CN116076243A

CN116076243A - 一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机

Info

Publication number: CN116076243A
Application number: CN202211689574.5A
Authority: CN
Inventors: 傅隆生; 刘国良; 房文泰; 武振超; 高常青; 贺磊磊; 李�瑞
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2022-12-28
Publication date: 2023-05-09

Abstract

一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机属于果实采摘装置技术领域；以视觉感知系统所采集的图像作为导航路线及果实定位依据，控制器对轮式底盘进行运动控制，以及通过控制采摘机械臂中的水平移动模块和竖直移动模块，运动到猕猴桃的坐标处，通过末端执行器中连杆组件的运动实现抓握器对猕猴桃的采摘，具有结构新颖、采收效率高的特点。

Description

一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机

技术领域

本发明涉及果实采摘装置技术领域，具体涉及一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机。

背景技术

猕猴桃也称奇异果，其果形一般为椭圆状，表皮覆盖绒毛，是一种营养价值丰富的水果。目前主要收获方式仍为人工采摘，人工采摘的方法成本高、劳动强度大，而现有采摘机采用多自由度关节型机械臂，机械臂的结构复杂、成本高。因此有必要研发一种猕猴桃采摘机，以实现猕猴桃的机械化采摘。

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CoreXY结构的猕猴桃采摘机。

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CoreXY结构的猕猴桃采摘机，包括末端执行器、采摘机械臂、波纹管、视觉感知系统、支撑底板、果实收集箱、轮式底盘。

末端执行器包括第四低压伺服电机、卷筒、滑槽、导管、两个相互平行的水平支撑板、抓握器、连杆组件；其中，第四低压伺服电机固接在水平支撑板上，卷筒与第四低压伺服电机转动连接并与连杆组件通过钢丝绳相连接，连杆组件固接在滑槽上，滑槽固接在水平支撑板上；连杆组件包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、钢丝绳、第一扭簧、第二扭簧；钢丝绳连接第一连杆、第三连杆、第五连杆；第四连杆固接在滑槽上；第一扭簧在第二连杆与第三连杆连接处，扭簧针穿过第三连杆，可在受力作用下带动第二连杆、第三连杆运动；第二扭簧在第一连杆与第二连杆连接处，扭簧针穿过第一连杆，可在受力作用下带动第一连杆、第二连杆运动；抓握器两部分分别与与第一连杆、第二连杆转动连接；当第四低压伺服电机启动拉紧钢丝绳时，第一连杆受拉力运动，驱动抓握器夹紧猕猴桃；第三连杆、第五连杆受拉力运动，向右运动，使得抓握器向左旋转，将猕猴桃从茎上摘下；进一步地，当钢丝绳松开，装置在第一扭簧、第二扭簧弹力作用下复位，随后抓握器松开猕猴桃，猕猴桃进入滑槽。

采摘机械臂包括沿X轴、Y轴移动的水平移动模块以及沿Z轴移动的竖直移动模块；水平移动模块包括机架、第一低压伺服电机、第二低压伺服电机以及X轴移动组件、Y轴移动组件；X轴移动组件包括两个相互平行的X轴水平直线导轨、在X轴水平直线导轨上滑动的两个X轴滑块、第一同步带、第二同步带、第一同步带轮、第二同步带轮及十个定滑轮；Y轴移动组件包括两个相互平行的Y轴水平直线导轨、在Y轴水平直线导轨上滑动的四个Y轴滑块、水平底板、水平运动板、水平同步带固定板；水平运动板固接在四个Y轴滑块上，Y轴水平直线导轨固接在水平底板上，水平底板固接在X轴滑块上，X轴水平直线导轨固接在机架上，水平同步带固定板固接在水平运动板上，第一同步带、第二同步带与水平同步带固定板啮合，带动水平同步带固定板和水平运动板运动。

