CN116097981A - 一种智能采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能采摘机器人，包括移动底盘、果蔬采摘机械臂、视觉识别系统和控制系统；果蔬采摘机械臂设置在移动底盘上，果蔬采摘机械臂为四自由度立柱式机械臂，果蔬采摘机械臂上连接有末端执行机构，末端执行机构包括四组柔性指尖和第一驱动组件，第一驱动组件用于带动四组柔性指尖实现采摘功能；视觉识别系统设置在果蔬采摘机械臂上，视觉识别系统为视觉深度传感器；控制系统设置在移动底盘上。本发明采用的四自由度机械臂使得采摘工作更为方便简单，运动更为灵活，通过设置的视觉识别系统能够使得智能采摘机器人具有采摘成功率高的优势，通过设置四组柔性指尖能够减少对果蔬的破坏，从而降低了果蔬破坏率。

Description

一种智能采摘机器人

技术领域

本发明涉及果蔬采摘技术领域，具体是一种智能采摘机器人。

背景技术

农业釆摘机器人是影响现代乃至未来非常关键的装备之一，它引领着未来农业中智能装备的前进方向，也影响着未来农业和农民的增收和效益。采摘机器人进行釆摘作业的空间环境呈现非结构化，而且釆摘作业目标又都是果蔬等有生命特性的物体，同时作业环境信息是不可预知的，随着不同的气候、天气状况而改变，因此对采摘机器人的控制系统要求很高。采摘对象通常会被作物的树叶、树枝以及未成熟的果实等遮挡，这对机器人视觉定位的要求极高，同时也需要机械臂有非常好的避障能力。

目前我国的采摘机器人研究开始于20世纪90年代，虽然取得了很大的进展，但仍存在一些问题。由于果实外表差异大且分布随机，导致果实识别率低。例如甜瓜采摘机器人的识别成果率为80％，同时机器人采摘手灵活度不高，在采摘的过程中，由于枝干与叶子的遮挡导致难以进行定位，从而导致采摘效率不高，如采摘机器人1分钟内可以采摘5个草莓、6个柑橘，而且在采摘一些皮质地较软的果蔬时，容易造成破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能采摘机器人，解决现有技术中采摘时，存在果实识别率低，采摘过程中采摘手灵活度不高且容易对皮质地较软的果蔬造成损坏的问题。

本发明的技术方案是：一种智能采摘机器人，包括移动底盘、果蔬采摘机械臂、视觉识别系统和控制系统；果蔬采摘机械臂，设置在移动底盘上，果蔬采摘机械臂为四自由度立柱式机械臂，果蔬采摘机械臂上连接有末端执行机构，所述末端执行机构包括四组柔性指尖和驱动组件，所述驱动组件用于带动四组柔性指尖实现采摘功能；视觉识别系统设置在所述果蔬采摘机械臂上，所述视觉识别系统为视觉深度传感器；控制系统设置在移动底盘上，所述果蔬采摘机械臂、末端执行机构和视觉识别系统分别与控制系统电连接。

优选的，所述驱动组件包括前端法兰盘、后端法兰盘、丝杠步进电机、固定板、连接器和四组金属钣金机械指，所述前端法兰盘与后端法兰盘之间通过多个立柱连接，所述丝杠步进电机设置在前端法兰盘与后端法兰盘之间，丝杠步进电机的丝杠输出端螺纹连接有连接器，连接器的四周外壁分别铰接有连接轴，四个连接轴的另一端铰接有连接钣金，四个连接钣金分别对应与设置在所述四组金属钣金机械指中部设置的的铰接轴铰接，四组金属钣金机械指的一端与固定板铰接，另一端与四组柔性指尖连接。

