CN115191233A - 一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人及其作业方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人及其作业方法，多臂高速采摘机器人由横向分区多目多臂系统、自主移动底盘和“分体式”多路果实装箱换箱系统组成，横向分区多目多臂系统包括n个视觉伺服采摘模块；多臂高速采摘机器人的作业区域相对其纵向轴线对称等分为n个分区，以相邻两分区边界为中心线设定公共采摘区，相对自主移动底盘中心线对称布置有n个视觉伺服采摘模块，视觉伺服采摘模块包括线式采摘手臂、三维相机和吞咽式末端执行器，多臂高速采摘机器人按照公共采摘区内、外差异化的多线式采摘手臂并行作业方法实现多臂高速无碰采摘。本发明能实现快速对靶和定直线采摘，有效解决多臂采摘效率与避免碰撞的矛盾，简单可靠、实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及智能农业装备技术领域，具体涉及一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人及其作业方法。
背景技术
加快发展猕猴桃机器人采摘技术已成为行业的急迫需求和共识。中国专利(CN215379992U)公开了一种猕猴桃采摘装置，通过扫描确定茎干的位置进行剪切，并利用收集搂接收剪落的猕猴桃；中国专利(CN214545699U)提出了一种应用减速网的采摘机器人，通过电机旋转定位，旋切盘切断果梗，掉落的果实沿着减速网落入果箱。上述方案均为单臂而效率偏低。中国专利(CN106233937A)提出了一种千手观音机械臂猕猴桃果实采摘机器人，通过m×n阵列布置多个机械臂提高采摘效率，但其方案复杂，应用受到实际挂果分布、任务分工等限制。新西兰研发了猕猴桃四臂采摘机器人(Robotic kiwifruitharvesting using machine vision,convolutional neural networks,and roboticarms.Biosystems Engineering,181(2019),140–156.)，但其连杆机构式机械臂和掰折采摘方案影响了作业效率，且易导致相邻猕猴桃的误碰落，采收效率和成功率分别仅为5.8s/果和51％。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人及其作业方法，实现对棚架猕猴桃的多臂并行高速采摘。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人，包括：
横向分区多目多臂系统，由n个视觉伺服采摘模块构成，所述视觉伺服采摘模块包括线式采摘手臂、三维相机和吞咽式末端执行器；所述吞咽式末端执行器安装在线式采摘手臂末端，三维相机固定在线式采摘手臂前方；
“分体式”多路果实装箱换箱系统，包括引流软管、多路汇聚箱套和果箱快换定位装置，所述果箱快换定位装置包括可更替果箱和升降平台；所述引流软管一端与吞咽式末端执行器连通、另一端与多路汇聚箱套连通，所述可更替果箱可拆卸安装在升降平台上部，且可更替果箱能够嵌入多路汇聚箱套中；
自主移动底盘，上方安装横向分区多目多臂系统；所述多路汇聚箱套和升降平台的动力部件均固定在自主移动底盘的尾部。
上述技术方案中，所述线式采摘手臂包括直线模组、摆动电机和电动推杆，所述直线模组安装在自主移动底盘上，且直线模组上安装摆动电机，所述摆动电机输出轴与电动推杆底部连接。
上述技术方案中，所述吞咽式末端执行器包括上下贯通的圆桶和两对称设置的1/4球指，所述圆桶安装在电动推杆顶部，两1/4球指转动连接在圆桶上部，且1/4球指的转动由减速直流电机控制。
上述技术方案中，所述可更替果箱的安装位置设有接近开关，所述升降平台四角布置有压力传感器；所述多路汇聚箱套底部安装有上限位开关，升降平台的动力部件底部安装有下限位开关。
上述技术方案，还包括工控机，自主移动底盘、三维相机、摆动电机、直线模组的电机、电动推杆、减速直流电机、升降平台、接近开关、压力传感器、上限位开关和下限位开关均与工控机进行通信。
上述技术方案中，所述n个视觉伺服采摘模块等间距分布，相邻两个视觉伺服采摘模块的间距