第一同步带轮安装在第一低压伺服电机的输出轴上，第二同步带轮安装在第二低压伺服电机的输出轴上；十个定滑轮分为等数量的两组，每组中的两个安装在机架，三个安装水平底板上，定滑轮只能旋转，不能上下、左右移动；第一同步带依次同第一同步带轮及该组定滑轮配合，第二同步带依次同第二同步带轮及对应的一组定滑轮配合，构成Core XY结构；当第一低压伺服电机、第二低压伺服电机同向转动时，两条同步带拉动水平运动板沿Y轴方向运动；当第一低压伺服电机、第二低压伺服电机反向转动时，两条同步带拉动水平运动板沿X轴方向运动。

竖直移动模块包括竖向立板、两个相互平行的Z轴竖向直线导轨、在Z轴竖向直线导轨上滑动的两个Z轴滑块、两对轴承座及其配合轴承、两个Z轴同步带轮及配合的Z轴同步带、第三低压伺服电机、电机支撑件、竖直运动板、竖直同步带固定板、联轴器、轴；竖向立板与水平运动板成垂直固接，Z轴竖向直线导轨固接在竖向立板上，轴承座与竖向立板和轴承固接，轴承与轴转动相接，轴与Z轴同步带轮转动连接，轴通过联轴器与第三低压伺服电机连接，竖直运动板与Z轴滑块固接，竖直同步带固定板同竖直运动板固接，Z轴同步带同竖直同步带固定板啮合，可带动竖直同步带固定板运动，进而带动竖直运动板运动，竖直运动板垂直固接在水平支撑板上；当第三低压伺服电机启动时，带动轴转动，从而带动Z轴同步带轮和Z轴同步带转动，进一步带动竖直同步带固定板的运动，实现竖直运动板的上、下运动，进一步带动末端执行器上、下运动。

轮式底盘包含车轮、蓄电池组、控制器、下底板、四个第五低压伺服电机、支撑架、上底板；蓄电池组、第五低压伺服电机、控制器均固接在下底板上；支撑架连接上底板、下底板，起支撑作用；电池提供电源，控制器驱动四个第五低压伺服电机，实现直行、转向功能。

视觉感知系统包含RGB-D相机A、RGB-D相机B和相机支架；相机支架与支撑底板相固接，RGB-D相机A、RGB-D相机B与相机支架相固接；RGB-D相机A实时采集猕猴桃采摘区域道路图像，检测并定位道路两侧猕猴桃树干位置信息，上传至控制器，控制器根据视野中左右树干的距离变化调整轮式底盘转向，当轮式底盘同左右两侧树干距离相等时走直线，保持猕猴桃采摘机在道路中间行驶；RGB-D相机B与相机支架相固接，采集待采摘区域的猕猴桃图像并将RGB-D图像上传至控制器，控制器识别猕猴桃并输出猕猴桃的三维坐标，为采摘机械臂路径规划提供位置信息。

本发明作业时，RGB-D相机A实时采集猕猴桃采摘区域道路图像，检测并定位道路两侧猕猴桃树干位置信息，上传至控制器，控制器调整轮式底盘转向，当轮式底盘与两侧猕猴桃果树的距离不等时控制器发出信号给发给四个第五低压伺服电机，以实现转向的功能，保证轮式底盘在中间道路上行驶。当猕猴桃采摘机行驶至待采摘区域，RGB-D相机B采集图像并进行果实检测，计算并输出果实的三维坐标，为采摘机械臂路径规划提供位置信息；采摘机械臂根据位置信息，通过CoreXY结构运动到目的果实的X，Y坐标处，通过沿Z轴移动的竖直移动模块运动到目的果实的Z坐标处；水平支撑板上的第四低压伺服电机启动拉紧钢丝绳时，第一连杆受拉力运动，驱动抓握器夹紧猕猴桃；第三连杆、第五连杆受拉力运动，向右运动，使得抓握器向左旋转，将猕猴桃从茎上摘下；进一步地，当钢丝绳松开，装置在第一扭簧、第二扭簧弹力作用下复位，随后抓握器松开猕猴桃，猕猴桃进入滑槽；采摘后的果实通过导管进入波纹管，波纹管末端连接着果实收集箱，最终进入到果实收集箱里。