优选的，所述果蔬采摘机械臂包括全封闭式立柱滑台、第一轴钣金部件、第二轴钣金部件、第三轴钣金部件和双轴电机；全封闭式立柱滑台固定在所述移动底盘上，所述全封闭式立柱滑台上连接有第一步进电机和立柱滑台滑块，所述第一步进电机作为驱动源带动立柱滑台滑块升降改变采摘高度；第一轴钣金部件通过连接板与所述立柱滑台滑块固定连接，第二轴钣金部件与第一轴钣金部件之间以及第三轴钣金部件与第二轴钣金部件之间分别设有第二步进电机，其中一个第二步进电机固定在第一轴钣金部件的底部，且输出轴延伸至第一轴钣金部件的上方与第二轴钣金部件的一端固定，另外一个第二步进电机固定在第二轴钣金部件的另一端底部，且输出轴延伸至第二轴钣金部件上方与第三轴钣金部件的一端固定；双轴电机设置在所述第三轴钣金部件的另一端顶部，双轴电机的两侧输出轴分别连接有两个连接翼，两个连接翼的另一端与所述后端法兰盘连接。

优选的，所述视觉深度传感器为双目深度相机，双目深度相机设置在由左侧壳体和右侧壳体形成的对开式外壳结构内，对开式外壳结构与所述全封闭式立柱滑台的侧壁固定。

优选的，所述全封闭式立柱滑台上设有智能避障系统，所述智能避障系统包括雷达支架与单线激光雷达，雷达支架固定在所述全封闭式立柱滑台上，单线激光雷达固定在所述雷达支架上。

优选的，所述移动底盘包括底板、双侧轮毂电机、铝制连接件、联轴器和万向轮；所述联轴器连接双侧轮毂电机和转轴，所述铝制连接件安装在所述底板下端，所述万向轮可转动地连接在底板上，底板为铝制结构且对应位置开孔并进行攻丝，所述全封闭式立柱滑台固定在底板上。

优选的，所述底板上设有导航定位系统，所述导航定位系统包括GNSS接收机、惯性测量单元、天线支架和四频接收天线；四频接收天线安放在天线支架。

优选的，所述底板上设有果蔬收集组件，果蔬收集组件为收集箱，收集箱的底部固定有支架，支架与所述底板固定连接。

优选的，所述控制系统为主控嵌入式开发板，所述主控嵌入式开发板包括散热风扇、NVIDA系列嵌入式主板、主板外壳上盖和主板外壳底座，散热风扇设置在主板外壳上盖上，NVIDA系列嵌入式主板设置在主板外壳底座上，主板外壳上盖固定在所述主板外壳底座上，主板外壳底座固定在所述移动底盘上，NVIDA系列嵌入式主板上设有电机驱动模块、视觉识别处理模块、导航定位系统处理模块、智能避障系统处理模块，NVIDA系列嵌入式主板与外界蓄电池电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的四自由度机械臂使得采摘工作更为方便简单，运动更为灵活，通过设置的视觉识别系统能够使得智能采摘机器人具有采摘成功率高的优势，通过设置四组柔性指尖能够减少对果蔬的破坏，从而降低了果蔬破坏率。同时本发明结构小巧，占地面积小，可以较好地在温室大棚中进行采摘作业。

