CN114982479A - 一种智能化全地形荔枝采摘机器人及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化全地形荔枝采摘机器人及采摘方法，机器人包括采摘作业部、车体运动部及主控系统。采摘作业部包括齿板剪切式采摘器、折叠输果带、柔性臂、视觉传感器及液压升降装置；车体运动部包括车仓、底座及与底座连接的四条多关节多转向支撑腿；车仓固设于底座顶部的回转平台上；齿板剪切式采摘器通过柔性臂及液压升降装置固连于车仓顶部基座；折叠输果带的第一落果口承接于齿板剪切式采摘器下部，其第二端通过车仓第二落果口连接存储果舱；视觉传感器设于齿板剪切式采摘器顶部。本发明利用视觉传感器准确识别、齿板剪切式采摘器自动采摘、全地形运动底盘的无障碍移动，实现全地形智能化荔枝采摘，降低人工采摘成本，提高采摘效率。

Description

一种智能化全地形荔枝采摘机器人及采摘方法

技术领域

本发明属于农业采摘机械领域，尤其涉及一种智能化全地形荔枝采摘机器人及采摘方法。

背景技术

近年来，目前，荔枝的采摘完全依靠人工采摘，采摘荔枝是一项劳作强度大、采收效率低且具有一定危险性的工作。国内外学者一直都在寻找机械化、自动化的荔枝采摘方法。然而，由于荔的果实是成穗的一串或者多串，且分布在高处，实现机械化采摘具有一定的难度。

农产品采摘装置是农业机械领域中的重要设备，现有的采摘装置存在着以下问题：

(1)多数采摘装置仍是半自动化采摘。尽管有机械化的采摘装置，但果农仍要耗费大量的时间与精力进行采摘作业，如需要人工操作机器，对果实进行定位采摘，并且需要人工进行收集、搬运、分类等耗费体力的工作。

(2)受各类因素扰动较大，易造成视觉识别定位不精准。目前对采摘装置视觉抓取控制智能化的研究越来越多，通过优化算法、改善设备来加强对于目标果实的识别，但是受各类因素影响比较大，如：机械臂自身摆动造成的误差、受枝叶的遮挡、果实自身的堆叠、自然环境下光线的强弱、周围相似物等等，这些因素都加剧了识别的难度。

(3)采摘作业中对果实损伤率较高。采摘装置的执行结构对果实一般采取物理方法(如切断、拧断、振动)完成采摘分离的过程，会出现损伤果实的外表皮的情况。

(4)采摘效率较低。采摘机械臂多使用刚性机械臂，机械臂运动和复位时间占总采摘时间50％以上。

(5)实际作业的环境复杂，采摘机器难易施展。有些果树种植地区为山地、丘陵等地貌，不便于现有采摘机械设备的进入与工作，难以适应复杂地形的行走运动。果农为提高单位种植面积效益，果园种植密度较大，需要在狭窄的通道穿行，采摘机器需要具备较高的灵活性。

针对上述存在的不足，需要设计一种作物损伤率低、采摘效率高、适应复杂地形的智能化采摘机器人及采摘方法，以提高荔枝采摘效率。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种智能化全地形荔枝采摘机器人及采摘方法，利用采摘作业部、车体运动部及主控系统的配合，利用视觉传感器准确识别、齿板剪切式采摘器自动采摘、全地形运动底盘的无障碍移动，降低人工采摘成本，提高采摘效率。

为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的一种智能化全地形荔枝采摘机器人，其包括：采摘作业部、车体运动部及主控系统；

所述采摘作业部包括齿板剪切式采摘器、折叠输果带、柔性臂、视觉传感器及液压升降装置；

所述车体运动部包括车仓及全地形运动底盘，所述车仓内设有可拆卸存储果舱及所述主控系统；所述全地形运动底盘包括底座及与所述底座连接的四条多关节多转向支撑腿；所述底座顶部设有能够自由转向的回转平台，所述车仓固设于所述回转平台上；