本发明所述一种基于视觉感知与CoreXY结构的采摘机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CoreXY结构的采摘机，以RGB-D相机A实时采集采摘区域道路图像作为依据，由控制模块针对驱动装置载体实施行进控制，以及通过RGB-D相机B对待采摘区域的图像进行收集并检测猕猴桃果实的位置，确定目标果实的三维坐标，通过采摘机械臂运动到目标果实的坐标处，并通过所设计的末端执行器实现采摘动作，可以有效提高采摘的精度和采摘效率；

(2)本发明所设计一种基于视觉感知与CoreXY结构的采摘机，针对采摘后的猕猴桃存放问题，设计如下：当末端执行器采摘猕猴桃果实后，猕猴桃经过导管由波纹管进入到果实收集箱里，存放采摘下的猕猴桃，收集箱后门设计为抽拉式，方便果实的取出。

附图说明

图1是本发明所设计一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机整体结构示意图。

图2是本发明设计中末端执行器的侧视结构示意图。

图3是本发明设计中末端执行器的正视结构示意图。

图4是本发明设计中采摘机械臂的水平移动模块结构示意图。

图5是本发明设计中采摘机械臂的竖直移动模块结构示意图。

图6是本发明设计中视觉感知系统的结构示意图。

图7是本发明设计中轮式底盘结构示意图。

图中件号说明：

1、末端执行器；2、采摘机械臂；3、波纹管；6、视觉感知系统；7、支撑底板；8、果实收集箱；9、轮式底盘。

40、机械臂水平移动模块；50、机械臂竖直移动模块。

101、第四低压伺服电机；102、卷筒；103、滑槽；104、导管；105、水平支撑板；106、抓握器；107、第一连杆；108、第二连杆；109、第三连杆；110、第四连杆；111、第五连杆；112、钢丝绳；113、第一扭簧；114、第二扭簧。

401、机架；402、第一低压伺服电机；403、第二低压伺服电机；404、X轴水平直线导轨；405、X轴滑块；406、第二同步带；407、第一同步带轮；408、定滑轮；409、Y轴水平直线导轨；410、Y轴滑块；411、水平同步带固定板；412、水平运动板；413、水平底板；414、第一同步带；415、第二同步带轮。

501、竖向立板；502、Z轴滑块；503、Z轴竖向直线导轨；504、第三低压伺服电机；505、电机支撑件；506、轴承座；507、轴承；508、轴；509、竖直运动板；510、Z轴同步带轮；511、Z轴同步带；512、竖直同步带固定板；513、联轴器。

601、RGB-D相机A；602、RGB-D相机B；603、相机支架。

901、车轮；902、蓄电池组；903、控制器；904、下底板；905、第五低压伺服电机；906、支撑架；907、上底板。

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，在发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明设计了一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机，用于猕猴桃植株的识别定位、采收及导航行进；实际应用时，结构如图1所示，包括末端执行器1、采摘机械臂2、波纹管3、视觉感知系统6、支撑底板7、果实收集箱8、轮式底盘9。

如图2、3所示，末端执行器1中的第四低压伺服电机101与卷筒102相连，卷筒102通过钢丝绳112与连杆组件相连；当第四低压伺服电机101启动拉紧钢丝绳112时，第一连杆107受拉力运动，驱动抓握器106夹紧猕猴桃；第三连杆109、第五连杆111受拉力运动，向右运动，使得抓握器106向左旋转，将猕猴桃从茎上摘下；进一步地，当钢丝绳112松开，装置在第一扭簧113、第二扭簧114弹力作用下复位，随后抓握器106松开猕猴桃，猕猴桃进入滑槽103。

