CN115194742A - 一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采摘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业果蔬自动化采摘机器人技术领域，具体涉及一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采摘方法。通过相机实时识别番茄串信息，通过整串果实的信息来推导位于番茄串上方合适的切割点位置，同时获取到执行器在切割点处的位置和姿态信息，控制多关节机械臂运动，将采摘机械手移动至指定采摘位置。采摘机械手的执行器从番茄串下方最低点的果实中心对准,自下往上移动套入果实，到达果梗剪切位置时，驱动七连杆仿人手机构剪切果梗，之后夹住番茄串，控制机械臂将番茄串放到指定的收集筐中，完成采摘任务。

Description

一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采摘方法
技术领域
本发明属于农业果蔬自动化采摘机器人技术领域，具体涉及一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采摘方法。
背景技术
果蔬采摘属于劳动密集型工作，是整个生产链中最耗时和耗力的一个环节。现有的果蔬采摘作业主要依靠人工完成，具有采摘效率低、成本高、劳动强度大等问题。近年来，由于人口老龄化问题导致人力资源严重匮乏，人工采摘作业的成本在整个生产成本中占有较高的比例，因此，实现采摘作业的自动化已成为农业深化发展的迫切需求和关键技术瓶颈。
番茄生长环境较为复杂，处于高度的非结构化与不确定的未知环境中。由于作物自然生长状态随机且多样，作物枝条(藤蔓)、真叶、支架等与果蔬的空间布局复杂，其形状也复杂多样。采摘机器人在进行采摘时，应该具有高度的采摘对象的适应性，对周围环境及水果对象具有较小的扰动和破坏性，能够较好地应对采摘对象的易损性和个体形状的差异性。
藤蔓生长的水果和植物可以在结构中成串生长，从而使小区域内的农产品产量最大化。而番茄生产过程中，其中采摘是串番茄生产过程中最费时、费力的环节之一，主要原因有：一、串番茄要求成串采摘，需要保证其外观品质；二、番茄种植结出来的果实串和果实数量多，每一株全年可结果很多串，一般每串有多颗番茄果实。这就造成了工人采摘作业量大，温室温度高，作业条件艰苦，劳动强度大，影响采摘质量。
传统的机器人采摘方式主要以接触式为主。末端执行器通过加持、吸附等方式与番茄表面接触，造成加持损伤、落果等一系列问题。
传统剪切式末端执行器只是剪切机构，类似剪刀结构，直接作用于果实果梗。实际生产中，视觉直接找果梗存在很大问题，由于番茄有藤、长梗、短梗等多种果梗特征，会出现果梗识别混淆，并且无法确定合理的剪切位置。而且由于重力因素，也会出现剪断之后的番茄串坠落下来，导致果实串损伤。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采摘方法，通过相机实时识别番茄串信息，通过整串果实的信息来推导位于番茄串上方合适的切割点位置，同时获取到执行器在切割点处的位置和姿态信息，控制多关节机械臂运动，将采摘机械手移动至指定采摘位置。采摘机械手的执行器从番茄串下方最低点的果实中心对准,自下往上移动套入果实，到达果梗剪切位置时，驱动七连杆仿人手机构剪切果梗，之后夹住番茄串，控制机械臂将番茄串放到指定的收集筐中，完成采摘任务。执行器的开口大小严格依照实际生产环境的串番茄空间大小设计，无需调控大小，能够满足套进番茄串的性能，而且在执行采摘作业时，执行器会很好地移开番茄串旁边的茎和番茄串，大幅降低对番茄植株的损伤。
本发明适合成串生长、排布紧凑的果实采摘，采摘时对果实伤害低，采摘效率高，自动完成果实收集过程，果实采摘效率和稳定性高，本发明的结构简单、紧凑、自动化程度高，采摘效率高、伤果率低、适应性广，可以有效降低采摘工人的劳动强度和生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种非接触式串番茄自动采摘机械手，用于串番茄的自动采摘，包括机械臂2、支架3、执行器4和深度相机5。