所述齿板剪切式采摘器通过万向节连接柔性臂的一端，柔性臂的另一端连接所述液压升降装置的一端，所述液压升降装置的另一端通过基座固连于所述车仓顶部；所述折叠输果带的第一端设有第一落果口，所述第一落果口与所述齿板剪切式采摘器活动连接、承接于所述齿板剪切式采摘器下部，所述折叠输果带的第二端与所述车仓的第二落果口连接，所述存储果舱上开设有与第二落果口对接的接果口；所述视觉传感器设置于所述齿板剪切式采摘器的护罩顶部；

所述主控系统分别与所述视觉传感器、齿板剪切式采摘器、液压升降装置、回转平台及全地形运动底盘电连接或通信连接。

进一步地，所述齿板剪切式采摘器包括护罩、滚轴及齿板，所述滚轴两端滚动连接在护罩内部，所述滚轴外表面固设有齿板，内部装有电动机，所述齿板上设有切刀。

进一步地，所述液压升降装置包括第一液压伸缩杆和第二液压伸缩杆，所述第一液压伸缩杆的第一端连接所述柔性臂，所述第一液压伸缩杆的另一端固设于基座；所述第二液压伸缩杆的第一端连接所述第一液压伸缩杆的外杆，所述第二液压伸缩杆的另一端固设于基座。

进一步地，所述车仓设有仓门，用于存储果舱的拆卸和装入。

进一步地，所述多关节多转向支撑腿包括车轮、前支撑腿、后支撑腿、驱动电机及转向电机；所述车轮通过车轴固定于驱动电机，所述驱动电机外套设第一电机固定环，所述第一电机固定环与所述前支撑腿固连，所述前支撑腿通过关节机构连接所述后支撑腿，所述后支撑腿铰接连接转向电机，所述转向电机设于第二电机固定环内，所述第二电机固定环内嵌于所述底座一角；所述底座为长方体，内置大功率蓄电池，所述底座具有四角，每条所述多关节多转向支撑腿通过一个第二电机固定环连接于所述底座一角。

进一步地，所述视觉传感器为OpenMV 4。

进一步地，所述主控系统为stm32开发板。

进一步地，所述车仓上设有导风装置，用于对存储果舱内荔枝通风。

本发还提供一种智能化全地形荔枝采摘方法，其应用于智能化全地形荔枝采摘机器人，其包括以下步骤：

S1、智能化全地形荔枝采摘机器人通过视觉传感器扫描整片果林，建立每颗果树的三维坐标；

S2、根据所述三维坐标生成作业处方图；

S3、根据作业处方图，通过分区采摘的方法进行逐一采摘，具体为；

S31、根据作业处方图，主控系统通过集群调度，驱动轮胎电机，使机器人到达果树采摘作业端；

S32、采用了RGB图像处理方法，得到荔枝果实的识别，具体为；

S321、采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干噪声影响；

S322、通过阈值分割，消除小面积噪声得到荔枝部分；

S323、通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，实现果实的分割得到果实部分；

S324、进行阈值分割，得到荔枝果实的识别；

S33、驱动智能化全地形荔枝采摘机器人液压升降装置，配合柔性臂到达目标坐标点；

S34、齿板剪切式采摘器滚轴旋转，将荔枝果梗梳理流入齿缝后，切刀反复横切运动将荔枝果梗剪切；

S35、经剪切后荔枝果梗与果实实现了分离，在果实自身重力的作用下落入折叠输果带，进而落入存储果舱内；

S36、存储果舱装满后卸落存储舱，更换空舱。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过视觉传感器进行视觉识别定位采用了RGB图像处理方法，区分树叶与成熟后荔枝的颜色，降低内在和外在因素的干扰，提高识别的准确性、响应速度和定位的精准性；

2、本发明针对串行簇状果类荔枝，设计了一种齿板剪切式采摘器，提升采摘效率，降低采摘损耗；

3、本发明柔性臂作为转向支撑，提升了采摘的运动面积，具有高柔性、低成本和小型化的特点；

4、本发明底盘使用全地形运动底盘，四轮独立驱动，四条多关节多转向支撑腿可以前后左右运动调整，运动性更灵活，其通过性更强，适应在各种不同的地形作业。

5、本发明通过主控系统对视觉传感器、齿板剪切式采摘器、柔性臂及全地形运动底盘的系统化的控制，将采摘、存储、运输集为一体，实现了智能化的采摘任务，降低人工采摘成本，提高采摘效率。