单个视觉伺服采摘模块的作业幅宽为X，其中N为多臂高速采摘机器人的作业幅宽。
所述自主移动底盘静止时，作业区域相对自主移动底盘纵向轴线对称等分为n个分区，每一分区的宽度等于单组伺服采摘模块的作业幅宽X、长度E等于三维相机9视场可以覆盖的挂果水平面长度一半，且：
其中：K2为最高挂果高度，K1为最低挂果高度，T为三维相机的横向视野角，R为三维相机的纵向视野角。
上述技术方案中，所述直线模组的行程S、摆动电机的极限摆动角度Q、电动推杆的缩回最小长度P1、电动推杆的伸出最大长度P2、三维相机的布置高度H满足：
其中：M为电动推杆安装位置距离地面的高度，dh为采摘期某品种猕猴桃平均高度。
一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人的作业方法，包括：
自主移动底盘进入预先设定的采收路线后停车，升降平台上升至上极限位置S1，可更替果箱与多路汇聚箱套完全嵌套；
各视觉伺服采摘模块根据多线式采摘手臂并行作业方法进行采摘作业，采摘过程中采用线式采摘方法对目标猕猴桃进行采收；
当多臂高速采摘机器人作业范围内的所有猕猴桃采收完成，自主移动底盘沿着预先设定的采收路线继续前进长度E后停下，n个线式采摘手臂目标猕猴桃进行采收；
当可更替果箱满箱后，自主移动底盘和横向分区多目多臂系统停止工作，升降平台降落至换箱位S0，更换果箱，并使更换后的果箱与多路汇聚箱套完全嵌套，自主移动底盘和横向分区多目多臂系统恢复作业，直至完成采收路线上猕猴桃的采摘与回收作业。
进一步地，所述多线式采摘手臂并行作业方法具体为：
1)三维相机捕获到分区内所有猕猴桃坐标后，线式采摘手臂先采摘挂果投影水平面中沿自主移动底盘纵向距离吞咽式末端执行器最近的猕猴桃；
若多个猕猴桃与吞咽式末端执行器中心沿自主移动底盘纵向的距离差异小于5mm时，吞咽式末端执行器先采摘挂果投影平面内目标猕猴桃横向距离吞咽式末端执行器中心最近的猕猴桃；
2)当目标猕猴桃坐标位于一公共采摘区时，横向多目多臂系统根据该公共采摘区相邻两吞咽式末端执行器的中心位置做出判断：
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘纵向的相对距离>D1+D2时，两线式采摘手臂分别按照1)完成公共采摘区内目标猕猴桃的采收；
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘纵向的相对距离≤D1+D2时，先进入公共采摘区的线式采摘手臂按照1)完成公共采摘区内采收任务并离开公共采摘区后，后进入公共采摘区的线式采摘手臂的电动推杆再伸出按照1)完成吞咽采收；
其中：D1为圆筒的直径，D2为电动推杆的直径。
进一步地，所述线式采摘方法包括对靶和采收两个阶段；
在对靶阶段，电动推杆缩回的同时1/4球指张开，直线模组移动距离Z、摆动电机摆动角度γ，使得吞咽式末端执行器开口对准下一个目标猕猴桃，且：
Z＝z′-z1
其中：z′为咽末端执行器中心位置z轴方向坐标，z1为目标猕猴桃z轴方向坐标；
摆动角度γ由α和β确定，当(x′-x″)(x1-x″)＞0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃同侧，γ＝|α-β|；当(x′-x″)(x1-x″)＜0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃异侧，γ＝α+β；
其中：α为A、C点竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角，β为A、B点在竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角，A点为电动推杆底部安装位置，B点为吞咽末端执行器中心位置，C点目标猕猴桃坐标，且A点坐标为(x″，y″，z″)，B点坐标为(x′，y′，z′)，C点坐标为(x1，y1，z1)；
在采收阶段，控制电动推杆伸长距离P′，使得吞咽末端执行器的中心位置与目标猕猴桃坐标重合，并控制两1/4球指闭合，随后电动推杆收缩距离P′，拉动目标猕猴桃脱离果梗，完成采摘收获。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的线式采摘手臂包括直线模组、摆动电机和电动推杆，两个高速直动关节和一个摆动关节组成的结构运动规划简单，采摘与回收的动作均在一条直线上执行，实现快速对靶和定直线采摘；
