CN115443906A - 一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人属于果树授粉装置技术领域；以视觉感知系统(7)所采集的图像作为导航路线及花朵定位依据，控制箱（3）对履带式底盘(9)进行运动控制，以及通过控制授粉机械臂(2)实现双流式末端执行器(1)和待授粉花朵的精准对靶，并结合电动花粉液药箱（4）和气泵（5）实现向待授粉花朵的喷雾授粉操作，具有结构新颖、有效提高植株喷洒效率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及果树授粉装置技术领域，具体涉及一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人。
背景技术
猕猴桃作为雌雄异株植物，需要配套种植雄株。但是由于自然授粉还存在雌雄花期相遇不良、风媒授粉效果不理想、授粉昆虫数量不足等问题，导致授粉充分性和稳定性不足，出现果实产量低、品质差的情况。辅助授粉成为设施果园提高产量和品质的必要途径。
但目前果树辅助授粉主要为点授式等人工方式，虽研发有手持式辅助授粉器，但授粉作业仍费工费时，同时作业随意性强，授粉充分性和一致性因人而异，影响果树产出的稳定性和商品性。专用授粉机械缺乏，少量已报道的授粉机，未搭载智能化的精准控制系统，其自动化、智能化、精准化水平低，存在授粉质量不高、花粉用量大、增加后期疏果量和浪费植物养分等问题。因此有必要研发一种猕猴桃精准授粉装置，以期实现差异化花朵靶向精准授粉。
发明内容
针对现有技术中存在的不足和缺陷研发一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人。
本发明为解决其技术问题，采用的技术方案如下:
一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人，其包括授粉机械臂、双流式末端执行器、视觉感知系统、履带式底盘、承载支架、控制箱、电动花粉液药箱、气泵、逆变器；
授粉机械臂包含底座、主构架、伺服电机、大臂、小臂、传动板、大臂水平保持连杆、小臂传动杆、三角保持架、小臂水平保持连杆、腕部。其中底座与履带式底盘通过承载支架相固接，主构架与底座通过球铰相铰接，伺服电机与主构架相固接，传动板与大臂水平保持连杆通过球铰相铰接，三角保持架与大臂相固接，三角保持架与小臂传动杆和小臂水平保持连杆分别通过球铰相铰接，腕部与小臂相固接。
双流式末端执行器包含双流式喷头、喷头支架、花粉液回收装置、气路电磁阀、液路电磁阀、继电器、导管。其中双流式喷头与喷头支架相固接，喷头支架与授粉机械臂腕部相固接，花粉液回收装置与喷头相固接，气路电磁阀与控制箱电信连接，液路电磁阀与控制箱电信连接。逆变器、气泵、电动花粉液药箱、控制箱均与承载支架相固接。导管的管身沿授粉机械臂的小臂进行布设。
视觉感知系统包含RGB-D相机A、RGB-D相机B和相机支架。其中，相机支架由ABS材料制成。相机支架与承载支架相固接，RGB-D相机A与承载支架相固接。RGB-D相机A实时采集猕猴桃授粉区域道路图像，检测并定位道路两侧猕猴桃树干位置信息，根据视野中左右树干的距离变化调整履带式底盘转向，当距离相等时走直线。保持猕猴桃授粉机器人在道路中间行驶。RGB-D相机B与相机支架相固接，对待授粉区域的冠层采集图像并进行花朵检测，计算并输出优授花的三维坐标，为授粉机械臂路径规划提供位置信息。
履带式底盘包含电机、驱动轮、诱导轮、承重轮、从动轮、挡板、履带、电池、控制板、教练器、信号接收器、悬架总成。动力来源由电池提供稳定电源，无刷电机由双路无刷电机驱动器驱动，实现直行、转向功能。
本发明作业时，RGB-D相机A实时采集猕猴桃授粉区域道路图像，检测并定位道路两侧猕猴桃树干位置信息，根据视野中左右树干的距离变化调整履带式底盘转向，当距离相等时走直线。保持猕猴桃授粉机器人在道路中间行驶。当猕猴桃授粉机器人行驶至待授粉区域，RGB-D相机B对待授粉区域的冠层采集图像并进行花朵检测，计算并输出优授花的三维坐标，为授粉机械臂路径规划提供位置信息。授粉机械臂运动，带动腕部的双流式末端执行器对准优授花，气路电磁阀和液路电磁阀同时开启，电动花粉液药箱里的花粉液和气泵压缩的空气通过导管流入双流式喷头，雾化的花粉液附着在雌蕊上，实现靶向授粉。