所述支架3固接在机械臂2的末端；所述深度相机5和执行器4分别固接在支架3的上部和下部；所述机械臂2的附近设有收集筐1。
所述执行器4包括外壳410、气缸409和七连杆仿人手机构；所述七连杆仿人手机构包括左剪切刀401、右剪切刀402、左拨杆403、右拨杆404、左连杆405、右连杆406和接头407。
所述外壳410通过螺栓固接在支架3上；外壳410的前端设有拨杆连接部410-1；外壳410的后部设有气缸安装槽410-2，所述气缸409固接在所述气缸安装槽410-2内，气缸409的活塞杆408在外壳410的前部空间内自由伸缩；所述外壳410的前部左右两侧设有分别用于左连杆405和右连杆406前后移动的长槽410-3。
所述接头407通过螺纹和锁紧螺母与气缸409的活塞杆408的端部固接；所述左连杆405和右连杆406的后端分别与接头407的左右两侧铰接；左连杆405和右连杆406分别从外壳410的前部左右两侧的长槽410-3穿出，并能够随活塞杆408的伸缩在长槽410-3中前后滑动；所述左连杆405的前端与左拨杆403的后端铰接，右连杆406的前端与右拨杆404的后端铰接；所述左拨杆403的前端与左剪切刀401的后端铰接，所述右拨杆404的前端与右剪切刀402的后端铰接；所述左剪切刀401的前端与右剪切刀402的前端相互铰接；所述左拨杆403和右拨杆404的中部分别与拨杆连接部410-1的左右两侧铰接。
当气缸409的活塞杆408处于收缩状态时，拨杆连接部410-1、左拨杆403和右拨杆404的前部以及左剪切刀401和右剪切刀402共同构成一允许果串6通过的采摘环。
当气缸409的活塞杆408处于伸展状态时，左剪切刀401与右剪切刀402相互合拢，将果串6的果梗7切断并夹持。
所述深度相机5获取串番茄的位置数据，控制器根据串番茄的位置数据识别出串番茄的姿态，确定切割位置并拟合出执行器4的运动轨迹；操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串6通过的采摘环，控制执行器4按照运动轨迹移动，到达果实串上方的果梗7上的切割位置；操作七连杆仿人手机构闭合将果串6的果梗7切断并夹持；操作机械臂2将执行器4移动到放置收集筐1上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串6放置在收集筐1中。
所述左剪切刀401包括上下并列设置的剪切刀片401-1和左夹持部401-2；所述右剪切刀402包括与剪切刀片401-1相对应的刀槽402-1和与左夹持部401-2相对应的右夹持部402-2；
所述剪切刀片401-1的后部与左夹持部401-2的后部通过一个销轴401-4铰接；所述剪切刀片401-1上沿其过销轴401-4的轴线设有至少一个垂直于刀片平面的固定栓401-1-1；所述左夹持部401-2上设有与固定栓401-1-1一一对应的活动槽401-2-1，所述活动槽401-2-1为以销轴401-4为圆心的圆弧形；所述复位弹簧401-3和剪切刀片401-1的固定栓401-1-1位于左夹持部401-2的活动槽401-2-1内；且复位弹簧401-3位于活动槽401-2-1的靠近夹持工作面的一端与固定栓401-1-1之间，使得左夹持部401-2相对于剪切刀片401-1能够以销轴401-4为圆心作小幅转动，并能在复位弹簧401-3的作用下复位，进而使得左剪切刀401和右剪切刀402在相互合拢剪切果梗7时，剪切刀片401-1能够完全进入刀槽402-1，避免不完整剪切。
所述左夹持部401-2和右夹持部402-2为相互咬合的齿状结构。
所述左夹持部401-2和右夹持部402-2的材质采用不锈钢材料。
一种利用所述的非接触式串番茄自动采摘机械手的非接触式串番茄自动采摘方法，包括如下步骤：
S1、串番茄姿态识别；
根据深度相机5获取果串6的位置数据识别出串番茄姿态；
S2、根据串番茄姿态确定切割位置并拟合出执行器4的运动轨迹；