2、本发明中设置的智能传感器的加入赋予了机器人更多实用性极强的功能，使得智能采摘机器人实现智能避障、定位准确的优点。

附图说明

图1为本发明智能采摘机器人的立体结构示意图；

图2为本发明智能采摘机器人的果蔬采摘机械臂的结构示意图

图3为本发明智能采摘机器人的末端执行机构的结构示意图；

图4为本发明智能采摘机器人的第二步进电机处的结构爆炸示意图；

图5为本发明智能采摘机器人的移动底盘的结构示意图；

图6为本发明智能采摘机器人的定位导航系统的结构示意图；

图7为本发明智能采摘机器人的智能避障系统的结构示意图；

图8为本发明智能采摘机器人的视觉识别系统的结构示意图；

图9为本发明智能采摘机器人的果蔬收集组件的结构示意图；

图10为本发明智能采摘机器人的主控嵌入式开发板的爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合附图1到10，对本发明的具体实施方式进行详细描述。在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1到图10所示，本发明实施例提供一种智能采摘机器人，包括移动底盘1、果蔬采摘机械臂7、视觉识别系统8和控制系统；果蔬采摘机械臂7，设置在移动底盘1上，果蔬采摘机械臂7为四自由度立柱式机械臂，果蔬采摘机械臂7上连接有末端执行机构711，末端执行机构711包括四组柔性指尖7114和驱动组件，驱动组件用于带动四组柔性指尖7114实现采摘功能，柔性指尖7114具体为TPU柔性指尖；视觉识别系统8设置在果蔬采摘机械臂7上，视觉识别系统8为视觉深度传感器；控制系统设置在移动底盘1上，果蔬采摘机械臂7、末端执行机构711和视觉识别系统8分别与控制系统电连接。

本发明在采摘时，通过移动底盘1来带动装置整体进行行走，通过视觉识别系统8来识别果蔬位置，然后通过控制果蔬采摘机械臂7来带动末端执行机构711移动到果蔬位置处，并通过驱动组件带动四组柔性指尖7114实现采摘功能，整个过程由于四自由度机械臂的存在，使得采摘工作更为方便简单，运动更为灵活，通过设置的视觉识别系统能够使得智能采摘机器人具有采摘成功率高的优势，通过设置四组柔性指尖能够减少对果蔬的破坏，从而降低了果蔬破坏率。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，对驱动组件的具体结构进行限定，如图2和图3所示，驱动组件包括前端法兰盘7112、后端法兰盘7116、丝杠步进电机7111、固定板7117、连接器7115和四组金属钣金机械指7113，前端法兰盘7112与后端法兰盘7116之间通过多个立柱连接，丝杠步进电机7111设置在前端法兰盘7112与后端法兰盘7116之间，丝杠步进电机7111的丝杠输出端螺纹连接有连接器7115，连接器7115的四周外壁分别铰接有连接轴，四个连接轴的另一端铰接有连接钣金，四个连接钣金分别对应与设置在四组金属钣金机械指7113中部设置的的铰接轴铰接，四组金属钣金机械指7113的一端与固定板7117铰接，另一端与四组柔性指尖7114连接，

本实施例中，驱动组件通过丝杠步进电机7111驱动执行机构法兰7115做直线运动，带动由金属钣金机械指7113构成的平行四杆机构，进而驱动四组柔性指尖7114夹持果蔬产品。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，对果蔬采摘机械臂7的结构进行限定，如图1和图2所示，果蔬采摘机械臂7包括全封闭式立柱滑台71、第一轴钣金部件74、第二轴钣金部件77、第三轴钣金部件79和双轴电机710；全封闭式立柱滑台71固定在移动底盘1上，全封闭式立柱滑台71上连接有第一步进电机72和立柱滑台滑块73，第一步进电机72作为驱动源带动立柱滑台滑块73升降改变采摘高度；第一轴钣金部件74通过连接板75与立柱滑台滑块73固定连接，第二轴钣金部件77与第一轴钣金部件74之间以及第三轴钣金部件79与第二轴钣金部件77之间分别设有第二步进电机76，其中一个第二步进电机76固定在第一轴钣金部件74的底部，且输出轴延伸至第一轴钣金部件74的上方与第二轴钣金部件77的一端固定，另外一个第二步进电机76固定在第二轴钣金部件77的另一端底部，且输出轴延伸至第二轴钣金部件77上方与第三轴钣金部件79的一端固定；双轴电机710设置在第三轴钣金部件79的另一端顶部，双轴电机710的两侧输出轴分别连接有两个连接翼，两个连接翼的另一端与后端法兰盘7116连接。

本实施例中，设置的全封闭式立柱滑台71能够通过利用第一步进电机72作为驱动源带动立柱滑台滑块73升降改变采摘高度，设置的两个第二步进电机76能够调节第二轴钣金部件77和第三轴钣金部件79的水平旋转角度，设置的双轴电机710能够调节四组柔性指尖7114的竖直旋转角度，从而实现灵活采摘。

