CN115024093B - 一种轨道悬挂式果园机械装置及其高枝果实采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道悬挂式果园机械装置及其高枝果实采摘方法，包括轨道组、轨道小车、定轴转动机构、滑动模组、深度相机、末端执行器、果实收集框；轨道组铺设在地面上，轨道组的轨道与高枝果树高度相应，悬挂式的轨道小车沿着轨道运行，滑动模组通过定轴转动机构安装在轨道小车下方，从而滑动模组在水平方向上绕定轴转动机构的旋转轴做360度圆周转动，末端执行器安装在滑动模组上，且滑动模组带动末端执行器在滑动模组限定的竖直平面内平移，深度相机与末端执行器连接，果实收集框安装在滑动模组上。本发明实现高枝果树检测、采摘、收集和运输功能于一体，满足果树设施栽培的大规模化生产需求，属于高枝果树采摘设备技术领域。

Description

一种轨道悬挂式果园机械装置及其高枝果实采摘方法

技术领域

本发明涉及高枝果树采摘设备，具体涉及一种集高枝果树检测、采摘、收集、运输功能于一体的轨道悬挂式果园机械装置及其高枝果实采摘方法。

背景技术

20世纪50年代北方几个省份开始进行果树设施栽培研究。近20多年以来，我国设施果树产业发展迅猛，规模迅速扩大，目前，我国是世界上果树种植最广泛的国家，种植面积和产量均居世界第一。国家统计局发布的《2020年中国统计年鉴》显示，我国2019年果树面积为12277千公顷，栽培总产量约为27400 万吨。

现有的高枝采摘一般是通过农民手持高枝采摘器人工采摘，这种方法效率低下，劳动强度高。现有技术中还存在少量高枝采摘装置，采用电动或液压末端执行器，例如电动剪刀、液压剪等，可在一定程度上减轻劳动强度，然而这些装置主要是附着在推车或推架上，需要人工移动至果树下方，并且对果实进行末端对位，才可实现高枝采摘，效率依然低下，无法满足果树设施栽培的大规模化生产。

随着果园的发展，规模的扩大，劳动量巨大、效率低下的传统的人工采摘使得高枝果树在这些方面的成本大幅度提高，还严重影响了高枝果树收获的质量，已经无法达到规模化果实采摘的要求，因此急需一种满足高枝采摘需求的智能高效采摘装置。

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：提供一种实现高枝果树检测、采摘、收集和运输功能的轨道悬挂式果园机械装置及其高枝果实采摘方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轨道悬挂式果园机械装置，包括轨道组、轨道小车、定轴转动机构、滑动模组、深度相机、末端执行器、果实收集框；轨道组铺设在地面上，轨道组的轨道与高枝果树高度相应，悬挂式的轨道小车沿着轨道运行，滑动模组通过定轴转动机构安装在轨道小车下方，从而滑动模组在水平方向上绕定轴转动机构的旋转轴做360度圆周转动，末端执行器安装在滑动模组上，且滑动模组带动末端执行器在滑动模组限定的竖直平面内平移，深度相机与末端执行器连接，果实收集框安装在滑动模组上。

作为一种优选，轨道组包括F型支撑架、支撑管道、导向管道，导向管道包括相互平行的上导向管道和下导向管道；支撑管道沿着轨道小车的行驶路径设置，通过多根F型支撑架架起，安装在F型支撑架的下横杆上；下导向管道安装在支撑管道上，上导向管道安装在F型支撑架的上横杆下从而上横杆将上导向管道吊起；轨道小车的导向滑轮卡入上导向管道和下导向管道之间的间隙中滚动。

作为一种优选，轨道小车包括两个驱动组和一个控制平台，驱动组包括导向滑轮、驱动电机、悬挂杆、承重轴承；导向滑轮位于悬挂杆一侧的上段，驱动电机驱动导向滑轮转动，悬挂杆的下端通过承重轴承与控制平台转动连接；两个驱动组一前一后将控制平台吊起。

作为一种优选，定轴转动机构包括电动机、控制板、轴承、云台连接件、旋转轴；电动机通过控制板安装在控制平台上，云台连接件与控制平台的下端通过轴承连接，电动机通过旋转轴带动云台连接件自转。

作为一种优选，滑动模组包括水平滑动底座、水平滑动块、竖直滑动底座、竖直滑动块；水平滑动块设置于水平滑动底座上，水平滑动底座带动水平滑动块直线运动，竖直滑动底座固定在水平滑动块上，竖直滑动块设置在竖直滑动底座上，竖直滑动底座带动竖直滑动块直线运动；水平滑动底座的一端与云台连接件的下端固定连接。