(2)本发明多臂高速采摘机器人的作业方法，采用公共采摘区内、外差异化的多线式采摘手臂并行作业方法，有效解决多臂采摘效率与避免碰撞的矛盾，结构与方法简单可靠，实用性强。
附图说明
图1为本发明所述棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人整机和猕猴桃生长棚架结构示意图；
图2为本发明所述线式采摘手臂、吞咽式末端执行器结构示意图；
图3为本发明所述线式采摘手臂对靶目标猕猴桃的左视图；
图4为本发明所述线式采摘手臂对靶目标猕猴桃的后视图；
图5为本发明所述线式采摘手臂完成对靶后，吞咽采收目标猕猴桃示意图；
图6(a)为本发明所述单个视觉伺服采摘模块结构参数设计正视图；
图6(b)为本发明所述单个视觉伺服采摘模块结构参数设计侧视图；
图7(a)为本发明所述公共采摘区划分示意图；
图7(b)为图7(a)局部放大图；
图8(a)为本发明所述棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人工作分区主视图；
图8(b)为本发明所述棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人工作分区俯视图；
图9为本发明所述多线式采摘手臂并行作业方法示意图；
图10(a)为本发明所述错平面采摘示意正视图；
图10(b)为本发明所述错平面采摘示意左视图；
图11为本发明所述“分体式”多路果实装箱换箱系统结构示意图；
图12(a)为本发明所述“分体式”多路果实装箱换箱系统快速换箱过程上极限位置示意图；
图12(b)为本发明所述“分体式”多路果实装箱换箱系统快速换箱过程下极限位置示意图；
图中：1.横向分区多目多臂系统，2.自主移动底盘，3.“分体式”多路果实装箱换箱系统，4.直线模组，5.滑台，6.摆动电机，7.电动推杆，8.圆桶，9.三维相机，10.1/4球指，11.引流软管，12.多路汇聚箱套，13.减速挡圈，14.可更替果箱，15.升降平台，16.接近开关，17.压力传感器，18.上限位开关，19.下限位开关，A.电动推杆底部安装位，B.吞咽末端执行器中心位置，C.目标猕猴桃的坐标。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人包括横向分区多目多臂系统1、“分体式”多路果实装箱换箱系统3、自主移动底盘2，横向分区多目多臂系统1对称安装在自主移动底盘2的上方，“分体式”多路果实装箱换箱系统3壁挂式安装在自主移动底盘2的尾部；为了覆盖多臂高速采摘机器人的作业幅宽N，相对自主移动底盘2纵向中心线对称布置有n个视觉伺服采摘模块，n个视觉伺服采摘模块构成横向分区多目多臂系统1；相邻两个视觉伺服采摘模块的间距
单个视觉伺服采摘模块的作业幅宽等于X；其中多臂高速采摘机器人的作业幅宽N由棚架的行宽确定，本实施例中N取1600mm，n＝4，X取400mm。
如图1、2所示，每个视觉伺服采摘模块配备有一只线式采摘手臂、一个三维相机9和吞咽式末端执行器，其中三维相机9水平固定在对应线式采摘手臂的正前方，吞咽式末端执行器安装在线式采摘手臂的伸缩末端，吞咽式末端执行器开口向上，吞咽式末端执行器的中心轴线与电动推杆7伸缩动作方向平行；其中吞咽式末端执行器包括上下贯通的圆桶8和1/4球指10。
如图2所示，线式采摘手臂包括直线模组4、摆动电机6和电动推杆7，直线模组4的滑动方向与自主移动底盘2纵向中心线平行；摆动电机6安装在直线模组4的滑台5上，摆动电机6的轴线与自主移动底盘2纵向中心线平行；电动推杆7的尾部通过法兰盘套接于摆动电机6的输出轴上，电动推杆7的端部向上且其摆动动作平面垂直于自主移动底盘2的中心线。圆桶8固定安装在电动推杆7的端部，两1/4球指10的两端通过转轴安装在圆桶8上部，一端两转轴末端均安装有齿轮，且两齿轮相互啮合，其中一齿轮与减速直流电机输出连接；直线模组4通过安装板安装在自主移动底盘2上部。
