CN117063715A - 一种火龙果双臂协作采摘装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火龙果双臂协作采摘装置及其控制方法，涉及自动采摘机器技术领域，该装置解决了火龙果自动化灵活采摘的问题。火龙果双臂协作采摘装置包括移动底盘，移动底盘上设置有采摘机械臂和剪切机械臂，采摘机械臂上安装有自动抓取机构，剪切机械臂上安装有自动剪切机构。机械手上安装有深度摄像头，用于获取火龙果的位置及姿态，机械手指上设置有压力传感器，当抓取力度达到设定压力时，停止抓取动作，防止火龙果损伤。自动剪切机构上装配有深度摄像头，用于识别果实与枝条的结茎处，自动剪刀可通过一次剪切动作切断结茎。

Description

一种火龙果双臂协作采摘装置及控制方法

技术领域

本发明涉及自动采摘机器人技术领域，特别是涉及一种火龙果双臂协作采摘装置及控制方法。

背景技术

近些年对于苹果、柑桔、猕猴桃等水果的采摘装置的研究已有较多成果，但对于火龙果自动化采摘装置的研究却比较欠缺。目前火龙果采摘方式主要以人工为主，随着劳动力增长的放缓，人工成本逐渐升高，越来越不能满足大量火龙果采摘的需求。同时随着科学技术的发展，图像识别技术取得了很大的进步，使得火龙果自动化采摘逐渐成为了可能。

现有果实采摘设备利用机械手抓取果实后通过旋转或者折拧的方式将果实与树枝分离，或者通过抓取与剪切一体的末端执行机构将果梗给剪断。这两种采摘方式结构简单成本低廉，对于特定果实如猕猴桃、苹果、柑桔有较好的采摘效果，但是对于火龙果这种果梗短且内嵌于枝条的果实无法实现无损采摘，火龙果结茎处形状复杂，现有采摘装置容易损伤果实及其枝条。

发明内容

本发明提供了一种火龙果双臂协作采摘装置及控制方法，以解决现有技术无法对火龙果实现无损、灵活采摘的问题，解决了火龙果复杂结茎处的自动化剪切问题。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种火龙果双臂协作采摘装置，包括移动底盘、采摘机械臂、剪切机械臂、抓取机构、剪切机构、控制器、果框；所述移动底盘两侧设置有四个独立驱动的实心轮，底盘上部设置有果筐和纵向排列的所述采摘机械臂和剪切机械臂，所述采摘机械臂上设置有所述抓取机构，所述抓取机构上设置有深度摄像头A，所述剪切机械臂上设置有所述剪切机构，所述剪切机构上设置有深度摄像头B，底盘前端设置有控制器，控制器集成有定位装置。

优选的，所述深度摄像头B用于对采摘装置的前进路径进行识别，同时也可对火龙果结茎处进行识别，所述深度摄像头A用于获取火龙果的位置信息及姿态信息。

优选的，所述抓取机构包括手指组件、支撑连杆、传动连杆一、传动连杆二、传动盘、丝杆组件、步进电机A、电机固定板一、副手指支架、主手指支架，所述抓取机构由欠约束的四指连杆机构组成，指间成60°和120°分布，该分布利于多方位的火龙果抓取。

优选的，所述手指组件包括手指支撑杆、手指垫片、柔性海绵、压力传感器，所述手指垫片固定于所述手指支撑杆上，所述柔性海绵粘贴于所述手指垫片圆弧凹面处，所述压力传感器粘贴于所述柔性海绵中间。

优选的，所述剪切机构包括剪切刀头、剪切支架、导向板、传动板组件、步进电机B、电机固定板二、丝杆组件、直线滑轨、连接架，所述导向板固接在剪切支架上。所述步进电机B带动丝杆旋转，丝杆旋转后通过丝杆螺母推动导向板沿纵向滑动。

优选的，所述传动板组件包括传动板、丝杆螺母、滚轮。所述传动板组件与直线导轨粘连，所述传动板组件纵向滑动时会带动直线滑块，所述滚轮与所述导向板上的圆弧表面接触，并沿圆弧表面滚动，同时向所述圆弧表面施加压力使两个所述剪切支架收紧，所述剪切刀头同时完成剪切动作。