作为一种优选，末端执行器包括控制板、转动电机、执行器连接器、执行器底盘、夹爪组、切割器；控制板和转动电机设置在执行器连接器内部，转动电机的水平的电机轴穿过执行器连接器与执行器底盘相接，带动执行器底盘转动；夹爪组和切割器安装在执行器底盘上；执行器连接器与竖直滑动块固定连接。

作为一种优选，夹爪组包括夹爪电机、夹爪丝杆、两个夹爪；夹爪电机通过锥齿轮与夹爪丝杆连接，一个夹爪与执行器底盘固定连接，夹爪丝杆带动另一夹爪平移实现夹取或放开动作；切割器包括切割电机、切割盘、刀片，切割电机固定在执行器底盘上，切割盘直接与切割电机的电机轴相连，刀片的数量为四片，沿圆周均匀固定在切割盘上，切割盘位于固定的夹爪的一侧的上方，圆形的切割盘与电机轴偏心设置。

作为一种优选，果实收集框吊挂在水平滑动底座的一端；深度相机安装在执行器连接器上。

一种轨道悬挂式果园机械装置的高枝果实采摘方法，采集高枝果实信息时，控制定轴转动机构带动滑动模组绕旋转轴进行360°旋转，控制滑动模组带动末端执行器进行水平方向运动和竖直方向运动，使得深度相机在高枝果树顶部对果实信息进行采集。

作为一种优选，当机械装置到达果树顶部位置后，控制系统分析通过深度相机采集的果实位置的图像后，生成控制指令。

根据指令，先控制定轴转动机构带动滑动模组转到果实所在角度，然后控制滑动模组竖直移动带动末端执行器到达果实所在高度，末端执行器自身转动调整工作姿态，然后控制滑动模组水平移动带动末端执行器运动到果梗所在位置。

当末端执行器运动到果梗位置后，控制系统控制末端执行器的夹爪夹住果梗并且将果梗夹持至切割器处，然后控制系统控制切割器进行切割动作。

当切割动作完成后，控制系统控制滑动模组进行水平运动令末端执行器从果树中移出，然后控制定轴转动机构、滑动模组的配合运动带动末端执行器将果实移动到果实收集框中，再根据预先设置的复原命令将该机械装置的姿态调整回初始位置，完成作业。

本发明具有如下优点：

本发明以解决高枝果园管理和采摘运输困难等现状，达到自动采摘、收集、运输的目的，同时在以上功能的基础上，采用深度相机实现深度视觉识别，可智能化识别果树、实施果实选择性精确采摘并收集运输，具有采摘效率高、运输便利、节省劳动力，多功能一体集成等特点。具体如下：

1.采用自动运行的轨道小车搭载采摘组件沿着高空轨道运行的模式，创造性的实现了高枝果树的智能化、规模化采摘，效率高，节省劳动力，适用于果树设施栽培的大规模化生产。

2.本发明的果园机械装置的几何结构形式采用了笛卡尔坐标系型结构，该类型的机械结构在各个方向上的运动是独立的，因此计算以及控制比较方便，位置精度较高，提高采摘果实的成功率；同时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，有利于保护机器，延长机器使用寿命。

3.本发明的机械结构中的主要运动结构包括轨道小车、定轴转动机构、滑动模组、末端执行器，上述机构均可在一定程度上独立改变姿态，独立控制运动，通过轨道小车的移动固定、定轴转动机构与滑动模组调整位置、末端执行器调整姿态，再配合笛卡尔坐标系的结构搭建，机械结构可以较为轻易地做出复杂动作与摆出复杂的姿态，因此该组合可以令机械可以深入高枝果树，避开障碍，令末端执行器可以到达果树中的任意一个位置，做到无死角采摘，避免应采摘但无法到达指定位置采摘的情况，提高采摘成功率。

4.本发明的末端执行器包括夹爪组和切割器，末端执行器的夹爪组采用平行夹取的结构，避免出现推开果梗的情况，提高夹取成功率，间接提高采摘成功率；末端执行器的切割器为旋转切割，切割器圆盘圆心与切割器电机轴相距一定距离，偏心放置，可在一定程度上使切割器更易切开果梗，提高采摘成功率。