附图说明

图1是本发明一种智能化全地形荔枝采摘机器人的一个实施例应用状态的结构侧视图；

图2为本发明的一个实施例整体结构前侧立体图；

图3为本发明的一个实施例整体结构后侧立体图；

图4为本发明的一个实施例的伸展与收缩姿态示意图；

图5为本发明的一个实施例齿板剪切式采摘器的结构示意图；

图6为本发明的一个实施例采摘作业部分的侧视图；

图7为本发明的一个实施例柔性臂的结构示意图；

图8为本发明的一个实施例全地形运动底盘的结构示意图；

图9为本发明的一个实施例全地形运动底盘的正视图；

图10为本发明的一个实施例全地形运动底盘的侧视图；

图11为本发明的一个实施例全地形运动底盘之一条多关节多转向支撑腿随地形落差变化图；

图12为本发明的一个实施例全地形运动底盘之多条多关节多转向支撑腿随地形落差变化图；

图13为本发明的一个实施例视觉传感器结构示意图；

图14为本发明对荔枝识别定位流程图；

图15为本发明对荔枝识别过程图。

图中：

齿板剪切式采摘器1；折叠输果带2；柔性臂3；视觉传感器4；液压升降装置5；车仓6；全地形运动底盘7；滚轴1.1；齿板1.2；切刀1.3；齿板卡槽1.4；护罩1.5；固定架1.6；万向节1.7；第一落果口2.1；果带2.2；护套3.1；固定板3.2；分节机构3.3；钢丝绳索3.4；万向轴固定件3.5；万向轴活动件3.6；弹簧固定端3.7；弹簧3.9；固定支架4.1；第一液压伸缩杆5.1；基座5.2；固定端5.3；第二液压伸缩杆5.4；导风装置6.1；舱门6.3；存储果舱6.4；车轮7.1；驱动电机7.2；电机固定环7.3；关节机构7.4；铰接7.5；转向电机7.6；回转平台7.7；底座7.8；前支撑腿7.9；后支撑腿7.10；大功率蓄电池7.11。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例作进一步说明。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如附图1-15所示，作为一个实施方式，本发明提供一种智能化的全地形荔枝采摘机器人，包括采摘作业部、车体运动部及主控系统；主控系统为stm32开发板。

采摘机构包括齿板剪切式采摘器1、输果带2、柔性臂3、液压升降装置5；视觉传感器4，视觉传感器4使用的是OpenMV 4硬件装置，其通过固定支架4.1固定于齿板剪切式采摘器1的护罩1.5顶部。车体运动部包括车仓6、全地形运动底盘7，车仓6包括舱门6.3、导风口降温装置、存储果舱6.4。沿着收获荔枝的采摘方向，采摘机构、柔性臂3、液压伸缩杆5.1、存储果舱6.4、全地形运动底盘7前后依次衔接。液压升降装置5包括第一液压伸缩杆5.1和第二液压伸缩杆5.4，第一液压伸缩杆5.1的第一端连接柔性臂3，第一液压伸缩杆5.1的另一端固设于基座5.2，第一液压伸缩杆5.1的伸缩用于调整齿板剪切式采摘器1的采摘长度；第二液压伸缩杆5.4的第一端连接第一液压伸缩杆5.1的外杆的固定端5.3，第二液压伸缩杆5.4的另一端固设于基座5.2，第二液压伸缩杆5.4的伸缩用于调整柔性臂3的高度。

根据荔枝成簇分布的特点，设计了一种齿板剪切式采摘器1，齿板1.2与切刀1.3作为关键的剪切部；齿板1.2两侧的齿边开出刃口，荔枝果梗被梳理流入齿缝后，切刀1.3反复横切运动将荔枝果梗剪切；齿板剪切式采摘器1设置于车仓6的前端，包括齿板1.2、切刀1.3、滚轴1.1、护罩1.5；折叠输果带2包括第一落果口2.1、果带2.2。为了保护操作人员的安全及便于收集采摘后的荔枝，收集部件包括护罩1.5、第一轴承座和第二轴承座；其中，护罩1.5的采摘端具有倾斜角度，护罩1.5的顶端、采摘端及底端均为镂空结构，护罩1.5顶端右侧安装第一轴承座，护罩1.5顶端左侧安装第二轴承座，滚轴1.1右轴内段套设于第一轴承座，滚轴1.1左轴内段套设于第二轴承座。其中四块齿形板内部连接滚轴1.1，滚轴1.1连接于第一轴承座、第二轴承座之间。滚轴1.1内部装有两个电动机，一为齿板滚动提供旋转动力的第一动力单元，二是为在齿板1.2下驱动横向剪切刀片裁切荔枝果梗提供第二动力单元。视觉传感器4通过固定支架4.1设置于齿板剪切式采摘器1的护罩1.5顶部。