优选的，所述采摘机械臂、剪切机械臂为多关节六自由度机械臂，每个关节由独立的伺服电机驱动。

本发明还提供一种如上所述火龙果双臂协作采摘装置的控制方法，包括：

移动底盘、采摘机械臂、剪切机械臂、抓取机构、剪切机构、控制器、果筐，控制步骤如下；

步骤一：各部件复位，控制器根据定位信息判断采摘装置是否处于设定的采摘区内，若是则进行步骤二，若否则结束采摘装置复位；

步骤二：所述深度摄像头A扫描成熟火龙果，若扫描到成熟火龙果则获取火龙果坐标，并进行步骤三，若未扫描到则换个位置进行扫描；

步骤三：所述深度摄像头B获取前进路径信息，控制器规划路径，所述自动采摘装置驱动四轮使装置前进靠近目标火龙果；

步骤四：靠近目标火龙果后所述深度摄像头A再次获取目标火龙果的位置坐标及姿态信息；

步骤五：控制器根据目标火龙果的位置信息及姿态信息将采摘机械臂调整到最适合抓取火龙果的姿态；

步骤六：控制器控制所述抓取机构的步进电机开始抓取动作，若所述手指组件上的所述压力传感器达到设定压力值则停止抓取动作并进行步骤七，若未达到设定压力值则继续抓取动作；

步骤七：根据步骤四所获取的目标火龙果位置及姿态信息，所述剪切机械臂调整至合适位置后通过所述深度摄像头B识别结茎位置；

步骤八：控制器根据步骤七获取的结茎位置调整所述剪切机械臂使所述剪切机构接近结茎剪切位置，并驱动所述剪切机构上的步进电机进行剪切动作；

步骤九：所述剪切机构退刀，所述剪切机械臂复位，所述采摘机械臂带动所述抓取机构将所述目标火龙果放入果框内，采摘机械臂复位；

重新进行上述步骤。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明设计的四指抓取机构可从火龙果底部或者侧面抓取火龙果，能够适应多种不同的火龙果姿态，剪切机构使用专门设计的剪切刀头可以通过一次剪切切断火龙果结茎，并且不损伤果实与枝条。双臂配合完成采摘比现有采摘技术更灵活，能够实现大小不同、形状各异的火龙果采摘，能够实现复杂结茎处的剪切。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为火龙果双臂协作采摘装置初始状态的结构示意图；

图2为图1另一个方向的视图；

图3为火龙果抓取机构的结构示意图；

图4为图3另一个方向的视图；

图5为图3的A-A剖向轴测视图；

图6为火龙果剪切机构的结构示意图；

图7为火龙果双臂协作采摘装置采摘火龙果时的结构示意图；

图8为图7的A处放大视图；

图9为火龙果双臂协作采摘装置从侧面抓取火龙果的示意图；

图10为火龙果双臂协作采摘装置控制方法的流程示意图；

图中标号：1、抓取机构；2、剪切机构；3、剪切机械臂；4、控制器；5、实心轮；6、移动底盘；7、采摘机械臂；8、果筐；9、枝条；10、火龙果；101、手指组件；102、支撑连杆；103、主副支架连接块；104、丝杆一；105、传动盘；106、丝杆螺母；107、联轴器；108、限位块；109、角码一；110、固定板；111、步进电机A；112、电机固定板一；113、主手指支架；114、传动连杆一；115、传动连杆二；116、副手指支架；117、连接架；118、摄像头固定架；119、深度摄像头A；1011、压力传感器；1012、柔性海绵；1013、手指垫片；1014、手指支撑杆；201、定位连接架；202、主支架；203、电机固定板二；204、丝杆二；205、副支架；206、定位块；207、角码二；208、剪切刀头；209、剪切支架；210、弹簧；211、轴承；212、导向板；213、导轨；214、传动板；215、滚轮；216、滑块；217、步进电机B；218、深度摄像头B

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种火龙果双臂协作采摘装置及控制方法，以解决现有技术无法对火龙果实现无损、灵活采摘的问题。解决了火龙果复杂结茎的自动化剪切问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

参见图1，一种火龙果双臂协作采摘装置，包括移动底盘6、采摘机械臂7、剪切机械臂3、抓取机构1、剪切机构2、控制器4、果筐8，移动底盘6两侧设置有独立驱动的实心轮5，采摘装置利用两侧实心轮的差速转动实现装置的转向。底盘前部设置有控制器4，控制器内集成有定位装置，控制器用来接收深度摄像头A、B及压力传感器1011的电信号并对信号进行处理，处理后的信号传递给驱动实心轮的伺服电机、采摘机械臂、剪切机械臂、步进电机A、B。底盘上部设置有纵向排列的采摘机械臂和剪切机械臂，机械臂通过底座的六个螺栓孔利用螺栓固定在移动底盘上，机械臂采用成熟的六自由度机械臂，并利用成熟的控制软件进行控制，两个采摘机械臂也可以横向排列或处于不同水平高度。底盘上部后侧设置有果筐8，果筐通过框底部的螺栓孔利用螺栓固定在移动底盘上。