根据串番茄姿态定位出果串6的各个运动节点a、b、c、d和e，根据运动节点a、b、c、d、e拟合执行器4的运动轨迹；
运动节点a为识别到的果串6中高度最低的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点b为识别到的果串6中高度最高的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点c位于运动节点a的下方位置，是执行器4进行采摘作业时套入果串6的起始目标点；运动节点d位于运动节点b的上方位置，为执行器4进行采摘作业时套入果串6的终止目标点；运动节点e是运动节点d所在水平面与果串6果实拟合的空间线相交的点，是执行器4进行剪切果串6上果梗7的刀片切割点；
S3、串番茄采收；
操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串6通过的采摘环，并移动至果串6下方的起始目标点；控制执行器4按照运动轨迹移动，到达果串6的上方位置；控制执行器4移动至刀片切割点：向后移动一定距离并且转动一定角度，使得果梗7垂直地位于左剪切刀401和右剪切刀402的剪切平面内；操作左剪切刀401与右剪切刀402相互合拢将果串6的果梗7切断并夹持；操作机械臂2将执行器4移动到放置收集筐1上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串6放置在收集筐1中。
所述步骤S1采用基于YOLOv4深度学习的姿态检测方法，判断番茄果串与果梗关节点的对应位置关系，通过识别番茄果串和果梗关节点的连通关系，实现果串6识别定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、该发明集采摘和收集一体化，有效地减少了采摘动作，大量节省果实采摘过程的工作时间。
2、基于六自由度机械臂、七连杆仿人手机构和剪切刀联动控制，整个过程没有任何器件触碰番茄，做到了无接触、无损害、无碰伤。
3、与传统的找梗切割点位置方法相比，不是直接找到果实串上的果梗，而是获取串番茄的轮廓，按照大多串番茄的长度经验确定果梗切割点。
4、剪切装置刀刃足够长，剪切效率高。
5、该发明结构简单、紧凑、自动化程度高、果实采摘效率高、伤果率低、适应性广，有效降低采摘工人的劳动强度和生产成本。
附图说明
图1为本发明的非接触式串番茄自动采摘机械手的结构示意图；
图2为本发明的执行器4的结构示意图；
图3为本发明的左剪切刀401和右剪切刀402的结构示意图；
图4为本发明的左剪切刀401底部结构示意图；
图5为本发明定位的果串6的运动节点示意图；
图6～图10为本发明的非接触式串番茄自动采摘机械手采摘过程示意图。
其中的附图标记为：
1、收集筐 2、机械臂
3、支架 4、执行器
401、左剪切刀 401-1、剪切刀片
401-1-1、固定栓 401-2、左夹持部
401-2-1、活动槽 401-3、复位弹簧
401-4、销轴 402、右剪切刀
402-1、刀槽 402-2、右夹持部
403、左拨杆 404、右拨杆
405、左连杆 406、右连杆
407、接头 408、活塞杆
409、气缸 410、外壳
410-1、拨杆连接部 410-2、气缸安装槽
410-3、长槽 5、深度相机
6、果串 7、果梗
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种非接触式串番茄自动采摘机械手，用于串番茄的自动采摘，包括机械臂2、支架3、执行器4和深度相机5。所述串番茄包括果串6和果梗7。
所述支架3固接在机械臂2的末端；所述深度相机5和执行器4分别固接在支架3的上部和下部；所述机械臂2的附近设有收集筐1。
如图2所示，所述执行器4包括外壳410、气缸409和七连杆仿人手机构；所述七连杆仿人手机构包括左剪切刀401、右剪切刀402、左拨杆403、右拨杆404、左连杆405、右连杆406和接头407。