如图11所示，“分体式”多路果实装箱换箱系统3包括引流软管11、多路汇聚箱套12和果箱快换定位装置，多路汇聚箱套12固定在自主移动底盘2的尾部，果箱快换定位装置固定在自主移动底盘2的尾部并位于的多路汇聚箱套12的正下方；多路汇聚箱套12为中空且底部无盖的箱体，多路汇聚箱套12开设有n个通孔，通孔的一端安装连接引流软管11，引流软管11另一端与圆桶8的底部连接，通孔与引流软管11的连接位置布置有减速挡圈13；所述果箱快换定位装置包括可更替果箱14和升降平台15，升降平台15的卡槽顶部安装有接近开关16、四角布置有压力传感器17，可更替果箱14沿卡槽安装在升降平台15上部，卡槽设置在升降平台15侧板上；上限位开关18安装在多路汇聚箱套12底部，下限位开关19安装在升降平台15动力部件底部，升降平台15通过上限位开关18、下限位开关19，分别实现可更替果箱14上升嵌套于多路汇聚箱套12内部以及下降到达换箱位S0的定位，动力部件固定在自主移动底盘2的尾部。
一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人还包括工控机，自主移动底盘2、三维相机9、摆动电机6、直线模组电机、电动推杆7、减速直流电机、升降平台15、接近开关16、压力传感器17、上限位开关18和下限位开关19均与工控机进行通信。
如图3、图4和图5所示，利用线式采摘手臂实现猕猴桃的线式采摘，包括对靶和采收两个阶段，其中对靶方式如下：在完成上一个目标猕猴桃采收后，工控机发送信号给电动推杆7和减速直流电机，控制电动推杆7缩回的同时1/4球指10张开，保证下一次采收时吞咽式末端执行器开口打开；工控机控制直线模组4移动距离Z、摆动电机6摆动角度γ，使吞咽式末端执行器开口对准下一个目标猕猴桃，其中Z按照以下取值：
Z＝z′-z1
电动推杆底部安装位A点坐标(x″，y″，z″)为电动推杆7底部安装位置，吞咽末端执行器中心位置B点坐标为(x′，y′，z′)，目标猕猴桃的坐标C点(x1，y1，z1)为三维相机9捕捉到的目标猕猴桃坐标。
A、B点在竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角为β，A、C点竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角为α，摆动角度γ通过α和β确定，α和β的表达式为；
当(x′-x″)(x1-x″)＞0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃同侧，γ＝|α-β|；
当(x′-x″)(x1-x″)＜0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃异侧，γ＝α+β。
完成对靶定位后，控制电动推杆7伸长距离P′，使得吞咽末端执行器的中心位置与目标猕猴桃坐标重合，并控制两1/4球指10闭合，该吞咽末端执行器可以自适应不同果径的猕猴桃，随后，电动推杆7收缩距离P′，收缩的过程中由于目标猕猴桃与果梗连接的上表面受到吞咽式末端执行器的拉力作用，从而脱离果梗，完成采摘收获；P′按照以下取值：
本发明线式采摘方法的优势在于：
(1)当相邻两线式采摘手臂的目标猕猴桃在同一公共采摘区时，由于每一采摘周期在一条定直线上完成，所以便于多臂并行作业规划，避免了多个线式采摘手臂之间可能会发生的碰撞；
(2)由于该线式采摘手臂仅由两个高速直动关节(一个直线模组4和一个电动推杆7)与一个摆动关节(一个摆动电机6)组成，运动规划简单，且吞咽式采摘与回收的动作都在一条直线上执行，所以可以实现高速采摘；
(3)在挂果密集区，折、掰等采摘动作会误触到相邻果实，造成相邻果实误掉落，由于本发明线式采摘手臂的伸缩和吞咽采摘动作在一条定直线上完成，有效的避免了对相邻果实碰撞而造成的掉落。
如图8(a)所示，多臂高速采摘机器人的自主移动底盘2静止时，作业区域相对自主移动底盘2纵向轴线对称等分为n个分区，每一分区的宽度等于单个伺服采摘模块的作业幅宽X、长度E等于三维相机9视场可以覆盖的挂果水平面长度一半，且：
其中：K2为最高挂果高度，本实施例中K2取1750mm；K1为最低挂果高度，本实施例中K1取1650mm；T为三维相机9的横向视野角，本实施例中T取42°；R为三维相机9的纵向视野角，本实施例中R取69°；参见图6(a)、(b)；
