CN116114472A - 蔬菜智能采摘装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蔬菜智能采摘装置和方法，采摘装置包括轨道、轨道小车、转臂、输送带、摄像头及协作机器人，所述轨道小车可移动地设置在轨道上，所述转臂可转动地固定在轨道小车上，所述输送带悬挂在转臂下方、用于向轨道小车前端放置的蔬菜收集筐输送蔬菜，所述摄像头可移动地固定在转臂上、用于获取地面或墙面蔬菜图像信息和坐标信息并将获取的信息传输给协作机器人，所述协作机器人可移动地固定在转臂上、用于接收摄像头传输的图像信息和坐标信息并根据图像信息和坐标信息移动到相应的蔬菜坐标处将蔬菜抓起扭下放置到输送带上。本发明的蔬菜采摘装置和方法，可快速采摘地面或墙面上的蔬菜，降低了工人的劳动强度，提高了采摘效率。

Description

蔬菜智能采摘装置和方法

技术领域

本发明属于农作物采摘技术领域，具体涉及一种蔬菜智能采摘装置和方法。

背景技术

规范化、大规模化和产业化是农产品生产发展的方向，我国是蔬菜种植大国，蔬菜种植涉及的品种很多，比如平菇、香菇、白菜等，其生长方向有水平面（地面）的，也有垂直面（墙面）的，以菇类产品为例，采摘时，从菇类冠部大小、颜色等来判断成熟度后采摘，菇类产品不是同时成熟的，一个菇包可以多次采摘，机械化采摘设备不能判断蔬菜的成熟度，所以这些蔬菜采摘基本上靠人工完成，导致采摘者的劳动强度大，效率低。目前，农业使用的采摘设备主要集中在瓜果类，针对地面或墙面种植的食用菌类、蔬菜类农作物，使用的是人工架设的多层专用采收设备，这种设备价格昂贵且不适合地面或墙面蔬菜采摘，因此，急需研发一种针对蔬菜的智能化采摘设备，以满足大量的蔬菜采摘需求。

发明内容

根据现有技术的需要，本发明提供一种蔬菜智能采摘装置和方法，可快速采摘地面或墙面上的蔬菜，降低了工人的劳动强度，提高了采摘效率，满足了大量的蔬菜采摘需求。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种蔬菜智能采摘装置，包括轨道、轨道小车、转臂、输送带、摄像头及协作机器人；所述轨道小车可移动地设置在轨道上；所述转臂可转动地固定在轨道小车上；所述输送带的一端悬挂在转臂下方，另一端通过连杆转动连接在小车车体上，用于向轨道小车前端放置的蔬菜收集筐输送蔬菜；所述摄像头可移动地固定在转臂上、用于获取地面或墙面蔬菜图像信息和坐标信息并将获取的信息经过处理后传输给协作机器人；所述协作机器人可移动地固定在转臂上、用于接收摄像头传输的图像和坐标信息并根据信息移动到相应的蔬菜坐标处抓起扭下蔬菜放置到输送带上；所述支撑架可水平转动地设置在转臂的端部，其与轨道小车形成固定门架结构。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述摄像头通过第一滑台固定在转臂上，该第一滑台安装在转臂的侧面。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述协作机器人通过第二滑台固定在转臂上，该第二滑台安装在转臂的底面。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述协作机器人包括基座、固定在基座上的机械臂及固定在机械臂下端的采摘手；所述采摘手包括采摘手座、气缸、花盘座及至少三片夹持片；气缸固定在采摘手座内，花盘座的轴心固定在气缸杆上，至少三片夹持片的一端沿周向转动连接在采摘手座上，夹持片中间与花盘座沿轴心伸出的可张合的卡爪滑动连接；当气缸杆做伸缩运动时，夹持片的自由端形成张合运动。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述转臂通过回转轴承固定在轨道小车上，该回转轴承将转臂分成长臂和短臂两部分，所述输送带、摄像头及协作机器人均固定在转臂的长臂部分。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述长臂部分的自由端与支撑架之间设有用于延长转臂长度的伸缩臂。