所述外壳410通过螺栓固接在支架3上；外壳410的前端设有拨杆连接部410-1；外壳410的后部设有气缸安装槽410-2，所述气缸409固接在所述气缸安装槽410-2内，气缸409的活塞杆408在外壳410的前部空间内自由伸缩；所述外壳410的前部左右两侧设有分别用于左连杆405和右连杆406前后移动的长槽410-3。
所述接头407通过螺纹和锁紧螺母与气缸409的活塞杆408的端部固接；所述左连杆405和右连杆406的后端分别与接头407的左右两侧铰接；左连杆405和右连杆406分别从外壳410的前部左右两侧的长槽410-3穿出，并能够随活塞杆408的伸缩在长槽410-3中前后滑动；所述左连杆405的前端与左拨杆403的后端铰接，右连杆406的前端与右拨杆404的后端铰接；所述左拨杆403的前端与左剪切刀401的后端铰接，所述右拨杆404的前端与右剪切刀402的后端铰接；所述左剪切刀401的前端与右剪切刀402的前端相互铰接；所述左拨杆403和右拨杆404的中部分别与拨杆连接部410-1的左右两侧铰接。
当气缸409的活塞杆408处于收缩状态时，拨杆连接部410-1、左拨杆403和右拨杆404的前部以及左剪切刀401和右剪切刀402共同构成一允许果串6通过的采摘环。
当气缸409的活塞杆408处于伸展状态时，左剪切刀401与右剪切刀402相互合拢，将果串6的果梗7切断并夹持。
如图3所示，所述左剪切刀401包括上下并列设置的剪切刀片401-1和左夹持部401-2；所述右剪切刀402包括与剪切刀片401-1相对应的刀槽402-1和与左夹持部401-2相对应的右夹持部402-2。
如图4所示，所述剪切刀片401-1的后部与左夹持部401-2的后部通过一个销轴401-4铰接；所述剪切刀片401-1上沿其过销轴401-4的轴线设有至少一个垂直于刀片平面的固定栓401-1-1；所述左夹持部401-2上设有与固定栓401-1-1一一对应的活动槽401-2-1，所述活动槽401-2-1为以销轴401-4为圆心的圆弧形；所述复位弹簧401-3和剪切刀片401-1的固定栓401-1-1位于左夹持部401-2的活动槽401-2-1内；且复位弹簧401-3位于活动槽401-2-1的靠近夹持工作面的一端与固定栓401-1-1之间，使得左夹持部401-2相对于剪切刀片401-1能够以销轴401-4为圆心作小幅转动，并能在复位弹簧401-3的作用下复位。这样设置，能够确保左剪切刀401和右剪切刀402在相互合拢剪切果梗7时，剪切刀片401-1可以完全进入刀槽402-1，避免不完整剪切。
优选地，所述左夹持部401-2和右夹持部402-2为相互咬合的齿状结构，材质优选采用不锈钢材料，具有硬度高、锋利、耐腐蚀等特点。
所述深度相机5获取串番茄的位置数据，控制器根据串番茄的位置数据识别出串番茄的姿态，确定切割位置并拟合出执行器4的运动轨迹；操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串6通过的采摘环，控制执行器4按照运动轨迹移动，到达果实串上方的果梗7上的切割位置；操作七连杆仿人手机构闭合将果串6的果梗7切断并夹持；操作机械臂2将执行器4移动到放置收集筐1上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串6放置在收集筐1中。
本发明的一种基于所述非接触式串番茄自动采摘机械手的非接触式串番茄自动采摘方法，包括如下步骤：
S1、串番茄姿态识别；
根据深度相机5获取果串6的位置数据识别出串番茄姿态；
本实施例使用了一种现有的基于YOLOv4深度学习的果串6姿态检测方法，判断番茄果串与果梗关节点的对应位置关系，通过识别番茄果串和果梗关节点的连通关系，实现果串6识别定位。
S2、根据串番茄姿态确定切割位置并拟合出执行器4的运动轨迹；
根据串番茄姿态定位出果串6的各个运动节点a、b、c、d和e，根据运动节点a、b、c、d、e拟合执行器4的运动轨迹；