本发明智能化的全地形荔枝采摘机器人，通过扫描整片果林，建立每颗果树的三维坐标，生成作业处方图，得到荔枝果实的坐标后，控制系统通过集群调度，驱动轮胎电机，使机器人到达果树采摘作业端；通过分区采摘的方法进行逐一采摘；若目标果实处于果树高度，则会驱动伸缩杆，配合柔性臂3到达目标坐标点，在到达目标坐标点后，齿板剪切式采摘器1则在滚轴1.1的作用力旋转；齿板1.2两侧的齿边开出刃口，荔枝果梗被梳理流入齿缝后，切刀1.3反复横切运动将荔枝果梗剪切；经剪切后荔枝果梗与果实实现了分离，在果实自身重力的作用下落入输果带，进而落入果舱内；果舱装满后舱门6.3自动打开，卸落存储舱，更换空舱。

为了便于快速收集齿板剪切式采摘器1收获的果实，采用折叠输果带2，能将采摘下的荔枝经过果带2.2直接进入果舱，缩短了机械臂运动和复位时间。其折叠输果带2采用的材料是PVC波纹管，使用时将输果带从果舱内部拉出，通过卡扣活动连接于齿板剪切式采摘器1护罩1.5的下端，并将其通过卡环固定至第一液压伸缩杆5.1一侧，使用后可将其折叠收放至车舱6内部。

为了提供更灵活的采摘，采用柔性臂3，柔性臂3设置于齿板剪切式采摘器1与液压升降装置5之间，连接有绳索的驱动机构和通过分节机构与驱动机构连接的若干个柔性机构，绳索穿过分节机构后固定连接有固定组件。通过控制末端机构与驱动机构配合实现柔性臂3部分柔性机构的弯曲。

为了实现智能化的采摘，采用了RGB图像处理方法，采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干等噪声影响。后续再通过阈值分割，消除小面积噪声等得到荔枝部分，通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，亦即实现果实的分割得到果实部分，最后进行阈值分割，得到荔枝果实的识别。

为了保证机器人的平稳性，采用全地形运动底盘7，底盘上的支撑腿根据地形的高低落差进行关节的旋转，保持与地面的高度，以保证采摘机器人车身与地面保持为水平状态，避免发生侧翻的风险，便于在多类别繁杂地形种植园中运动和作业。全地形运动底盘7，由底座7.8、回转平台7.7、前后支撑腿、转向电机7.6、驱动电机7.2、车轮7.1等部件组成。底座7.8为箱型结构，底座7.8内置大功率蓄电池，大功率蓄电池与主控系统stm32主板电连接，主板再分流供电给其他机器人需用电部件。进一步地，大功率蓄电池可以设置为抽插式。主控系统分别与采摘作业部(滚轴1.1、视觉传感器4、柔性臂3、液压升降装置5)、车体运动部(驱动电机7.2、关节机构7.4、转向电机7.6、回转平台7.7)连接。

其主体上部分为回转支撑台，四角装有四条可上下、左右独立运动或复合运动的支撑臂，各个动作由转向电机驱动；前轮转向支架通过前轮驱动马达与前轮连接；前大支腿通过油缸与小支腿连接；小支腿通过插销方式与底座上的液压转向连接。

作为一个实施例，各作业部分的具体结构如下：

一、采摘作业机构总成：

齿板剪切式采摘器1的驱动部件采用大扭矩电机作为动力源，将动力传递至采摘机构；采摘机构由滚轴1.1、齿板1.2、切刀1.3、齿板卡槽1.4、护罩1.5、固定架1.6、万向节1.7组成，通过滚轴1.1的转动带齿板旋转运动，将荔枝果梗梳理至齿缝内，切刀1.3反复横切运动将荔枝果梗剪切，实现荔枝的梳理剪切分离；在荔枝自身重力的作用下落入输果带，进而落入果舱内。