进一步地，如上述所述的蔬菜智能采摘装置，所述轨道小车的底部设有用于引轨道道小车运行的导向组。

本发明还提供一种智能采摘蔬菜的方法，包括如下步骤：

1）轨道小车沿轨道运行到采摘区并锁定，旋转转臂使其与轨道垂直；

2）展开伸缩臂，打开支撑架使其与地面垂直接触并锁定；

3）在转臂上移动摄像头，扫描所涉范围内蔬菜图像信息和坐标信息，并将所获取的蔬菜图像和坐标信息传送给协作机器人；

4）协作机器人收到信息后，沿转臂移动到相应的蔬菜坐标处采摘，并将采摘的蔬菜放置输送带上，直至所在扫描区采摘完成；

5）收拢协作机器人并将其移动到轨道小车端，收起支撑架，解锁轨道小车，将轨道小车移动到下一个采摘宽度采摘，重复上述步骤 1）至步骤 4），至整个蔬菜地采摘完成。

进一步地，如上述所述的采摘蔬菜的方法，在步骤 5）之后，将转臂旋转至于轨道平行位置并锁定转臂，沿轨道移动轨道小车至下一个田间蔬菜采摘地或大棚。

本发明的有益技术效果在于：

本发明的采摘装置和方法，通过在轨道小车上安装转臂，在转臂上设置扫描视觉识别，能够定位成熟可采摘蔬菜的坐标，确定蔬菜位置；在转臂上安装协作机器人，能够实现远距离多位置采摘；在转臂下方悬挂输送带，便于将采摘的蔬菜就近放在输送带上，以减少协作机器人整体的运动幅度；转臂自由端设置支撑架，该支撑架与轨道小车形成门架结构，提高了设备的稳定性；转臂能够旋转至与轨道平行，可实现田间或大棚内的蔬菜采摘；工作可靠，维护简单方便，造价低，适用于地平面和墙平面种植农作物的采收、喷雾或浇灌（喷雾或浇灌时需要更换采摘手），易于在农业生产中推广。

附图说明

图 1为本发明蔬菜智能采摘装置采摘状态的三维示意图；

图 2为图 1的主视图；

图 3为图 1的俯视图；

图 4为图 1的侧视图；

图 5为本发明采摘手的结构示意图；

图 6为本发明蔬菜智能采摘装置收拢后的结构示意图；

图 7为图 6的俯视图。

图中：

1-导向组 2-轨道小车 3-转臂 4-输送带 5-第一滑台 6-协作机器人 7-采摘手8-伸缩臂 9-支撑架 10-摄像头 11-转运车 12-回转轴承 13-轨道 14-控制柜 15-收集筐。

实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

需要说明的是，本申请的说明书、权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图 1-4所示，是本发明提供的一种蔬菜智能采摘装置，其包括轨道13、轨道小车2、转臂 3、输送带 4、摄像头 10、协作机器人 6、支撑架 9、伸缩臂 8、控制柜 14、转运车11 及收集筐 15。轨道小车 2 可移动地设置在轨道 13上，转臂 3可转动地固定在轨道小车 2上，输送带 4悬挂在转臂下端，摄像头 10可移动地固定在转臂侧面，协作机器人 6可移动地固定在转臂 3底面，伸缩臂 8固定在转臂的一端，控制柜 14固定在转臂另一端，支撑架 9可转动地固定在伸缩臂 8的自由端，转运车 11可移动地设置在轨道 13上且位于轨道小车 2一侧，收集筐 15放置在转运车 11上。

其中，轨道小车 2包括车轮和车体，车轮沿地面行走，车体沿轨道 13行走。车体的底面前后端分别安装导向组 1，该导向组包括卡在轨道 13两侧的导向轮及在轨道顶面行走的滚轮，滚轮上端设置弹簧。导向轮用于控制滚轮相对于轨道侧面位置；滚轮垂直于轨道顶面，保持车体与轨道相对位置，当轨道与地面位置发生一定变化时，导向组与车体位置可以上下移动，车体始终由车轮与硬路面接触并承受负荷。导向组 1上设有锁止机构（锁止机构采用现有技术），可以使车体相对于轨道锁止，以免采摘时工作基点发生位移。