如图4所示，第一同步带轮407安装在第一低压伺服电机402的输出轴上，第二同步带轮415安装在第二低压伺服电机403的输出轴上；所述十个定滑轮408分为等数量的两组，每组中的两个安装在机架401上，三个安装水平底板413上；第一同步带414依次同第一同步带轮407及该组定滑轮408配合，第二同步带406依次同第二同步带轮415及对应的一组定滑轮408配合，构成Core XY结构；当第一低压伺服电机402、第二低压伺服电机403同向转动时，第一同步带414和第二同步带406拉动水平运动板412沿Y轴方向运动；当第一低压伺服电机402、第二低压伺服电机403反向转动时，第一同步带414和第二同步带406拉动水平运动板412沿X轴方向运动。

如图5所示，第三低压伺服电机504通过联轴器513与轴508相连，轴508与Z轴同步带轮510转动连接，第三低压伺服电机504启动可以带动Z轴同步带轮510与Z轴同步带511转动，Z轴同步带511与竖直同步带固定板512啮合，竖直同步带固定板512与竖直运动板509固接，Z轴同步带511的转动可以带动竖直运动板509在Z轴上、下运动，进一步带动末端执行器1上、下运动。

如图6所示，视觉感知系统包含RGB-D相机A601、RGB-D相机B 602和相机支架603；相机支架603与支撑底板7相固接，RGB-D相机A601、RGB-D相机B 602与相机支架603相固接。

如图7所示，轮式底盘包含车轮901、蓄电池组902、控制器903、下底板904、四个第五低压伺服电机905、支撑架906、上底板907；蓄电池组902、第五低压伺服电机905、控制器903均固接在下底板上904；支撑架906连接上底板903、下底板904，起支撑作用；蓄电池组902为采摘机整体供电，控制器903驱动四个第五低压伺服电机905，实现直行、转向功能。

轮式底盘9中的控制器903与视觉感知系统6中的RGB-D相机A 601、RGB-D相机B602相连；RGB-D相机A 601实时采集前方道路图像并上传到控制器903识别定位两侧猕猴桃果树距离，当轮式底盘9同两侧猕猴桃果树距离不等时，控制器903发出信号给发给四个第五低压伺服电机905，以实现转向的功能，保证轮式底盘9在中间道路上行驶。当轮式底盘行进至待采摘植株下，RGB-D相机B 602采集猕猴桃图像并上传到控制器903，控制器903识别猕猴桃并输出猕猴桃的三维坐标，为机械臂采摘提供位置信息；采摘机械臂根据位置信息，通过机械臂水平移动模块40运动到目的果实的X、Y坐标处，通过沿Z轴移动的竖直移动模块50运动到目的果实的Z坐标处；水平支撑板105上的第四低压伺服电机101启动拉紧钢丝绳112时，第一连杆107受拉力运动，驱动抓握器106夹紧猕猴桃；第三连杆109、第五连杆111受拉力运动，向右运动，使得抓握器106向左旋转，将猕猴桃从茎上摘下；进一步地，当钢丝绳112松开，装置在第一扭簧113、第二扭簧114弹力作用下复位，随后抓握器106松开猕猴桃，猕猴桃进入滑槽103；采摘后的果实通过导管104进入波纹管3，波纹管3末端连接着果实收集箱8，最终进入到果实收集箱8里。

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

1.一种基于视觉感知与CoreXY结构的猕猴桃采摘机，包括末端执行器(1)、采摘机械臂(2)、波纹管(3)、视觉感知系统(6)、支撑底板(7)、果实收集箱(8)、轮式底盘(9)七个部分，用于猕猴桃的识别定位、采收及导航行进，其特征在于：末端执行器(1)与采摘机械臂(2)通过滑块连接板(509)固接，波纹管(3)、视觉感知系统(6)、采收箱(8)、轮式底盘(9)均与支撑底板(7)固接；