已知单个视觉伺服采摘模块的作业幅宽为X，因此摆动电机6的极限摆动角度Q(参见图7)按照以下取值：
其中：M为电动推杆7安装位置距离地面的高度，本实施例中M取1060mm。
为了保证吞咽末端执行器可以自下而上套入并摘下目标猕猴桃，吞咽式末端执行器的最低位置应低于最低挂果位置的猕猴桃花萼，电动推杆7缩回最小长度P1按照以下取值：
P1≤K1-M-dh
其中：dh为采摘期该品种猕猴桃平均高度，本实施例中取80mm。
为了可以采摘到作业幅宽内最远的猕猴桃，电动推杆7伸出最大长度P2按照以下取值：
为了使三维相机9可以获取作业幅宽内所有的猕猴桃的中心位置，三维相机9布置高度H按照以下取值：
为满足线式采摘手臂沿直线模组4的移动范围覆盖三维相机9采集的纵向最远挂果距离(即长度E)，直线模组4的行程S应按照以下取值：
按照以上参数确定的视觉伺服采摘模块，可以实现每次自主移动底盘2停止后，对多臂高速采摘机器人工作范围内不同挂果高度所有猕猴桃的采收。
如图7(a)、7(b)、8(b)所示，为了避免相邻分区间线式采摘手臂工作时发生碰撞，以两分区边界作为中心面，设定一个宽度为2L的公共采摘区，其中L是根据线式采摘手臂上吞咽式末端执行器的中心位置确定的，且当吞咽式末端执行器的中心位置在两分区边界面上、且处于最低挂果高度时，超出各自分区的长度最大，所以L按照以下取值：
其中：D1为圆筒8的直径。
如图8(b)、图9和图10(a)、(b)所示，为了实现横向分区多目多臂系统1高效无碰的作业采收，采用多线式采摘手臂并行作业方法：
(1)n个线式采摘手臂均从自主移动底盘2尾部、同侧的极限摆动位置启动作业，各分区三维相机9捕获到分区内所有猕猴桃坐标后，线式采摘手臂优先采摘挂果投影水平面中沿自主移动底盘2纵向距离吞咽式末端执行器最近的猕猴桃，线式采摘手臂按照线式采摘方法采摘猕猴桃；参见图8(b)，若多个猕猴桃与吞咽式末端执行器中心沿自主移动底盘2纵向的距离差异小于5mm时，视作纵向距离相等，吞咽式末端执行器优先采摘挂果投影平面内目标猕猴桃横向距离吞咽式末端执行器中心最近的猕猴桃，线式采摘手臂按照线式采摘方法采摘猕猴桃；
(2)当目标猕猴桃坐标位于其中一公共采摘区时，横向多目多臂系统1根据该公共采摘区相邻两吞咽式末端执行器的中心位置做出判断：
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘2纵向的相对距离>D1+D2(D2为电动推杆7的直径)时，两吞咽式末端执行器不存在干涉风险(参见图10(a)、(b))，则分别按照(1)完成公共采摘区内目标猕猴桃的采收；
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘2纵向的相对距离≤D1+D2时，两吞咽式末端执行器存在干涉风险，则等待先进入公共采摘区的吞咽式末端执行器所在线式采摘手臂按照(1)完成公共采摘区内采收任务并离开公共采摘区后，后进入公共采摘区的吞咽式末端执行器所在线式采摘手臂的电动推杆7再伸出按照(1)完成吞咽采收，线式采摘手臂的控制由工控机完成，且后进入公共采摘区的线式采摘手臂的电动推杆7在等待时为收缩状态。
如图3、4、5、8(b)和12(a)、(b)所示，多臂高速采摘机器人系统的采摘与回收连续作业方法，包含以下步骤：
步骤一，自主移动底盘2根据自身导航进入预先设定的采收路线后停车，升降平台15在工控机的控制下上升至上极限位置S1(触发上限位开关18)，使可更替果箱14与多路汇聚箱套12完全嵌套；
步骤二，各视觉伺服采摘模块根据多线式采摘手臂并行作业方法进行采摘作业，采摘过程中采用线式采摘方法对目标猕猴桃进行采收；
步骤三，当多臂高速采摘机器人作业范围内的所有猕猴桃采收完成，自主移动底盘2沿着预定采收路线继续前进长度E后停下，重复步骤二的采摘动作；
步骤四，当工控机接收到压力传感器17发送的满箱信号后，自主移动底盘2与横向分区多目多臂系统1停止工作，升降平台15降落至换箱位S0(触发下限位开关19)，将装满的可更替果箱14取下并将空的可更替果箱14沿卡槽插进升降平台15，触发接近开关16发出定位完成信号，工控机收到定位完成信号后控制升降平台15上升，直至可更替果箱14嵌套于多路汇聚箱套12内，触发上限位开关18发出换箱完成信号，工控机控制自主移动底盘2和横向分区多目多臂系统1恢复作业；