其中，如图4所示，为了使第二步进电机76带动调节第二轴钣金部件77和第三轴钣金部件79的水平旋转角度更加稳定，因此在第二步进电机本体761上设有行星减速器762、外铝制法兰盘765、滚针轴承766、行星减速器输出轴法兰768和内铝制法兰盘769；所述滚针轴承766外圈与外铝制法兰盘765内圈过盈配合，内圈与内铝制法兰盘769内圈过盈配合；所述第二步进电机761与行星减速器762通过螺栓763连接；所述外铝制法兰盘765与行星减速器762通过螺栓764连接；所述行星减速器输出轴法兰768与内铝制法兰盘769过螺栓768连接

进一步的，如图1和图8所示，视觉深度传感器为双目深度相机82，双目深度相机82设置在由左侧壳体83和右侧壳体81形成的对开式外壳结构内，对开式外壳结构与全封闭式立柱滑台71的侧壁固定，其中双目深度相机82采用结构光测量法，精度可达0.1mm级，测量范围为0～10m，具备1080x720的分辨率；所述视觉深度传感器双目深度相机2在yolo5的控制下完成对目标果蔬的识别与三维坐标获取，进而在控制系统的控制下使果蔬采摘机械臂7末端的四组柔性指尖7114移动到给定位置完成采摘工作。

进一步的，如图1和图7所示，为了能够在行驶过程中进行避障，因此在全封闭式立柱滑台71上设有智能避障系统6，智能避障系统6包括雷达支架61与单线激光雷达62，雷达支架61固定在全封闭式立柱滑台71上，单线激光雷达62固定在雷达支架61上，智能避障系统6中单线激光雷达62用其高频扫描的特性感知机器人周围障碍物的动态变化，当有障碍物出现在机器人行驶路径前方一定距离后，控制系统会控制移动底盘1做出停止或者路径变更等操作以实现智能避障。

具体的，如图1和图5所示，移动底盘1包括底板11、双侧轮毂电机12、铝制连接件14、联轴器13和万向轮15；联轴器13连接双侧轮毂电机12和转轴，铝制连接件14安装在底板11下端，万向轮15可转动地连接在底板11上，底板11为铝制结构且对应位置开孔并进行攻丝，全封闭式立柱滑台71固定在底板11上。

进一步的，如图1和图6所示，底板11上设有导航定位系统3，导航定位系统3包括GNSS接收机31、惯性测量单元32、天线支架33和四频接收天线34；四频接收天线34安放在天线支架33，导航定位系统3分布在移动底盘1前后，在进行导航定位作业时，需要首先进行坐标转换，旨在将从传感器获得的绝对坐标转为机器人本体坐标，从而移动的更准确。

进一步的，为了方便将采摘下来的果蔬进行收集，如图1和图9所示，底板11上设有果蔬收集组件9，果蔬收集组件9为塑料材质的收集箱91，收集箱91的底部固定有支架92，支架92与底板11固定连接，支架92为金属结构，其中支架92与移动平台底板11呈15°夹角且关于底板中轴线对称布置，支架92的两侧上端距离略小于塑料集装箱91，通过上述设置能够保证在机器人正常工作时，塑料集装箱91不会因路面振动等原因发生位移甚至脱落。

更进一步的，如图1和图10所示，控制系统为主控嵌入式开发板4，主控嵌入式开发板4包括散热风扇41、NVIDA系列嵌入式主板43、主板外壳上盖42和主板外壳底座44，散热风扇41设置在主板外壳上盖42上，NVIDA系列嵌入式主板43设置在主板外壳底座44上，主板外壳上盖42固定在主板外壳底座44上，主板外壳底座44固定在移动底盘1上，NVIDA系列嵌入式主板43上设有电机驱动模块5、视觉识别处理模块、导航定位系统处理模块、智能避障系统处理模块，NVIDA系列嵌入式主板43与外界蓄电池2电连接，具有体积小，集成度高，运算速度高等特性，完美适配小型农用机器人多数据输入输出需求。