参见图1-5，采摘机械臂7上设置有抓取机构1，抓取机构1上的连接架117通过四颗沉头内六角螺钉固定于机械臂末端，摄像头固定架118套接在连接架117底部凸台上，随连接架117一起固定在机械臂末端。抓取机构1的两个固定板110通过螺栓与连接架117装配。副手指支架116与主手指支架113通过主副支架连接块103固定，利用四颗螺钉进行紧固，主副手指支架夹角成60°。支撑连杆102一端与手指支架铰接，一端与手指支撑杆1014铰接，传动连杆二115一端与手指支撑杆1014铰接，一端与传动连杆一114铰接，中间铰接在手指支架上。传动连杆一114一端与传动连杆二115铰接，一端与传动盘105铰接。传动盘105中间装有丝杆螺母106，侧面开有孔并穿入铰链1052用来铰接传动连杆一114，传动盘105通过槽1051卡入主手指支架113，槽与主手指支架113之间留有一定间隙，传动盘105可沿纵向移动。电机固定板一112上开有槽可卡入主手指支架113的槽内，固定板110上开有槽可卡入主手指支架113和电机固定板一112对应的槽内，电机固定板一112通过四个限位块108进行紧固，固定板110通过板上的开槽与主手指支架上的槽配合定位，固定板110与主手指支架113通过角码一109进行连接，使用螺栓进行紧固。其传动方式为：步进电机A111启动，通过联轴器107将扭矩传递给丝杆104，丝杆旋转推动丝杆螺母106，因为丝杆螺母固接在传动盘105上，传动盘因此受力纵向运动，并推动传动连杆一114，传动连杆一推动传动连杆二115，支撑连杆102、主手指支架113、传动连杆二115、手指支撑杆1014组成平行四杆机构，传动连杆二115受力转动后手指组件101做平移运动，四指的传动方式相同，四指同时做平移运动即可完成张开或抓紧动作。

参见图6，剪切机械臂3上设置有剪切机构2，剪切机构上的摄像头固定方式于抓取机构类似，定位连接架201与主支架202配合，并通过螺栓串接固定在连接架117上。剪切刀头208通过螺栓与剪切支架209固定，导向板212通过螺栓与剪切支架209固定，通过剪切支架上的小凸台与导向板上的凹槽进行定位。弹簧210穿在两个剪切支架的凸台中，两个支架受到弹簧弹力作用保持张开。两个剪切支架通过销钉铰接在两个角码二207之间，角码二与定位块206通过螺栓串接并固接在副支架205上。主支架202与副支架205通过角码109固连，通过两个支架上的卡槽进行定位。导轨213通过5颗螺栓连接在主支架202上，滑块216可在导轨上滑动，导轨两端有限位块108限制滑块的移动区间，防止滑块脱落，限位块通过螺栓固定在主支架202上。电机固定板二203上有矩形孔和圆形孔，主支架202穿入矩形孔内，两者通过角码109固接，步进电机B217上的圆凸台穿入圆孔中，通过四颗螺钉与电机固定板二连接。传动板214上有铰链连接有两个滚轮215，传动板与两个滑块216粘连，并可沿着导轨纵向移动，传动板中间装有丝杆螺母并通过螺栓固定。轴承211通过过盈配合卡在副支架205中间的圆孔内。其传动方式为：步进电机B217启动，通过联轴器107将扭矩传给丝杆204，丝杆旋转推动丝杆螺母106，因为丝杆螺母固接在传动板214上，传动板因此受力纵向移动，两个滚轮215的距离为定值，在传动板运动过程中滚轮始终贴在导向板212的圆弧表面上，并向圆弧表面施加压力，随着传动板的移动两个剪切支架209由张开状态逐渐闭合，配合剪切刀头达到剪切目的。

实施例二

参见图7-10，如图10所示，本实施例提供了一种实施一所述的火龙果双臂协作采摘装置的控制方法，包括：

步骤一：各部件复位，控制器根据定位信息判断采摘装置是否处于设定的采摘区内，若是则进行步骤二，若否则结束采摘。

步骤二：所述深度摄像头A扫描成熟火龙果，若扫描到成熟火龙果则获取火龙果坐标，并进行步骤三，若未扫描到则换个位置进行扫描；

步骤三：所述深度摄像头B获取前进路径信息，控制器规划路径，所述自动采摘装置驱动四轮使装置前进靠近目标火龙果；

步骤四：靠近目标火龙果后所述深度摄像头A再次获取目标火龙果的位置坐标及姿态信息；

步骤五：控制器根据目标火龙果的位置信息及姿态信息将采摘机械臂调整到最适合抓取火龙果的姿态；

步骤六：控制器控制所述抓取机构的步进电机开始抓取动作，若所述手指组件上的所述压力传感器达到设定压力值则停止抓取动作并进行步骤六，若未达到设定压力值则继续抓取动作；