步骤五，如此往复循环，直至完成采收路线上猕猴桃的采摘与回收作业。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人，其特征在于，包括：
横向分区多目多臂系统(1)，由n个视觉伺服采摘模块构成，所述视觉伺服采摘模块包括线式采摘手臂、三维相机(9)和吞咽式末端执行器；所述吞咽式末端执行器安装在线式采摘手臂末端，三维相机(9)固定在线式采摘手臂前方；
“分体式”多路果实装箱换箱系统(3)，包括引流软管(11)、多路汇聚箱套(12)和果箱快换定位装置，所述果箱快换定位装置包括可更替果箱(14)和升降平台(15)；所述引流软管(11)一端与吞咽式末端执行器连通、另一端与多路汇聚箱套(12)连通，所述可更替果箱(14)可拆卸安装在升降平台(15)上部，且可更替果箱(14)能够嵌入多路汇聚箱套(12)中；
自主移动底盘(2)，上方安装横向分区多目多臂系统(1)；所述多路汇聚箱套(12)和升降平台(15)的动力部件均固定在自主移动底盘(2)的尾部。
2.根据权利要求1所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，所述线式采摘手臂包括直线模组(4)、摆动电机(6)和电动推杆(7)，所述直线模组(4)安装在自主移动底盘(2)上，且直线模组(4)上安装摆动电机(6)，所述摆动电机(6)输出轴与电动推杆(7)底部连接。
3.根据权利要求2所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，所述吞咽式末端执行器包括上下贯通的圆桶(8)和两对称设置的1/4球指(10)，所述圆桶(8)安装在电动推杆(7)顶部，两1/4球指(10)转动连接在圆桶(8)上部，且1/4球指(10)的转动由减速直流电机控制。
4.根据权利要求3所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，所述可更替果箱(14)的安装位置设有接近开关(16)，所述升降平台(15)四角布置有压力传感器(17)；所述多路汇聚箱套(12)底部安装有上限位开关(18)，升降平台(15)的动力部件底部安装有下限位开关(19)。
5.根据权利要求4所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，还包括工控机，自主移动底盘(2)、三维相机(9)、摆动电机(6)、直线模组的电机、电动推杆(7)、减速直流电机、升降平台(15)、接近开关(16)、压力传感器(17)、上限位开关(18)和下限位开关(19)均与工控机进行通信。
6.根据权利要求1所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，所述n个视觉伺服采摘模块等间距分布，相邻两个视觉伺服采摘模块的间距
单个视觉伺服采摘模块的作业幅宽为X，其中N为多臂高速采摘机器人的作业幅宽。
所述自主移动底盘(2)静止时，作业区域相对自主移动底盘(2)纵向轴线对称等分为n个分区，每一分区的宽度等于单组伺服采摘模块的作业幅宽X、长度E等于三维相机9视场可以覆盖的挂果水平面长度一半，且：
其中：K2为最高挂果高度，K1为最低挂果高度，T为三维相机(9)的横向视野角，R为三维相机(9)的纵向视野角。
7.根据权利要求6所述的多臂高速采摘机器人，其特征在于，所述直线模组(4)的行程S、摆动电机(6)的极限摆动角度Q、电动推杆(7)的缩回最小长度P1、电动推杆(7)的伸出最大长度P2、三维相机(9)的布置高度H满足：
P1≤K1-M-dh
其中：M为电动推杆(7)安装位置距离地面的高度，dh为采摘期某品种猕猴桃平均高度。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的多臂高速采摘机器人的作业方法，其特征在于，包括：
自主移动底盘(2)进入预先设定的采收路线后停车，升降平台(15)上升至上极限位置S1，可更替果箱(14)与多路汇聚箱套(12)完全嵌套；
各视觉伺服采摘模块根据多线式采摘手臂并行作业方法进行采摘作业，采摘过程中采用线式采摘方法对目标猕猴桃进行采收；