转臂 3通过回转轴承 12固定在车体上，回转轴承 12上安装有锁止机构，可实现转臂转动并锁定，回转轴承 12由电机或气动马达驱动。回转轴承 12将转臂分成长臂和短臂两部分，输送带 4、摄像头 10及协作机器人 6均固定在转臂的长臂部分。

输送带 4一端通过挂件悬挂在长臂的自由端，另一端通过支座和连杆固定在车体上，用于向轨道小车 2前端放置的蔬菜收集筐 15输送蔬菜。需要说明的是，输送带 4可随转臂 3转动，控制其相对车体端的移动幅度，保证车体前端的收集筐 15始终在输送带 4下方。

摄像头 10通过第一滑块固定在第一滑台 5上，第一滑台 5固定在转臂3侧面,第一滑块可在第一滑台 5上移动，从而带动摄像头 10在第一滑台 5上移动。移动摄像头 10（以靠近轨道小车的极限位置为零位），扫描地面或墙面上蔬菜图像和坐标信息，并将扫描的所有蔬菜图像和坐标信息形成图片后一并传输给控制柜中的信息处理单元，信息处理单元接到信息后一一与预存在该单元内成熟蔬菜图片进行比较，认为蔬菜具有成熟蔬菜特点，即将蔬菜图像和坐标信息传送给协作机器人 6，协作机器人 6 移动到相应采摘位置进行采摘。摄像头 10可以调整角度，以便摄取地面上蔬菜信息或墙面上蔬菜信息。第一滑块由电/气驱动，降低液力传动对农作物污染，运动重复精度小于 1mm。

协作机器人 6通过第二滑块固定在第二滑台上，第二滑台固定在转臂底面（图中不可见），第二滑块可在第二滑台上移动，从而带动协作机器人 6在第二滑台上移动。协作机器人 6用于接收摄像头传输的图像信息和坐标信息并根据信息移动到蔬菜相应位置将蔬菜抓起放置到输送带上。协作机器人 6包括固定在第二滑块上的基座、固定在基座上的机械臂及固定在机械臂下端的采摘手 7。采摘手 7包括采摘手座 71、气 缸 72、花盘座 73及夹持片 74，采摘手座 71为中空结构，花盘座 73包括轴心及沿轴心径向伸出的可张合的至少三个卡爪（卡爪的数量与夹持片的数量相匹配），夹持片 74为长条形结构，可弯曲，夹持片 74数量根据需要确定，至少三片，本发明以四片为例进行说明。具体地，采摘手座 71固定在机械臂下端，气缸 72设置在采摘手座 71内，四片夹持片 74一端沿周向可转动地布设在采摘手座 71上，花盘座 73设置在气缸 72下端，其轴心与气缸杆连接，卡爪可滑动地固定在对应的夹持片上，如图 5所示。当气缸杆做伸缩运动时，夹持片的自由端形成张合运动，当气缸伸长时，夹持片合拢并夹持在平菇根部位置，之后转动采摘手座，即可将平菇扭下来，因夹持片端部为柔性部件，具有弹性，收拢后根部大小可以根据平菇根部大小自适应，夹爪不会伤平菇的冠部，保证了平菇的完整性，同时采摘手载具轻便，张开夹持手部可以完成菇包的放置。以平菇种植为例，使用负载 5Kg的小型协作机器人即可完成平菇的菇包的放置、喷淋、采摘，如果仅采摘，3Kg 的协作机器人就可以满足要求。由于蔬菜采摘主要由协作机器人完成，所以第二滑台精度在毫米级即可满足要求，精度要求低，第二滑台的移动驱动方式可以采用电/气推杆、齿轮齿条/同步带/丝杆等多种传动方式，以满足协作机器人可以在转臂上移动且能相对锁定位置。第二滑台的步距与协作机器人工作范围相关，以最佳工作范围为 600mm×600mm的协作机器人为例，设在 8米宽度大棚工作，考虑到中间轨道和硬路面宽度，以及大棚边沿到种植 位 置 留 有 距 离 ， 实 际 沿 垂 直 于 轨 道方 向 的 采 摘 工 作 区 间 约 为600mm-3500mm，因此工作区间可分 5段，第二滑台位置 5个，即第二滑台的步距可设为 580mm。