末端执行器(1)，具体设计为第四低压伺服电机(101)、卷筒(102)、滑槽(103)、导管(104)、两个相互平行的水平支撑板(105)、抓握器(106)、连杆组件；连杆组件包括第一连杆(107)、第二连杆(108)、第三连杆(109)、第四连杆(110)、第五连杆(111)、钢丝绳(112)、第一扭簧(113)、第二扭簧(114)；抓握器(106)两部分分别与第一连杆(107)、第二连杆(108)转动连接，第四低压伺服电机(101)固接在水平支撑板(105)上，卷筒(102)与第四低压伺服电机(101)转动连接并固接在水平支撑板(105)上，并通过钢丝绳(112)与连杆组件连接，连杆组件固接在滑槽(103)上，滑槽(103)固接在水平支撑板(105)上；

采摘机械臂(2)包括沿X轴、Y轴移动的水平移动模块(40)以及沿Z轴移动的竖直移动模块(50)；机械臂水平移动模块(40)包括机架(401)、第一低压伺服电机(402)、第二低压伺服电机(403)及X轴移动组件、Y轴移动组件；X轴移动组件包括两个相互平行的X轴水平导轨(404)、在X轴水平导轨(404)上滑动的两个X轴滑块(405)、第一同步带(414)、第二同步带(406)、第一同步带轮(407)、第二同步带轮(415)及十个定滑轮(408)；Y轴移动组件包括两个相互平行的Y轴水平导轨(409)、在Y轴水平导轨(409)上滑动的四个Y轴滑块(410)、水平同步带固定板(411)、水平运动板(412)、水平底板(413)；水平运动板(412)固接在四个Y轴滑块(410)上，Y轴水平导轨(409)固接在水平底板(413)上，水平底板(413)固接在X轴滑块(405)上，X轴水平导轨(404)固接在机架(401)上，水平同步带固定板(411)固接在水平运动板(412)上，第一同步带(414)、第二同步带(406)与水平同步带固定板(411)啮合；

机械臂竖直移动模块(50)包括竖向立板(501)、两个相互平行的Z轴竖向导轨(503)、在Z轴竖向导轨(503)上滑动的两个Z轴滑块(502)、两对轴承座(506)及其配合轴承(507)、轴(508)、联轴器(513)、两个Z轴同步带轮(510)、Z轴同步带(511)、第三低压伺服电机(504)、电机支撑件(505)、竖直运动板(509)、竖直同步带固定板(512)；竖向立板(501)与水平运动板(412)成垂直固接，Z轴竖向导轨(503)固接在竖向立板(501)上，轴承座(506)与竖向立板(501)和轴承(507)固接、轴(508)与轴承(507)转动连接、轴(508)和Z轴同步带轮(510)转动连接、轴(508)通过联轴器(513)与第三低压伺服电机(504)连接、竖直运动板(509)与Z轴滑块(502)固接，竖直同步带固定板(512)同竖直运动板(509)固接，Z轴同步带(511)同竖直同步带固定板(512)啮合；

轮式底盘(9)中的控制器(903)与末端执行器(1)、采摘机械臂(2)、视觉感知系统(6)、第五低压伺服电机(905)连接，发送机械臂运动信号及小车行进信号;

视觉感知系统(6)包含RGB-D相机A(601)、RGB-D相机B(602)和相机支架(603);相机支架(603)与支撑底板(7)固接，RGB-D相机A(601)、RGB-D相机B(602)与相机支架(603)相固接；

轮式底盘(9)包含车轮(901)、蓄电池组(902)、控制器(903)、下底板(904)、四个第五低压伺服电机(905)、支撑架(906)、上底板(907)；蓄电池组(902)、四个第五小车低压伺服电机(905)、控制器(903)均固接在下底板(904)上，支撑架(906)连接上底板(907)、下底板(904)起支撑作用，蓄电池组(902)提供电源，控制器(903)驱动四个第五低压伺服电机(905)，实现直行、转向功能。