如图5所示，运动节点a为识别到的果串6中高度最低的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点b为识别到的果串6中高度最高的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点c位于运动节点a的下方位置，是执行器4进行采摘作业时套入果串6的起始目标点；运动节点d位于运动节点b的上方位置，为执行器4进行采摘作业时套入果串6的终止目标点；运动节点e是运动节点d所在水平面与果串6果实拟合的空间线相交的点，是执行器4进行剪切果串6上果梗7的刀片切割点。
S3、串番茄采收；
操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串6通过的采摘环，并移动至果串6下方的起始目标点，如图6所示；控制执行器4按照运动轨迹移动，到达果串6的上方位置，如图7所示；控制执行器4移动至刀片切割点：向后移动一定距离并且转动一定角度，使得果梗7垂直地位于左剪切刀401和右剪切刀402的剪切平面内，如图8所示；操作左剪切刀401与右剪切刀402相互合拢将果串6的果梗7切断并夹持，如图9和图10所示；操作机械臂2将执行器4移动到放置收集筐1上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串6放置在收集筐1中。

Claims (6)

1.一种非接触式串番茄自动采摘机械手，用于串番茄的自动采摘，其特征在于，包括机械臂(2)、支架(3)、执行器(4)和深度相机(5)；
所述支架(3)固接在机械臂(2)的末端；所述深度相机(5)和执行器(4)分别固接在支架(3)的上部和下部；所述机械臂(2)的附近设有收集筐(1)；
所述执行器(4)包括外壳(410)、气缸(409)和七连杆仿人手机构；所述七连杆仿人手机构包括左剪切刀(401)、右剪切刀(402)、左拨杆(403)、右拨杆(404)、左连杆(405)、右连杆(406)和接头(407)；
所述外壳(410)通过螺栓固接在支架(3)上；外壳(410)的前端设有拨杆连接部(410-1)；外壳(410)的后部设有气缸安装槽(410-2)，所述气缸(409)固接在所述气缸安装槽(410-2)内，气缸(409)的活塞杆(408)在外壳(410)的前部空间内自由伸缩；所述外壳(410)的前部左右两侧设有分别用于左连杆(405)和右连杆(406)前后移动的长槽(410-3)；
所述接头(407)通过螺纹和锁紧螺母与气缸(409)的活塞杆(408)的端部固接；所述左连杆(405)和右连杆(406)的后端分别与接头(407)的左右两侧铰接；左连杆(405)和右连杆(406)分别从外壳(410)的前部左右两侧的长槽(410-3)穿出，并能够随活塞杆(408)的伸缩在长槽(410-3)中前后滑动；所述左连杆(405)的前端与左拨杆(403)的后端铰接，右连杆(406)的前端与右拨杆(404)的后端铰接；所述左拨杆(403)的前端与左剪切刀(401)的后端铰接，所述右拨杆(404)的前端与右剪切刀(402)的后端铰接；所述左剪切刀(401)的前端与右剪切刀(402)的前端相互铰接；所述左拨杆(403)和右拨杆(404)的中部分别与拨杆连接部(410-1)的左右两侧铰接；
当气缸(409)的活塞杆(408)处于收缩状态时，拨杆连接部(410-1)、左拨杆(403)和右拨杆(404)的前部以及左剪切刀(401)和右剪切刀(402)共同构成一允许果串(6)通过的采摘环；
当气缸(409)的活塞杆(408)处于伸展状态时，左剪切刀(401)与右剪切刀(402)相互合拢，将果串(6)的果梗(7)切断并夹持；
所述深度相机(5)获取串番茄的位置数据，控制器根据串番茄的位置数据识别出串番茄的姿态，确定切割位置并拟合出执行器(4)的运动轨迹；操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串(6)通过的采摘环，控制执行器(4)按照运动轨迹移动，到达果实串上方的果梗(7)上的切割位置；操作七连杆仿人手机构闭合将果串(6)的果梗(7)切断并夹持；操作机械臂(2)将执行器(4)移动到放置收集筐(1)上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串(6)放置在收集筐(1)中。