综上，协作机器人不但能完成大白菜等菜叶类的采摘，还可完成地面或墙面生长的菇类等需要判断成熟度的蔬菜的采摘，更换采摘手，可用于喷淋养护等工作。

伸缩臂 8可伸缩地设置在长臂部分的自由端，用于延长转臂的长度，扩大采摘区域。伸缩臂 8是为不同的大棚宽度设计的，如果需要采摘的区域较小，可以不设置伸缩臂，此时支撑架直接安装在转臂的末端。伸缩臂8在采摘转臂 3小于 2.5米时取消，直接将支撑架 9安装在转臂 3的末端，以简化结构，提高系统刚度。

支撑架 9为伸缩式结构，可转动地固定在伸缩臂端部，采摘时，打开支撑架，使其与地面接触，可提高转臂的稳定性，采摘完毕，收拢支撑架，使其与转臂平行，便于轨道小车移动。支撑架高度可由电/液/气推杆调整，以触地力来确定支撑杆的锁定位置，支撑架结构采用现有技术。以平菇采摘为例，触地力约 80Kg（该值与支腿底部面积和地面承受力相关，试验确定）时锁定支撑架。如图 6、7所示，转移时支撑架处于收拢且转动一定角度的状态，收拢幅度为在车体和转臂之间的空间。另外，由转臂、输送带、轨道小车和连杆组成的机构在转臂收拢后，使输送带在车体宽度范围内，锁定其中一个环节，即可相对固定转臂、输送带、小车和连接杆的位置。

控制柜 14用于控制整个装置电气设备运行（如轨道小车运行、转臂转动、摄像头移动、协作机器人移动、支撑架收拢等），其固定在短臂部分，用于平衡转臂。控制方式均采用现有技术，此处不再赘述。

本发明还提供一种蔬菜智能采摘方法，包括如下步骤：

1）沿轨道移动轨道小车到采摘区并锁定，旋转转臂使其与轨道垂直，如果设置了伸缩臂则展开伸缩臂，之后将安装在伸缩臂或转臂末端的支撑架转动至与地面垂直，驱动支撑架伸长至与地面接触，当支撑架与地面接触力达到设定值时停止伸长并锁定支撑架，形成车体-支撑架的门架结构。

2）门架结构形成后，沿第一滑台移动摄像头，扫描所涉范围内（地面或墙面）蔬菜图像信息和坐标信息（以靠近轨道小车车体位置为原点），并将所有扫描的图像和坐标信息合并成图片，传输给控制柜中的信息处理单元，信息处理单元接到信息后与预存在该单元内成熟蔬菜图片进行一一比较，认为具有成熟蔬菜的特点，即将该蔬菜图像和坐标信息传送给协作机器人。本发明采用的是集中识别，其优点是计算工作量相对较小，采摘效率高。当然，也可以边识别边采摘，边识别边采摘时，摄像头可以直接安装在协作机器人上，简化机构。

3）协作机器人收到信息后，沿第二滑台移动到相应的蔬菜坐标处采摘，并将采摘的蔬菜放置输送带上，直至所在扫描区采摘完成。采摘期间，当收集筐装至指定量时，收集筐内的感应器会向控制器发送指令，协作机器人停止采摘，轨道上的转运车会载着收集筐送出大棚并更换新的收集筐。

4）在当前扫描区域完成采摘后，先收拢协作机器人机械臂并移动到轨道小车车体附近（以减少转臂对车体的倾覆力矩），收缩支撑架离开地面，解锁小车，按协作机器人工作范围移动到下一个采摘区域，锁定车体，重复上述步骤 1）至步骤 3），直至整个区域采摘完成。

5）当全部区域采摘完成后，按上述采摘位置逆序收拢摄像头至靠近轨道小车车体位置锁定、协作机器人至轨道小车车体位置锁定、支撑架收拢且转动一定角度锁定，之后将转臂旋转至于轨道平行位置锁定，沿轨道移动轨道小车完成转场。