而且，为了保护操作人员的安全及便于汇集采摘后的荔枝，收集机构使用护罩装置，护罩1.5的采摘端具有倾斜角度，护罩1.5的顶端、采摘端及底端均为镂空结构；为了加强采摘机构的强度，在护罩1.5周围加入了一圈抱箍固定板3.2；万向节1.7连接着护罩1.5及柔性臂3两端，万向节1.7采用液压泵为动力源，为齿板剪切式采摘器1提供上下运动。

如附图7所示，柔性臂3包括护套3.1、固定板3.2、分节机构3.3、钢丝绳索3.4、万向轴固定件3.5、万向轴活动件3.6、弹簧固定端3.7、弹簧3.9。柔性臂3的共有7节活动结构，由6块分节机构3.3与2块固定板连接而成。分件机构通过万向轴固定件3.5与万向轴活动件3.6连接，以螺丝与螺母作为固定。钢丝绳索3.4穿过分节机构3.3上的孔洞，连接末端固定板3.2，两块分节机构3.3中连接有4根弹簧3.9，弹簧3.9固定在分节机构3.3的弹簧固定端3.7处。

而且，柔性臂3，设置于万向节1.7与液压伸缩杆之间；连接有钢丝绳索3.4的驱动机构和通过分节机构3.3与驱动机构连接的若干个柔性机构，钢丝绳索3.4穿过分节机构3.3后固定连接有固定组件，当柔性臂3末端连接板3.3受钢丝绳索3.4的拉力后，通过控制末端机构与驱动机构配合，实现柔性臂3部分柔性机构的弯曲转向；

而且，通过舵机驱动钢丝绳索3.4，将力施于分节机构3.3，迫使柔性臂3弯曲，同时利用弹簧作为柔性臂3的柔性机构，储存能量，使柔性臂3变化呈光滑连续曲线。利用驱动机构驱动钢丝绳索3.4，提高柔性臂3的灵活度和减小柔性臂3尺寸，具有结构紧凑，灵活度高，多达无穷个自由度的特点。

而且，柔性臂3表层为护套3.1，其采用的材料是PVC波纹管；保证了柔性臂3自由度的情况下防止枝叶等异物的进入，增强了柔性臂3的适应性。

而且，为了适应荔枝采摘高度，增加采摘面积，设有液压升降装置5，通过第二液压伸缩杆5.4控制其抬升角度，配合三节的第一液压伸缩杆5.1延伸其长度，将采摘装置伸至相应高度；

而且，视觉传感器4使用的是OpenMV 4硬件装置，采用了RGB图像处理方法，采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干等噪声影响。后续再通过阈值分割，消除小面积噪声等得到荔枝部分，通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，亦即实现果实的分割得到果实部分，最后进行阈值分割，得到荔枝果实的识别；其识别率达到90％。

具体为，将分割后的图像进行去除小面积区域，小面积区域一般为部分树干、树叶背景，这部分噪声的面积小于单个果实噪声的面积的几倍，甚至十几倍，皆为小面积噪声。A_果实＝nA_{小面积噪声}，A表示像素面积，n表示倍数，A_{小面积噪声}∈(5，220)

注：消除的小面积噪声受识别图像果实的面积大小影响

成熟后的荔枝表皮呈现红色，与树叶、树枝、树干等背景环境有效的区分开来，并且荔枝果串的形状特征与其他环境下的物体有明显的特征区分，通过获取荔枝RGB图像、荔枝边缘特征的方式识别多目标荔枝果实。

根据自然光下荔枝的颜色和形状特征，如图15-(a)所示。采用色差法提取荔枝果实的多目标范围，并去除背景噪声，然后通过阈值分割得到多目标荔枝果实的特征部分，并通过空间三还原确定荔枝有效工作点，达到荔枝采摘的空间位置，为抓取荔枝提供位置坐标，驱动液压伸缩杆伸缩至相应高度，柔性臂3摆向相应位置，配合齿板剪切式装置进行采摘。如图15-(h)所示。