5.本发明的控制系统与深度相机结合组成的智能操作系统，通过深度相机获取果实图像，将图像传输给控制台，实现果树的三维空间模型构建，实现对果实的空间位置识别与定位，实现采摘路径与动作的规划，实现采摘的仿真模拟，通过该智能操作系统控制导向滑轮、定轴转动机构、滑动模组使末端执行器到达果实果梗的位置，以实高速采摘的动作，有效减少采摘中对果实的损伤，并且能对整个轨道上呈行列标准分布的果树进行相同的作业，极大地提高了采摘的准确性以及采摘效率、节省了大量的劳动力、提高了果农的收益。

6.本发明采用了在空中铺设轨道并在轨道上移动的形式，其结构简单且容易控制，同时速度较快且工作平稳，在空中铺设轨道可以尽可能减少地形对轨道的影响，拥有较高的适应性，因此在规范种植的果园中可以很大地提高采摘的效率以及安全性。

附图说明

图1为一种轨道悬挂式果园机械装置的示意图。

图2为一种轨道悬挂式果园机械装置另一视角的示意图。

图3为轨道小车的轴测图。

图4为轨道小车的侧视图。

图5为定轴转动机构和滑动模组的轴测图。

图6a-6c为定轴转动机构和滑动模组的三视图。

图7为末端执行器的轴测图。

图8a-8c为末端执行器的三视图。

图中：101、F型支撑架；102、支撑管道；103、下导向管道；104、上导向管道。

201、导向滑轮；202、驱动电机；203、悬挂杆；204、承重轴承；211、控制平台。

3、定轴转动机构；301、控制板；302、电动机；303、轴承；304、云台连接件。

4、滑动模组；401、水平滑动底座；402、水平滑动块；403、竖直滑动底座；404、竖直滑动块。

5、末端执行器；501、执行器连接器；502、夹爪电机；503、夹爪；504、刀片；505、切割电机；506、转动电机；507、控制板。

6、果实收集框。

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。

一种轨道悬挂式果园机械装置，包括轨道组、轨道小车、定轴转动机构、滑动模组、深度相机、末端执行器、果实收集框；轨道组铺设在地面上，轨道组的轨道与高枝果树高度相应，悬挂式的轨道小车沿着轨道运行，滑动模组通过定轴转动机构安装在轨道小车下方，从而滑动模组在水平方向上绕定轴转动机构的旋转轴做360度圆周转动，末端执行器安装在滑动模组上，且滑动模组带动末端执行器在滑动模组限定的竖直平面内平移，深度相机与末端执行器连接，果实收集框安装在滑动模组上。

轨道组包括F型支撑架、支撑管道、导向管道，导向管道包括相互平行的上导向管道和下导向管道；支撑管道沿着轨道小车的行驶路径设置，通过多根F 型支撑架架起，安装在F型支撑架的下横杆上；下导向管道安装在支撑管道上，上导向管道安装在F型支撑架的上横杆下从而上横杆将上导向管道吊起；轨道小车的导向滑轮卡入上导向管道和下导向管道之间的间隙中滚动。F型支撑架数量根据果园而定，均固定在地面上。

轨道小车包括两个驱动组和一个控制平台，驱动组包括导向滑轮、驱动电机、悬挂杆、承重轴承；导向滑轮位于悬挂杆一侧的上段，驱动电机驱动导向滑轮转动，悬挂杆的下端通过承重轴承与控制平台转动连接；两个驱动组一前一后将控制平台吊起。轨道小车能承载其余机构在轨道上运动。

定轴转动机构包括电动机、控制板、轴承、云台连接件、旋转轴；电动机通过控制板安装在控制平台上，云台连接件与控制平台的下端通过轴承连接，电动机通过旋转轴带动云台连接件自转。定轴转动机构能带动滑动模组、深度相机、末端执行器作定轴转动。

滑动模组包括水平滑动底座、水平滑动块、竖直滑动底座、竖直滑动块；水平滑动块设置于水平滑动底座上，水平滑动底座带动水平滑动块直线运动，竖直滑动底座固定在水平滑动块上，竖直滑动块设置在竖直滑动底座上，竖直滑动底座带动竖直滑动块直线运动；水平滑动底座的一端与云台连接件的下端固定连接。

末端执行器包括控制板、转动电机、执行器连接器、执行器底盘、夹爪组、切割器；控制板和转动电机设置在执行器连接器内部，转动电机的水平的电机轴穿过执行器连接器与执行器底盘相接，带动执行器底盘转动；夹爪组和切割器安装在执行器底盘上；执行器连接器与竖直滑动块固定连接。末端执行器能在滑动模组动力输出的末端作定轴转动，该轴沿着水平方向设置。