本发明的工作原理如下：

在对温室大棚具体参数如种植行长度、种植行宽度、种植行数等得以明确的前提下，智能采摘机器人利用定位导航系统首先对机器人本体所在的绝对位置与大棚内的相对位置进行对应，进而明确机器人在大棚内的位置。人为的对机器人采摘路径进行设定，采摘机器人移动底盘便可按照如蛇形、环形等路径进行运动。在移动底盘沿着固定轨迹运行时候，位于采摘机器人最顶端的智能避障系统核心部件单线激光雷达一直处于高频扫描中，防止既定路径中出现如行人、其他机器人等动态障碍物影响机器人正常工作。当路径上安全距离内出现动态障碍物时，机器人会选择停止等待障碍清除、选择新路径躲避来进行处理。

在机器人正常行驶过程中，视觉识别系统核心部件双目深度相机功能实时对行驶过程中途径作物进行识别，当识别到代采摘果蔬后，双目深度相机深度探测功能开启，获取目标果蔬相对相机的三维坐标系，并进一步转换到采摘机械臂末端执行机构坐标系下。当识别到代采摘作物后，机器人便会停止运行，等待采摘工作结束。在主控嵌入式开发板的控制下，采摘机械臂末端执行机构会逐渐靠近果蔬，并调整机械臂第四轴角度，以损伤率最低的方式对果蔬进行扭转，拉扭等方式使其茎秆弯折断裂。采摘成功后机械臂按照既定插值运行方式将作物放置于果蔬收集组件中后，回到本次采摘初始位置，等待下一次采摘作业。此时采摘机器人恢复运动权限，继续沿原先路径运行，直至双目深度相机发现下一个代采摘目标，循环本次采摘过程。

在采摘过程中，双目深度相机实时对果蔬进行相对定位，若因采摘方式和末端夹爪力度问题导致未成功采摘，采摘机械臂便会在主控嵌入式开发板的重新规划下进行新一轮的采摘作业直至相机视界内被定位的果蔬成功采摘。

每当成功采摘后，主控嵌入式开发板内负责对当前果蔬收集组件内的果蔬数量进行计数的单元便顺次加一，当超过设定阈值后，机器人按照最短路径返航。待果蔬收集组件被清空后，机器人会被人为重置，重复上述所有工作。当机器人电压不足时便会在主控嵌入式开发板的控制下强制返航等待充电，待电压满足要求后继续工作。

以上公开的仅为本发明的较佳地几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能采摘机器人，其特征在于，包括：

移动底盘(1)；

果蔬采摘机械臂(7)，设置在移动底盘(1)上，果蔬采摘机械臂(7)为四自由度立柱式机械臂，果蔬采摘机械臂(7)上连接有末端执行机构(711)，所述末端执行机构(711)包括四组柔性指尖(7114)和第一驱动组件，所述第一驱动组件用于带动四组柔性指尖(7114)实现采摘功能；

视觉识别系统(8)，设置在所述果蔬采摘机械臂(7)上，所述视觉识别系统(8)为视觉深度传感器；

控制系统，设置在移动底盘(1)上，所述果蔬采摘机械臂(7)、末端执行机构(711)和视觉识别系统(8)分别与控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述驱动组件包括前端法兰盘(7112)、后端法兰盘(7116)、丝杠步进电机(7111)、固定板(7117)、连接器(7115)和四组金属钣金机械指(7113)，所述前端法兰盘(7112)与后端法兰盘(7116)之间通过多个立柱连接，所述丝杠步进电机(7111)设置在前端法兰盘(7112)与后端法兰盘(7116)之间，丝杠步进电机(7111)的丝杠输出端螺纹连接有连接器(7115)，连接器(7115)的四周外壁分别铰接有连接轴，四个连接轴的另一端铰接有连接钣金，四个连接钣金分别对应与设置在所述四组金属钣金机械指(7113)中部设置的的铰接轴铰接，四组金属钣金机械指(7113)的一端与固定板(7117)铰接，另一端与四组柔性指尖(7114)连接。