另外，本发明优选地，液压伸缩杆采用现有技术中的成熟产品；

另外，本发明优选地，针对串行簇状果类设计齿板剪切式采摘器1，能将果实与果梗快速分离，相比普通机械的一剪一收一落，齿板剪切式采摘器1的齿板1.2持续转动，配合切刀1.3剪切，提高其采摘效率，降低采摘损耗。

另外，本发明优选地，柔性臂3作为转向支撑，可以在三维空间中自由改变形状，并且可以平滑弯曲，具有高柔性、低成本和小型化的特点。

二、车体运动结构总成：

车体运动结构总成部分包括导风装置6.1、存储果舱6.4、全地形运动底盘7；

通过采摘机构剪切分离的荔枝顺着输果带落入储存果舱内，果舱满后，舱门6.3开启，卸落装满的果舱，载入空的存储果舱6.4；采摘后的荔枝会进行呼吸作用，若不进行降温处理，荔枝品质将会受到影响，车仓6两侧设有导风装置6.1，为果舱内的荔枝提供风力散热，保障其新鲜度；荔枝主要种植在丘陵山地，种植区地面一般存在10°～40°的倾角，此时的采摘地势存在落差与坡度的情况，为应对荔枝种植环境的地势高度差、坡面斜度、地面崎岖等复杂作业环境，避免采摘机器人侧翻，保证车仓6的平稳性及通过性，针对行走底盘机构进行创新设计。

全地形运动底盘7包括底座7.8及与底座连接的四条多关节多转向支撑腿；底座7.8顶部设有能够自由转向的回转平台7.7，车仓固设于回转平台7.7上；多关节多转向支撑腿包括车轮7.1、前支撑腿7.9、后支撑腿7.10、驱动电机7.2及转向电机7.6；

车轮7.1通过车轴固定于驱动电机7.2，驱动电机7.2外套设电机固定环7.3，电机固定环7.3包括第一电机固定环、第二电机固定环，第一电机固定环与前支撑腿7.9固连，前支撑腿7.9通过关节机构7.4连接后支撑腿7.10，后支撑腿7.10铰接连接第二电机固定环，第二电机固定环与底座7.8一角固连，底座7.8为长方体，具有四角，每条多关节多转向支撑腿通过一个第二电机固定环连接于底座7.8一角,第二电机固定环内设置有转向电机7.6。

转向电机7.6经过电机固定环与底座相固定连接。该转向电机装置，由电机、电机转轴套杆、转向齿轮组成；具体为转向电机将偏移角度通过电机转轴套杆传送到转向齿轮上，从而联动转动杆进行偏移转向。其实现功能：在存在落差、坡度的地势行驶、驻停，通过转向电机将支撑腿侧摆，为机器人(车辆)侧面施加一个支撑力，避免发生侧翻的风险；提供运动转向，能在较为狭窄的地段实现快速转向；通过贴合坡地面，适应在较大坡地上运动，运动更加灵活。

其中，通过增加底盘机构的运动关节机构，使行走机构更加灵活自由；全地形底盘能实现采摘机器人的多姿态转换，为荔枝采摘、行走、卸货提供高效作业效率。关节机构与前支撑腿和后支撑腿前后相连接。

该关节机构，由伺服电机、转向齿轮、中心轴承、前支撑腿和后支撑腿组成；其中转向齿轮安装至中心轴承上，伺服电机产生旋转的扭矩，由中心轴承带动转向齿轮驱动支撑腿做旋转运动。其实现功能：当遇到地势起伏落差较大、垂直障碍物时，会出现车体不平稳的情况，而全地形运动底盘可根据地形的高度差旋转关节机构，使车仓与地面始终水平状态，从而保证车仓的平稳性。通过支撑臂的高度调节，可较大角度坡地上行驶与驻停，适应在较大角度坡地上运动。遇地势落差较大时，可跨越较高地势的垂直障碍物，能适应较多的复杂场景。

其中，车轮驱动设有液压差速功能实现了差速不差力，提高了行驶的稳定性。回转平台通过回转支撑与底盘相连，可相对于底盘做无限回转，以保证采摘作业灵活运动，同时平台又是一个受力件，将工作装置作业时的反作用力通过回转支撑传至底盘。主控系统分别与视觉传感器、齿板剪切式采摘器、液压升降装置、回转平台及全地形运动底盘电连接或通信连接。