夹爪组包括夹爪电机、夹爪丝杆、两个夹爪；夹爪电机通过锥齿轮与夹爪丝杆连接，一个夹爪与执行器底盘固定连接，夹爪丝杆带动另一夹爪平移实现夹取或放开动作；切割器包括切割电机、切割盘、刀片，切割电机固定在执行器底盘上，切割盘直接与切割电机的电机轴相连，刀片的数量为四片，沿圆周均匀固定在切割盘上，切割盘位于固定的夹爪的一侧的上方，圆形的切割盘与电机轴偏心设置。

果实收集框吊挂在水平滑动底座的一端；深度相机安装在执行器连接器上。

本实例的轨道悬挂式果园机械装置解决了现有高枝果实采摘因为基本是靠人力而存在的采摘效率低下、安全性低下等问题，这些问题会影响果树规模化采摘，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高枝果实，具有工作效率较高、减轻劳动强度、精准定位、智能采摘等特点。

一种轨道悬挂式果园机械装置的高枝果实采摘方法，采集高枝果实信息时，控制定轴转动机构带动滑动模组绕旋转轴进行360°旋转，控制滑动模组带动末端执行器进行水平方向运动和竖直方向运动，使得深度相机在高枝果树顶部对果实信息进行采集。

当机械装置到达果树顶部位置后，控制系统分析通过深度相机采集的果实位置的图像后，生成控制指令。

根据指令，先控制定轴转动机构带动滑动模组转到果实所在角度，然后控制滑动模组竖直移动带动末端执行器到达果实所在高度，末端执行器自身转动调整工作姿态，然后控制滑动模组水平移动带动末端执行器运动到果梗所在位置。

当末端执行器运动到果梗位置后，控制系统控制末端执行器的夹爪夹住果梗并且将果梗夹持至切割器处，然后控制系统控制切割器进行切割动作。

当切割动作完成后，控制系统控制滑动模组进行水平运动令末端执行器从果树中移出，然后控制定轴转动机构、滑动模组的配合运动带动末端执行器将果实移动到果实收集框中，再根据预先设置的复原命令将该机械装置的姿态调整回初始位置，完成作业。

具体步骤如下：

S1、作业前，操作者通过对控制板对深度相机进行标定，确定深度相机的一些需要事先采集的数值信息，标定之后即可令控制板进行三维场景的建立，能够感知深度。

S2、作业时，轨道小车的两个驱动电机带动各自的导向滑轮令整个机器进行移动，定轴转动机构、滑动模组、末端执行器以及深度相机装载在轨道小车上。

S3、当机器移动到果树上方，控制系统令机器在这个位置停下，控制板通过已有的命令控制定轴转动机构带动深度相机绕果树进行360°转动。

S4、当深度相机采集到果实信息，控制板对采集到的果实图像信息进行分析，生成采摘轨迹、动作，并进行仿真采摘模拟。

S5、若仿真模拟结果成功，控制板先控制定轴转动机构进行定轴转动，控制滑动模组进行水平与竖直运动带动末端执行器到达果梗所在位置，控制板控制末端执行器的转动电机调整姿态，然后进行步骤S6；若仿真模拟失败，则控制板制定轴转动机构以及控制滑动模组调整自身的位置以及姿态，然后重复S4 的操作。

S6、当步骤S5仿真模拟成功、末端执行器到达果梗所在位置后，控制板控制夹爪电机驱动夹爪夹住果梗并把果梗移动至刀片的工作位置，控制板再控制切割电机启动切割器切开果梗。

S7、切割动作完成后，定轴转动机构、滑动模组根据预先设置在控制板内的命令将果实串放置在果实收集框上方，末端执行器松开夹爪，果实自动落入果实收集框内，完成采摘、收集作业。采摘作业过程具有操作简单、自动化程度高、节省劳动力、工作效率高等特点。

本发明的轨道悬挂式果园机械装置，采用深度相机和控制板组成智能系统，通过深度相机采集高枝果实位置图像并传输给控制系统，实现果树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，通过控制板控制定轴转动机构、滑动模组，使末端执行器到达工作位置，控制末端执行器进行采摘并收集和运输果实，实现快速高效采摘动作，提高了采摘效率，节省了人力，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 (3)