步骤七：根据步骤四所获取的目标火龙果位置及姿态信息，所述剪切机械臂调整至合适位置后通过所述深度摄像头B识别结茎位置；

步骤八：控制器根据步骤七获取的结茎位置调整所述剪切机械臂使所述剪切机构接近结茎剪切位置，并驱动所述剪切机构上的步进电机进行剪切动作；

步骤九：所述剪切机构退刀，所述剪切机械臂复位，所述采摘机械臂带动所述抓取机构将所述目标火龙果放入果框内，采摘机械臂复位；

重新进行上述步骤。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种火龙果双臂协作采摘装置，其特征在于：包括移动底盘、采摘机械臂、剪切机械臂、抓取机构、剪切机构、控制器、果框；

所述移动底盘两侧设置有四个独立驱动的实心轮，底盘上部设置有果筐和纵向排列的所述采摘机械臂和剪切机械臂，所述采摘机械臂上设置有所述抓取机构，所述抓取机构上设置有深度摄像头A，所述剪切机械臂上设置有所述剪切机构，所述剪切机构上设置有深度摄像头B，底盘前端设置有控制器，控制器集成有定位装置。

2.根据权利要求1所述的火龙果双臂协作采摘装置，其特征在于：所述深度摄像头B用于对采摘装置的前进路径进行识别，同时也可对火龙果结茎处进行识别，所述深度摄像头A用于获取火龙果的位置信息及姿态信息。

3.根据权利要求1所述的火龙果双臂协作采摘装置，其特征在于：所述抓取机构包括手指组件、支撑连杆、传动连杆一、传动连杆二、传动盘、丝杆组件、步进电机A、电机固定板一、副手指支架、主手指支架，所述抓取机构由欠约束的四指连杆机构组成，指间成60°和120°分布，该分布利于多方位的火龙果抓取。

4.根据权利要求3所述的手指组件，其特征在于：所述手指组件包括手指支撑杆、手指垫片、柔性海绵、压力传感器，所述手指垫片固定于所述手指支撑杆上，所述柔性海绵粘贴于所述手指垫片圆弧凹面处，所述压力传感器粘贴于所述柔性海绵中间。

5.根据权利要求1所述的火龙果双臂协作采摘装置，其特征在于：所述剪切机构包括剪切刀头、剪切支架、导向板、传动板组件、步进电机B、电机固定板二、丝杆组件、直线滑轨、连接架，所述导向板固接在剪切支架上，所述步进电机B带动丝杆旋转，丝杆旋转后通过丝杆螺母推动导向板沿纵向滑动。

6.根据权利要求5所述的传动板组件，其特征在于：所述传动板组件包括传动板、丝杆螺母、滚轮，所述传动板组件与直线导轨上的滑块粘连，所述传动板组件纵向滑动时会带动滑块，所述滚轮与所述导向板上的圆弧表面接触，并沿圆弧表面滚动，同时向所述圆弧表面施加压力使两个所述剪切支架收紧，所述剪切刀头同时完成剪切动作。

7.根据权利要求1所述的火龙果双臂协作采摘装置，其特征在于：所述采摘机械臂、剪切机械臂为多关节六自由度机械臂，每个关节由独立的伺服电机驱动。

8.根据权利要求1所述的火龙果双臂协作采摘装置的控制方法，其特征在于：包括移动底盘、采摘机械臂、剪切机械臂、抓取机构、剪切机构、控制器、果筐，控制步骤如下；

步骤一：各部件复位，控制器根据定位信息判断采摘装置是否处于设定的采摘区内，若是则进行步骤二，若否则结束采摘装置复位；

步骤二：所述深度摄像头A扫描成熟火龙果，若扫描到成熟火龙果则获取火龙果坐标，并进行步骤三，若未扫描到则换个位置进行扫描；

步骤三：所述深度摄像头B获取前进路径信息，控制器规划路径，所述自动采摘装置驱动四轮使装置前进靠近目标火龙果；

步骤四：靠近目标火龙果后所述深度摄像头A再次获取目标火龙果的位置坐标及姿态信息；

步骤五：控制器根据目标火龙果的位置信息及姿态信息将采摘机械臂调整到最适合抓取火龙果的姿态；

步骤六：控制器控制所述抓取机构的步进电机开始抓取动作，若所述手指组件上的所述压力传感器达到设定压力值则停止抓取动作并进行步骤七，若未达到设定压力值则继续抓取动作；

步骤七：根据步骤四所获取的目标火龙果位置及姿态信息，所述剪切机械臂调整至合适位置后通过所述深度摄像头B识别结茎位置；

步骤八：控制器根据步骤七获取的结茎位置调整所述剪切机械臂使所述剪切机构接近结茎剪切位置，并驱动所述剪切机构上的步进电机进行剪切动作；

步骤九：所述剪切机构退刀，所述剪切机械臂复位，所述采摘机械臂带动所述抓取机构将所述目标火龙果放入果框内，采摘机械臂复位；

重新进行上述步骤。