当多臂高速采摘机器人作业范围内的所有猕猴桃采收完成，自主移动底盘(2)沿着预先设定的采收路线继续前进长度E后停下，n个线式采摘手臂目标猕猴桃进行采收；
当可更替果箱(14)满箱后，自主移动底盘(2)和横向分区多目多臂系统(1)停止工作，升降平台(15)降落至换箱位S0，更换果箱，并使更换后的果箱与多路汇聚箱套(12)完全嵌套，自主移动底盘(2)和横向分区多目多臂系统(1)恢复作业，直至完成采收路线上猕猴桃的采摘与回收作业。
9.根据权利要求8所述的作业方法，其特征在于，所述多线式采摘手臂并行作业方法具体为：
1)三维相机(9)捕获到分区内所有猕猴桃坐标后，线式采摘手臂先采摘挂果投影水平面中沿自主移动底盘(2)纵向距离吞咽式末端执行器最近的猕猴桃；
若多个猕猴桃与吞咽式末端执行器中心沿自主移动底盘(2)纵向的距离差异小于5mm时，吞咽式末端执行器先采摘挂果投影平面内目标猕猴桃横向距离吞咽式末端执行器中心最近的猕猴桃；
2)当目标猕猴桃坐标位于一公共采摘区时，横向多目多臂系统(1)根据该公共采摘区相邻两吞咽式末端执行器的中心位置做出判断：
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘(2)纵向的相对距离>D1+D2时，两线式采摘手臂分别按照1)完成公共采摘区内目标猕猴桃的采收；
若相邻两吞咽式末端执行器中心都位于公共采摘区内，且两个吞咽式末端执行器中心位置沿自主移动底盘(2)纵向的相对距离≤D1+D2时，先进入公共采摘区的线式采摘手臂按照1)完成公共采摘区内采收任务并离开公共采摘区后，后进入公共采摘区的线式采摘手臂的电动推杆(7)再伸出按照1)完成吞咽采收；
其中：D1为圆筒(8)的直径，D2为电动推杆(7)的直径。
10.根据权利要求9所述的作业方法，其特征在于，所述线式采摘方法包括对靶和采收两个阶段；
在对靶阶段，电动推杆(7)缩回的同时1/4球指(10)张开，直线模组(4)移动距离Z、摆动电机(6)摆动角度γ，使得吞咽式末端执行器开口对准下一个目标猕猴桃，且：
Z＝z′-z1
其中：z′为咽末端执行器中心位置z轴方向坐标，z1为目标猕猴桃z轴方向坐标；
摆动角度γ由α和β确定，当(x′-x″)(x1-x″)＞0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃同侧，γ＝|α-β|；当(x′-x″)(x1-x″)＜0，则吞咽式末端执行器与目标猕猴桃异侧，γ＝α+β；
其中：α为A、C点竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角，β为A、B点在竖直平面内投影点的连线与竖直线之间的夹角，A点为电动推杆(7)底部安装位置，B点为吞咽末端执行器中心位置，C点目标猕猴桃坐标，且A点坐标为(x″，y″，z″)，B点坐标为(x′，y′，z′)，C点坐标为(x1，y1，z1)；
在采收阶段，控制电动推杆(7)伸长距离P′，使得吞咽末端执行器的中心位置与目标猕猴桃坐标重合，并控制两1/4球指(10)闭合，随后电动推杆(7)收缩距离P′，拉动目标猕猴桃脱离果梗，完成采摘收获。
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| CN202210829833.3A CN115191233B (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种棚架猕猴桃的多臂高速采摘机器人及其作业方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116849113A (zh) * | 2023-07-05 | 2023-10-10 | 浙江理工大学 | 基于视觉识别与双流式喷雾的猕猴桃精量对靶授粉机器人 |
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- 2022-07-15 CN CN202210829833.3A patent/CN115191233B/zh active Active
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