信息，进行下一次采摘。

综上所述，本发明四轮式多功能果园机械装置，采用深度相机和控制系统组成智能系统，通过深度相机采集瓜果实位置图像并传输给控制系统，实现瓜株果实果梗的三维空间模型构建以及空间位置的定位识别，实现采摘轨迹自规划、采摘模拟仿真，通过控制升降装置、移动平台、执行末端到达工作位置，控制执行末端进行采摘果实，并将其移动到传送带上传送至车身果实收集框中，实现快速高效采摘动作，节省了人力，降低了劳动强度，提高了采摘效率，避免了采摘过程中对果实造成的机械损伤。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置，其特征在于：包括车体、升降装置、移动平台、执行末端、视觉模块、收集装置；

车体为四轮式，上端设置果实收集框；

移动平台包括水平移动层、旋转层、进给层；

执行末端包括捉取瓜果的抓取机构和切断瓜梗的分断机构，分断机构位于抓取机构的上方；

收集装置包括水平传送带、斜向传送带；

视觉模块与执行末端固定连接；执行末端通过进给层径向位置可调式与旋转层连接，进给层通过旋转层水平位置转动式与水平移动层连接，旋转层通过水平移动层左右位置可调式与升降装置相接，水平移动层通过升降装置高度可调式与车体相接；升降装置位于果实收集框的前侧，沿着前后方向延伸的水平传送带位于果实收集框的一侧，沿着左右方向延伸的斜向传送带设置在水平传送带的后侧和果实收集框之间；

升降装置包括液压推杆、导向架、升降台；导向架包括左右两根安装在车体上的C型钢材，两根C型钢材的开口朝向内侧，升降台的左右两侧各设置有2个导向轮，导向轮在C型钢材的开口内滚动；液压推杆安装在车体和导向架之间，通过液压推杆驱动升降台升降，升降台与水平移动层相接；

水平移动层包括水平支撑板、滑轨、水平丝杆、丝杆电机，滑轨的数量为两条，滑轨与丝杆电机固连在水平支撑板上，水平丝杆由水平支撑板支撑并与丝杆电机通过联轴器相连；

旋转层包括旋转台、旋转电机、带传动组、传动轴，旋转台的底部有两道与水平移动层的滑轨配合的滑槽和一个与水平移动层的水平丝杆配合的丝杆孔，传动轴竖直设置，旋转电机通过带传动组带动传动轴转动；

进给层包括进给支撑板、进给电机、滑轨、水平丝杆、进给板，传动轴驱动进给支撑板转动，滑轨的数量为两条，滑轨与进给电机固连在进给支撑板上，水平丝杆由进给支撑板支撑并与进给电机通过联轴器相连，进给板底部有两道与进给层的滑轨配合的滑槽和一个与进给层的水平丝杆配合的丝杆孔，通过进给电机带动水平丝杆转动从而带动进给板进给或后退；

抓取机构包括固定座、旋转电机、抓取爪，固定座与进给板固定连接，旋转电机安装在固定座上，抓取爪的基座通过轴承与旋转电机连接，旋转电机带动抓取爪轴向旋转，抓取爪的基座内置电动推杆控制抓取爪的开合；

分断机构包括小型电锯、电锯座、电机、电机座，电机座固定在固定座侧面，电机固定在电机座下平面并与电锯座通过法兰盘相连，小型电锯与电锯座固定，电机带动小型电锯在水平面上转动实现进给切割或退刀；

视觉模块包括深度相机，深度相机搭载于抓取机构的固定座上；

控制系统与基于深度相机的视觉模块进行组合形成智能操作系统，通过深度相机获取图像并且将图像传输至控制系统，控制系统通过对图像的处理实现瓜果植株的三维空间模型构建，实现对果实的位置识别以及定位，并通过算法实现采摘的路径和动作的规划，通过智能操作系统控制升降装置、移动平台令执行末端达到工作位置以实现采摘。

2.按照权利要求1所述的一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置，其特征在于：车体设置有动力系统和转向系统，动力系统、转向系统均搭载于车体底盘一层，底盘二层搭载果实收集框。

3.按照权利要求1所述的一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置，其特征在于：水平传送带架设于车体侧方，传送方向与车体前进方向平行；斜向传送带呈Z型，斜向传送带上每隔一段距离设置有一块辅助瓜果沿着斜向传送带向上输送的挡板，斜向传送带的传送方向与车体前进方向垂直。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的一种面向设施栽培瓜的四轮式多功能果园机械装置的操作方法，其特征在于：采摘瓜类果实时，车体在预定路线中行走，车体到达每个预采摘位置时停止，通过深度相机在预采摘位置收集图像信息，使得视觉模块能够采集到一定区域内果实的信息；

当视觉模块采集到果实图像信息后，控制系统对果实图像信息进行处理，并且生成对应控制指令；

根据生成的指令，先由液压推杆将升降台抬升到瓜果所在高度，然后移动平台进行左右移动、旋转调整进给角度，然后执行末端通过抓取机构的旋转电机调整抓取爪的姿态，再由移动平台的进给层带动执行末端的抓取机构前进到达果实位置；

当执行末端到达瓜位置时，根据生成的指令抓取爪合并夹紧需要采集的瓜，再由分断机构的电机操作小型电锯旋转以切断瓜梗，完成一次采摘；

采摘完成后，根据生成的指令，抓取机构通过旋转电机的转动将自身的姿态与原本吊竖着的瓜横置，通过移动平台完成后退、调整角度移动，通过升降台将抓取着瓜的抓取爪移动到水平传送带近上方，然后松开抓取爪令瓜滚落至水平传送带，随后升降装置、移动平台、执行末端调整自身的位置与姿态回到初始位置，预备下一次采摘，同时瓜通过水平传送带移动至车体侧后方，滚落至斜向传送带，再由斜向传送带运输至果实收集框，完成一次收集。