本发明的采摘设备，在没有铺设轨道的田间或大棚内也可以实现采摘，即更换轨道小车车轮，如履带式等适应地面车轮，由此可低成本、高精度、高智能化的完成田间或大棚蔬菜采摘作业。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员根据本发明所揭露的技术方案及其发明构思，进行等同替换或改变，所获得的技术方案都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蔬菜智能采摘装置，包括轨道（13）、轨道小车（2）、转 臂（3）、输送带（4）、摄像头（10）、协作机器人（6）及支撑架（9）；其特征是：所述轨道小车（2）可移动地设置在轨道（13）上；所述转臂（3）可转动地固定在轨道小车（2）上；所述输送带（4）的一端悬挂在转臂（3）下方，另一端通过连杆转动连接在小车（2）车体上，用于向轨道小车（2）前端放置的蔬菜收集筐（15）输送蔬菜；所述摄像头（10）可移动地固定在转臂（3）上，用于获取地面或墙面蔬菜图像信息和坐标信息并将获取的信息经过处理后传输给协作机器人；所述协作机器人（6）可移动地固定在转臂（3）上，用于接收摄像头传输的图像和坐标信息并根据信息移动到相应的蔬菜坐标处抓起扭下蔬菜放置到输送带上；所述支撑架（9）可水平转动地设置在转臂（3）的端部，其与轨道小车（2）形成固定门架结构。

2. 如权利要求 1所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述摄像头（10）通过第一滑台（5）固定在转臂（3）上，该第一滑台（5）安装在转臂（3）的侧面。

3. 如权利要求 2 所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述协作机器人（6）通过第二滑台固定在转臂（3）上，该第二滑台安装在转臂（3）的底面。

4. 如权利要求 3 所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述协作机器人（6）包括基座、固定在基座上的机械臂及固定在机械臂下端的采摘手（7）；所述采摘手（7）包括采摘手座（71）、气缸（72）、花盘座（73）及至少三片夹持片（74）；气缸（72）固定在采摘手座（71）内，花盘座（73）的轴心固定在气缸杆上，至少三片夹持片（74）的一端沿周向转动连接在采摘手座（71）上，夹持片（74）中间与花盘座（73）沿轴心伸出的可张合的卡爪滑动连接；当气缸杆做伸缩运动时，夹持片（74）的自由端形成张合运动。

5. 如权利要求 4所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述转臂（3）通过回转轴承（12）固定在轨道小车（2）上，该回转轴承（12）将转臂（3）分成长臂和短臂两部分，所述输送带（4）、摄像头（10）及协作机器人（6）均固定在转臂的长臂部分。

6. 如权利要求 5 所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述长臂部分的自由端与支撑架之间设有用于延长转臂长度的伸缩臂（8）。

7. 如权利要求 6 所述的蔬菜智能采摘装置，其特征是：所述轨道小车（2）的底部设有用于引轨道道小车运行的导向组（1）。

8. 利用权利要求 1-7任一项所述的蔬菜智能采摘装置采摘蔬菜的方法，包括如下步骤：

1）轨道小车（2）沿轨道（13）运行到采摘区并锁定，旋转转臂(3)使其与轨道（13）垂直；

2）展开伸缩臂(8)，打开支撑架（9）使其与地面垂直接触并锁定；

3）在转臂上移动摄像头（10），扫描所涉范围内蔬菜图像信息和坐标信息，并将所获取的蔬菜图像和坐标信息经过处理后传送给协作机器人（6）；

4）协作机器人（6）收到信息后，沿转臂移动到相应的蔬菜坐标处采摘，并将采摘的蔬菜放置输送带(4)上，直至所在扫描区采摘完成；

5）收拢协作机器人(6)并将其移动到轨道小车端，收起支撑架（9），解锁轨道小车（2），将轨道小车（2）移动到下一个采摘宽度采摘，重复上述步骤 1）至步骤 4），至整个蔬菜地采摘完成。

9. 如权利要求 8所述的采摘蔬菜的方法，其特征是：在步骤 5）之后，将转臂(3)旋转至于轨道平行位置并锁定转臂(3)，沿轨道移动轨道小车至下一个蔬菜采摘地或大棚。

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