本发明还提供一种智能化全地形荔枝采摘方法，其应用于智能化全地形荔枝采摘机器人，其包括以下步骤：

S1、智能化全地形荔枝采摘机器人通过视觉传感器扫描整片果林，建立每颗果树的三维坐标；

S2、根据所述三维坐标生成作业处方图；

S3、根据作业处方图，通过分区采摘的方法进行逐一采摘，具体为；

S31、根据作业处方图，主控系统通过集群调度，驱动轮胎电机，使机器人到达果树采摘作业端；

S32、采用了RGB图像处理方法，得到荔枝果实的识别，具体为；

S321、采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干等噪声影响；

S322、通过阈值分割，消除小面积噪声等得到荔枝部分；

S323、通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，亦即实现果实的分割得到果实部分；

S324、进行阈值分割，得到荔枝果实的识别；

视觉传感器4使用的是OpenMV 4硬件装置，采用了RGB图像处理方法，采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干等噪声影响。后续再通过阈值分割，消除小面积噪声等得到荔枝部分，通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，亦即实现果实的分割得到果实部分，最后进行阈值分割，得到荔枝果实的识别；其识别率达到90％。

具体为，将分割后的图像进行去除小面积区域，小面积区域一般为部分树干、树叶背景，这部分噪声的面积小于单个果实噪声的面积的几倍，甚至十几倍，皆为小面积噪声。A_果实＝nA_{小面积噪声}，A表示像素面积，n表示倍数，A_{小面积噪声}∈(5，220)

注：消除的小面积噪声受识别图像果实的面积大小影响

成熟后的荔枝表皮呈现红色，与树叶、树枝、树干等背景环境有效的区分开来，并且荔枝果串的形状特征与其他环境下的物体有明显的特征区分，通过获取荔枝RGB图像、荔枝边缘特征的方式识别多目标荔枝果实。

根据自然光下荔枝的颜色和形状特征，如图15-(a)所示。采用色差法提取荔枝果实的多目标范围，并去除背景噪声，然后通过阈值分割得到多目标荔枝果实的特征部分，并通过空间三还原确定荔枝有效工作点，达到荔枝采摘的空间位置。具体流程如图1所示。

具体流程如下：

(1)读取图像

(2)获取图像的RGB分量图及灰度图

(3)对图像进行R－G分量处理

在图像处理方法的分析中，图像经过R－G分量处理后荔枝果实部分很好地凸显出来。如图15-(b)所示。

(4)对R－G分量图像进行全局阈值分割。

对所得的R－G分量图像进行全局阈值分割，对于多目标荔枝图像来说，通过R－G分量后获得的灰度图其像素值分为果实部分与背景部分。如图15-(c)所示。

(5)去除小面积噪声

将分割后的图像进行去除小面积区域，小面积区域一般为部分树干、树叶背景，这部分噪声的面积小于单个果实噪声的面积的几倍，甚至十几倍，皆为小面积噪声。A_果实＝nA_{小面积噪声}，A表示像素面积，n表示倍数，A_{小面积噪声}∈(5，220)。图像处理结果如图15-(d)所示。

(6)果实边缘检测

对得到的去除小面积区域后的图像进行边缘检测，该边缘包围的范围即为多目标猕猴桃果实的范围。如图15-(e)所示。

(7)多目标荔枝果实提取

将去除小区域面积后的图像和原图像的灰度图像进进一步处理。如图15-(f)所示。

(8)标识作业框

根据提取的目标荔枝果实标识作业框框。如图15-(g)所示。

(9)生成荔枝位置坐标

S33、驱动智能化全地形荔枝采摘机器人液压升降装置，配合柔性臂到达目标坐标点；

S34、齿板剪切式采摘器滚轴旋转，将荔枝果梗梳理流入齿缝后，切刀反复横切运动将荔枝果梗剪切；

S35、经剪切后荔枝果梗与果实实现了分离，在果实自身重力的作用下落入折叠输果带，进而落入存储果舱内；

S36、存储果舱装满后卸落存储舱，更换空舱。

本发明的未详细叙述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段，此处不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，其包括：采摘作业部、车体运动部及主控系统；