1.一种轨道悬挂式果园机械装置，其特征在于，包括轨道组、轨道小车、定轴转动机构、滑动模组、深度相机、末端执行器、果实收集框；轨道组铺设在地面上，轨道组的轨道与高枝果树高度相应，悬挂式的轨道小车沿着轨道运行，滑动模组通过定轴转动机构安装在轨道小车下方，从而滑动模组在水平方向上绕定轴转动机构的旋转轴做360度圆周转动，末端执行器安装在滑动模组上，且滑动模组带动末端执行器在滑动模组限定的竖直平面内平移，深度相机与末端执行器连接，果实收集框安装在滑动模组上；

轨道组包括F型支撑架、支撑管道、导向管道，导向管道包括相互平行的上导向管道和下导向管道；支撑管道沿着轨道小车的行驶路径设置，通过多根F型支撑架架起，安装在F型支撑架的下横杆上；下导向管道安装在支撑管道上，上导向管道安装在F型支撑架的上横杆下从而上横杆将上导向管道吊起；轨道小车的导向滑轮卡入上导向管道和下导向管道之间的间隙中滚动；

轨道小车包括两个驱动组和一个控制平台，驱动组包括导向滑轮、驱动电机、悬挂杆、承重轴承；导向滑轮位于悬挂杆一侧的上段，驱动电机驱动导向滑轮转动，悬挂杆的下端通过承重轴承与控制平台转动连接；两个驱动组一前一后将控制平台吊起；

定轴转动机构包括电动机、控制板、轴承、云台连接件、旋转轴；电动机通过控制板安装在控制平台上，云台连接件与控制平台的下端通过轴承连接，电动机通过旋转轴带动云台连接件自转；

滑动模组包括水平滑动底座、水平滑动块、竖直滑动底座、竖直滑动块；水平滑动块设置于水平滑动底座上，水平滑动底座带动水平滑动块直线运动，竖直滑动底座固定在水平滑动块上，竖直滑动块设置在竖直滑动底座上，竖直滑动底座带动竖直滑动块直线运动；水平滑动底座的一端与云台连接件的下端固定连接；

末端执行器包括控制板、转动电机、执行器连接器、执行器底盘、夹爪组、切割器；控制板和转动电机设置在执行器连接器内部，转动电机的水平的电机轴穿过执行器连接器与执行器底盘相接，带动执行器底盘转动；夹爪组和切割器安装在执行器底盘上；执行器连接器与竖直滑动块固定连接；

夹爪组包括夹爪电机、夹爪丝杆、两个夹爪；夹爪电机通过锥齿轮与夹爪丝杆连接，一个夹爪与执行器底盘固定连接，夹爪丝杆带动另一夹爪平移实现夹取或放开动作；

切割器包括切割电机、切割盘、刀片，切割电机固定在执行器底盘上，切割盘直接与切割电机的电机轴相连，刀片的数量为四片，沿圆周均匀固定在切割盘上，切割盘位于固定的夹爪的一侧的上方，圆形的切割盘与电机轴偏心设置；

果实收集框吊挂在水平滑动底座的一端；深度相机安装在执行器连接器上。

2.按照权利要求1所述的一种轨道悬挂式果园机械装置的高枝果实采摘方法，其特征在于：采集高枝果实信息时，控制定轴转动机构带动滑动模组绕旋转轴进行360°旋转，控制滑动模组带动末端执行器进行水平方向运动和竖直方向运动，使得深度相机在高枝果树顶部对果实信息进行采集。

3.按照权利要求2所述的一种轨道悬挂式果园机械装置的高枝果实采摘方法，其特征在于：

当机械装置到达果树顶部位置后，控制系统分析通过深度相机采集的果实位置的图像后，生成控制指令；

根据指令，先控制定轴转动机构带动滑动模组转到果实所在角度，然后控制滑动模组竖直移动带动末端执行器到达果实所在高度，末端执行器自身转动调整工作姿态，然后控制滑动模组水平移动带动末端执行器运动到果梗所在位置；

当末端执行器运动到果梗位置后，控制系统控制末端执行器的夹爪夹住果梗并且将果梗夹持至切割器处，然后控制系统控制切割器进行切割动作；

当切割动作完成后，控制系统控制滑动模组进行水平运动令末端执行器从果树中移出，然后控制定轴转动机构、滑动模组的配合运动带动末端执行器将果实移动到果实收集框中，再根据预先设置的复原命令将该机械装置的姿态调整回初始位置，完成作业。