2.根据权利要求1所述的非接触式串番茄自动采摘机械手，其特征在于，所述左剪切刀(401)包括上下并列设置的剪切刀片(401-1)和左夹持部(401-2)；所述右剪切刀(402)包括与剪切刀片(401-1)相对应的刀槽(402-1)和与左夹持部(401-2)相对应的右夹持部(402-2)；
所述剪切刀片(401-1)的后部与左夹持部(401-2)的后部通过一个销轴(401-4)铰接；所述剪切刀片(401-1)上沿其过销轴(401-4)的轴线设有至少一个垂直于刀片平面的固定栓(401-1-1)；所述左夹持部(401-2)上设有与固定栓(401-1-1)一一对应的活动槽(401-2-1)，所述活动槽(401-2-1)为以销轴(401-4)为圆心的圆弧形；所述复位弹簧(401-3)和剪切刀片(401-1)的固定栓(401-1-1)位于左夹持部(401-2)的活动槽(401-2-1)内；且复位弹簧(401-3)位于活动槽(401-2-1)的靠近夹持工作面的一端与固定栓(401-1-1)之间，使得左夹持部(401-2)相对于剪切刀片(401-1)能够以销轴(401-4)为圆心作小幅转动，并能在复位弹簧(401-3)的作用下复位，进而使得左剪切刀(401)和右剪切刀(402)在相互合拢剪切果梗(7)时，剪切刀片(401-1)能够完全进入刀槽(402-1)，避免不完整剪切。
3.根据权利要求2所述的非接触式串番茄自动采摘机械手，其特征在于，所述左夹持部(401-2)和右夹持部(402-2)为相互咬合的齿状结构。
4.根据权利要求2所述的非接触式串番茄自动采摘机械手，其特征在于，所述左夹持部(401-2)和右夹持部(402-2)的材质采用不锈钢材料。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的非接触式串番茄自动采摘机械手的非接触式串番茄自动采摘方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、串番茄姿态识别；
根据深度相机(5)获取果串(6)的位置数据识别出串番茄姿态；
S2、根据串番茄姿态确定切割位置并拟合出执行器4的运动轨迹；
根据串番茄姿态定位出果串(6)的各个运动节点a、b、c、d和e，根据运动节点a、b、c、d、e拟合执行器(4)的运动轨迹；
运动节点a为识别到的果串(6)中高度最低的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点b为识别到的果串(6)中高度最高的两个番茄果实的质心的连线中点；运动节点c位于运动节点a的下方位置，是执行器(4)进行采摘作业时套入果串(6)的起始目标点；运动节点d位于运动节点b的上方位置，为执行器(4)进行采摘作业时套入果串(6)的终止目标点；运动节点e是运动节点d所在水平面与果串(6)果实拟合的空间线相交的点，是执行器(4)进行剪切果串(6)上果梗(7)的刀片切割点；
S3、串番茄采收；
操作七连杆仿人手机构，使其形成允许果串(6)通过的采摘环，并移动至果串(6)下方的起始目标点；控制执行器(4)按照运动轨迹移动，到达果串(6)的上方位置；控制执行器(4)移动至刀片切割点：向后移动一定距离并且转动一定角度，使得果梗(7)垂直地位于左剪切刀(401)和右剪切刀(402)的剪切平面内；操作左剪切刀(401)与右剪切刀(402)相互合拢将果串(6)的果梗(7)切断并夹持；操作机械臂(2)将执行器(4)移动到放置收集筐(1)上方，操作七连杆仿人手机构展开将果串(6)放置在收集筐(1)中。
6.根据权利要求1所述的非接触式串番茄自动采摘方法，其特征在于，所述步骤S1采用基于YOLOv4深度学习的姿态检测方法，判断番茄果串与果梗关节点的对应位置关系，通过识别番茄果串和果梗关节点的连通关系，实现果串(6)识别定位。
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