本发明所述一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明所设计一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人，以RGB-D相机A实时采集猕猴桃授粉区域道路图像作为依据，由控制模块针对驱动装置载体进行行进控制，以及通过RGB-D相机B对待授粉区域的冠层采集图像并进行花朵检测确定优授花的三维坐标，再通过授粉机械臂实现双流式末端执行器对待授粉花朵的精准对靶，并通过所设计气泵、电动花粉液药箱结合双流式喷头，实现向待授粉花朵的喷雾操作，有效提高授粉对靶精度和效率；
(2)本发明所设计一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人中，针对双流式末端执行器，具体设计双流式喷头、 导管、气路电磁阀和液路电磁阀和花粉液回收装置的组合结构，通过再配合电动花粉液药箱的导管和气泵的导管，实现喷雾操作，实现了自动喷雾授粉操作，提高效率，同时与人工授粉、普通喷雾器授粉，能节省花粉；
(3)本发明所设计一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人中，RGB-D相机A实时采集猕猴桃授粉区域道路图像，检测并定位道路两侧猕猴桃树干位置信息，根据视野中左右树干的距离变化调整履带式底盘转向，不仅如此，履带式底盘安装了教练器模块，增强所述基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人的人工可干预性能。
附图说明
图1是本发明所设计一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人器人整体结构示意图。
图2是本发明设计中授粉机械臂的结构图。
图3是本发明设计中双流式末端执行器结构图。
图4是本发明设计中视觉感知系统示意图。
图5是本发明设计中履带式底盘的结构示意图。
图中件号说明：
1、双流式末端执行器；2、授粉机械臂；3、控制箱；4、电动花粉液药箱；5、气泵；6、逆变器；7、视觉感知系统；8、承载支架；9、履带式底盘。
101、底座；102、主构架；103、伺服电机A；104、伺服电机B; 105、大臂；106、小臂；107、小臂水平保持连杆；108、腕部；109、三角保持架；110、小臂传动杆；111、大臂水平保持连杆；112、传动板A; 113、传动板B。
201、花粉液回收装置；202、双流式喷头；203、喷头支架；204、液路电磁阀；205、气路电磁阀；206、导管。
301、RGB-D相机A；302、相机支架；303、RGB-D相机B。
401、挡板；402、诱导轮；403、承重轮； 404、履带；405、驱动轮；406、从动轮；407、电池、408、控制板；409、教练器模块；410、信号接收器；411、悬架总成；412、双路无刷电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。
本发明设计了一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人，用于针对待授粉猕猴桃植株，实现自动化识别定位、精准对靶、自主导航操作；实际应用当中，如图1所示，包括双流式末端执行器1、授粉机械臂2、控制箱3、电动花粉液药箱4、气泵5、逆变器6、视觉感知系统7、承载支架8、履带式底盘9。
其中，履带式底盘6中的控制板408与控制箱3相连接，视觉感知系统7与控制箱3相连接；RGB-D相机A与承载支架8相固连，实时采集前方道路图像并上传到控制箱3识别定位两侧树干距离，当距离不等时控制箱3发出信号到控制板408，控制板408控制双路无刷电机412转速实现驱动轮405的差速转向。保持履带式底盘6在道路中间行驶。教练器模块409和信号接收器410实现视觉导航和遥控行进的切换。
视觉感知系统7中RGB-D相机B与相机支架302相互固连，相机支架302安装在承载支架8上，RGB-D相机B与控制箱电信连接；当履带式底盘行进至待授粉植株下，RGB-D相机B采集猕猴桃冠层图像并上传到控制箱3进行识别定位优先授粉花朵。
如图2所示授粉机械臂2中伺服电机A固定在主构架102上，输出轴连接传动板B113，伺服电机A103转动带动传动板B113和大臂水平保持连杆111实现大臂105的转动；同理伺服电机B104通过传动板A112带动小臂传动杆110,通过三角保持架109和小臂水平保持连杆107实现小臂106转动；大臂105和小臂106的联动实现授粉机械臂的腕部108移动至待授粉区域。