所述采摘作业部包括齿板剪切式采摘器、折叠输果带、柔性臂、视觉传感器及液压升降装置；

所述车体运动部包括车仓及全地形运动底盘，所述车仓内设有能拆卸的存储果舱及所述主控系统；所述全地形运动底盘包括底座及与所述底座连接的四条多关节多转向支撑腿；所述底座顶部设有能够自由转向的回转平台，所述车仓固设于所述回转平台上；

所述齿板剪切式采摘器通过万向节连接柔性臂的一端，柔性臂的另一端连接所述液压升降装置的一端，所述液压升降装置的另一端通过基座固连于所述车仓顶部；所述折叠输果带的第一端设有第一落果口，所述第一落果口与所述齿板剪切式采摘器活动连接、承接于所述齿板剪切式采摘器下部，所述折叠输果带的第二端与所述车仓的第二落果口连接，所述存储果舱上开设有与第二落果口对接的接果口；所述视觉传感器设置于所述齿板剪切式采摘器的护罩顶部；

所述主控系统分别与所述视觉传感器、所述齿板剪切式采摘器、所述液压升降装置、所述回转平台及所述全地形运动底盘电连接或通信连接。

2.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述齿板剪切式采摘器包括护罩、滚轴及齿板，所述滚轴两端滚动连接在护罩内部，所述滚轴外表面固设有齿板，内部装有电动机，所述齿板上设有切刀。

3.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述液压升降装置包括第一液压伸缩杆和第二液压伸缩杆，所述第一液压伸缩杆的第一端连接所述柔性臂，所述第一液压伸缩杆的另一端固设于基座；所述第二液压伸缩杆的第一端连接所述第一液压伸缩杆的外杆，所述第二液压伸缩杆的另一端固设于基座。

4.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述车仓设有仓门，用于存储果舱的拆卸和装入。

5.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述多关节多转向支撑腿包括车轮、前支撑腿、后支撑腿、驱动电机及转向电机；

所述车轮通过车轴固定于驱动电机，所述驱动电机外套设第一电机固定环，所述第一电机固定环与所述前支撑腿固连，所述前支撑腿通过关节机构连接所述后支撑腿，所述后支撑腿铰接连接转向电机，所述转向电机设于第二电机固定环内，所述第二电机固定环内嵌于所述底座一角；所述底座为长方体，内置大功率蓄电池，所述底座具有四角，每条所述多关节多转向支撑腿通过一个第二电机固定环连接于所述底座一角。

6.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述视觉传感器为OpenMV 4。

7.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述主控系统为stm32开发板。

8.根据权利要求1所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其特征在于，所述车仓上设有导风装置，用于对存储果舱内荔枝通风。

9.一种智能化全地形荔枝采摘方法，其特征在于，其应用于权利要求1-8所述的智能化全地形荔枝采摘机器人，其包括以下步骤：

S1、智能化全地形荔枝采摘机器人通过视觉传感器扫描整片果林，建立每颗果树的三维坐标；

S2、根据所述三维坐标生成作业处方图；

S3、根据作业处方图，通过分区采摘的方法进行逐一采摘，具体为；

S31、根据作业处方图，主控系统通过集群调度，驱动智能化全地形荔枝采摘机器人轮胎电机，使机器人到达果树采摘作业端；

S32、采用了RGB图像处理方法，得到荔枝果实的识别，具体为；

S321、采用R－G的方式对荔枝红色分量进行红色分量相对强化，凸显荔枝部分，削弱树叶，树干噪声影响；

S322、通过阈值分割，消除小面积噪声得到荔枝部分；

S323、通过边缘检测，得到荔枝的相应边缘，从而保留边缘包围的部分，去除包围之外的部分，实现果实的分割得到果实部分；

S324、进行阈值分割，得到荔枝果实的识别；

S33、驱动智能化全地形荔枝采摘机器人液压升降装置，配合柔性臂到达目标坐标点；

S34、齿板剪切式采摘器滚轴旋转，将荔枝果梗梳理流入齿缝后，切刀反复横切运动将荔枝果梗剪切；

S35、经剪切后荔枝果梗与果实实现了分离，在果实自身重力的作用下落入折叠输果带，进而落入存储果舱内；

S36、存储果舱装满后卸落存储舱，更换空舱。

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