3.根据权利要求2所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述果蔬采摘机械臂(7)包括全封闭式立柱滑台(71)、第一轴钣金部件(74)、第二轴钣金部件(77)、第三轴钣金部件(79)和双轴电机(710)；全封闭式立柱滑台(71)固定在所述移动底盘(1)上，所述全封闭式立柱滑台(71)上连接有第一步进电机(72)和立柱滑台滑块(73)，所述第一步进电机(72)作为驱动源带动立柱滑台滑块(73)升降改变采摘高度；第一轴钣金部件(74)通过连接板(75)与所述立柱滑台滑块(73)固定连接，第二轴钣金部件(77)与第一轴钣金部件(74)之间以及第三轴钣金部件(79)与第二轴钣金部件(77)之间分别设有第二步进电机(76)，其中一个第二步进电机(76)固定在第一轴钣金部件(74)的底部，且输出轴延伸至第一轴钣金部件(74)的上方与第二轴钣金部件(77)的一端固定，另外一个第二步进电机(76)固定在第二轴钣金部件(77)的另一端底部，且输出轴延伸至第二轴钣金部件(77)上方与第三轴钣金部件(79)的一端固定；双轴电机(710)设置在所述第三轴钣金部件(79)的另一端顶部，双轴电机(710)的两侧输出轴分别连接有两个连接翼，两个连接翼的另一端与所述后端法兰盘(7116)连接。

4.根据权利要求3所述的一种智能采摘机器人，所述视觉深度传感器为双目深度相机(82)，双目深度相机(82)设置在由左侧壳体(83)和右侧壳体(81)形成的对开式外壳结构内，对开式外壳结构与所述全封闭式立柱滑台(71)的侧壁固定。

5.根据权利要求3所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述全封闭式立柱滑台(71)上设有智能避障系统(6)，所述智能避障系统(6)包括雷达支架(61)与单线激光雷达(62)，雷达支架(61)固定在所述全封闭式立柱滑台(71)上，单线激光雷达(62)固定在所述雷达支架(61)上。

6.根据权利要求3所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述移动底盘(1)包括底板(11)、双侧轮毂电机(12)、铝制连接件(14)、联轴器(13)和万向轮(15)；所述联轴器(13)连接双侧轮毂电机(12)和转轴，所述铝制连接件(14)安装在所述底板(11)下端，所述万向轮(15)可转动地连接在底板(11)上，底板(11)为铝制结构且对应位置开孔并进行攻丝，所述全封闭式立柱滑台(71)固定在底板(11)上。

7.根据权利要求6所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述底板(11)上设有导航定位系统(3)，所述导航定位系统(3)包括GNSS接收机(31)、惯性测量单元(32)、天线支架(33)和四频接收天线(34)；四频接收天线(34)安放在天线支架(33)。

8.根据权利要求6所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述底板(11)上设有果蔬收集组件(9)，果蔬收集组件(9)为收集箱(91)，收集箱(91)的底部固定有支架(92)，支架(92)与所述底板(11)固定连接。

9.根据权利要求1-9任一项所述的一种智能采摘机器人，其特征在于，所述控制系统为主控嵌入式开发板(4)，所述主控嵌入式开发板(4)包括散热风扇(41)、NVIDA系列嵌入式主板(43)、主板外壳上盖(42)和主板外壳底座(44)，散热风扇(41)设置在主板外壳上盖(42)上，NVIDA系列嵌入式主板(43)设置在主板外壳底座(44)上，主板外壳上盖(42)固定在所述主板外壳底座(44)上，主板外壳底座(44)固定在所述移动底盘(1)上，NVIDA系列嵌入式主板(43)上设有电机驱动模块(5)、视觉识别处理模块、导航定位系统处理模块、智能避障系统处理模块，NVIDA系列嵌入式主板(43)与外界蓄电池(2)电连接。

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