双流式末端执行器固连在授粉机械臂的腕部108如图3所示，双流式喷头202两侧的通孔均通过相同管径的导管206分别与液路电磁阀204和气路电磁阀205出口相连，液路电磁阀204的进液口与电动花粉液药箱4通过导管206相连接，气路电磁阀205的进气口通过导管206与气泵5相连；液路电磁阀204和气路电磁阀205均与控制箱3进行电信连接，当腕部108移动至待授粉花朵下，控制箱3发出控制信号，液路电磁阀204和气路电磁阀205由常闭变为常开，雾状花粉液由双流式喷头202喷到授粉花朵雌蕊上，部分滴落的花粉液落入花粉液回收装置201，机械臂移动至下一待授粉花朵下；当前区域授粉结束后控制箱3发出信号，控制履带式底盘9继续行进。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (1)
1.一种基于视觉感知与双流式喷雾的猕猴桃精准授粉机器人，包括双流式末端执行器（1）、授粉机械臂（2）、控制箱（3）、电动花粉液药箱（4）、气泵（5）、逆变器（6）、视觉感知系统（7）、承载支架（8）、履带式底盘（9）九个部分，用于针对待授粉猕猴桃植株，实现花朵自动化识别定位、精准对靶授粉、自主导航行进，其特征在于：双流式末端执行器（1）与授粉机械臂（2）的腕部（108）相固接，授粉机械臂（2）、控制箱（3）、电动花粉液药箱（4）、气泵（5）、逆变器（6）、视觉感知系统（7）均与承载支架（8）相固接，承载支架（8）与履带式底盘（9）相固接；
其中，双流式末端执行器（1），具体设计为双流式喷头（202）、液路电磁阀（204）、气路电磁阀（205）、导管（206）和花粉液回收装置（201）的组合结构；其中双流式喷头（202）与喷头支架（203）相固接，喷头支架（203）与授粉机械臂（2）的腕部（108）相固接，花粉液回收装置（201）与双流式喷头（202）相固接，液路电磁阀（204）、气路电磁阀（205）分别与控制箱（3）电信连接，控制箱（3）、电动花粉液药箱（4）、气泵（5）、逆变器（6）均与承载支架（8）相固接，导管（206）的管身沿授粉机械臂（2）的小臂（106）进行布设；
授粉机械臂（2）包含底座（101）、主构架（102）、伺服电机（103）、大臂（105）、小臂（106）、小臂水平保持连杆（107）、腕部（108）、三角保持架（109）、小臂传动杆（110）、大臂水平保持连杆（111）、传动板A（112）、传动板B（113）；其中底座（101）与履带式底盘（9）通过承载支架（8）相固接，主构架（102）与底座（101）通过球铰相铰接，伺服电机A（103）和伺服电机B（104）与主构架（102）相固接，传动板B（113）与大臂水平保持连杆（111）通过球铰相铰接，三角保持架（109）与大臂（105）相固接，三角保持架（109）与小臂传动杆（110）和小臂水平保持连杆（111）分别通过球铰相铰接，腕部（108）与小臂（106）相固接;
控制箱（3）分别与授粉机械臂（2）、视觉感知系统（7）、履带式底盘（9）、液路电磁阀（204）、气路电磁阀（205）相电信连接，视觉感知系统（7）固接在承载支架（8）上用于采集图像信息并上传至控制箱（3）；
视觉感知系统（7）包括RGB-D相机A（301）、相机支架（302）和RGB-D相机B（303）；其中RGB-D相机A（301）和RGB-D相机B（303）分别与相机支架（302）相固接，与控制箱（3）电信连接，相机支架（302）与承载支架（8）相固接；经RGB-D相机A（301）采集的图像信息，首先传输到控制箱（3）进行识别并定位后，获得待授粉花朵三维坐标，然后通过电动花粉液药箱（4）、气泵（5）、液路电磁阀（204）、气路电磁阀（205）和导管（206）联动控制，进行对靶授粉操作；
履带式底盘（9）的控制板（408）与控制箱（3）电信连接，控制箱（3）依据视觉感知系统（7）中的RGB-D相机A（301）采集的图像信息识别并定位道路信息后控制双路无刷电机（412）转速使驱动轮（415）差速实现履带式底盘（9）的转向，另外，信号接收器（410）前安装了教练器模块（409），实现视觉导航和人为遥控的切换。
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