CN203646089U - 一种猕猴桃果实采摘机器人 - Google Patents

Abstract

一种猕猴桃果实采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是：所述机械执行系统包括车体、伸缩式滑动平台、五自由度采摘机械臂和两指式末端执行器；所述控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机驱动器、双目摄像机、红外传感器、压力传感器、电气控制柜及控制电路。本实用新型采用模块化设计理念，将两指式末端执行器、五自由度采摘机械臂、伸缩式滑动平台和传感器系统集成在一起，将果实和障碍物的图像采集和特征提取、伸缩式滑动平台的智能移动、五自由度采摘机械臂的壁障与果实定位以及两指式末端执行器的抓取进行整合，实现了猕猴桃果实采摘的机械化、自动化，提高了劳动生产率、降低了生产成本、保证了果实的收获质量。

Description

一种猕猴桃果实采摘机器人

技术领域

本发明属于农业机械领域，尤其涉及一种猕猴桃果实采摘机器人。 

背景技术

果蔬收获是一种劳动密集型的工作，在很多国家，由于人口老龄化和农业劳动力越来越缺乏，劳动力成本增加。果蔬采摘作业是目前果蔬生产链中最耗时、最费力的环节之一，采摘作业质量的好坏直接影响到后续的加工和储藏。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低，目前国内水果采摘基本都是人工进行。在众多水果中，猕猴桃因其丰富的营养价值被誉为“水果之王”。中国是猕猴桃的原产地，也是世界上猕猴桃栽培面积最大的国家。但是目前猕猴桃仍依靠人工收获，由于每个地域的猕猴桃采摘时间都相对集中，采摘时间短，所以需要投入大量的人力来从事采摘、分拣、装箱等劳动，劳动强度大，工作耗时而且成本也越来越高。 

猕猴桃为藤本植物，目前猕猴桃普遍采用棚架式的种植模式，间隔一定距离竖立金属支柱或水泥支柱，支柱顶部由铁丝纵横交叉呈”井”字形网络，猕猴桃藤蔓顺着铁丝网生长。猕猴桃果实一般垂挂在棚架上，成簇生长现象较为普遍，果实生长分布范围较广，几乎布满了整个空间。由于自然生长环境的复杂性，在机器人采摘中，目标果实自动识别存在着背景信息复杂多样、果实部分或全部被遮挡以及光照条件不确定等问题，而且由于猕猴桃果实的娇嫩易损性，收获时容易遭受机械损伤，对机器人机械结构、传感器、控制系统等方面协调配合有很高的要求。中国专利CN102187766A公布了“一种猕猴桃采摘末端执行器”，该末端执行器由于自身体积的限制，对毗邻果的采摘受到限制。 因此，研究猕猴桃采摘机器人，实现猕猴桃采摘作业的机械化、自动化、智能化具有一定的理论价值和现实意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种猕猴桃果实采摘机器人，具体说就是针对自然生长环境下采用棚架式的种植模式的猕猴桃进行采摘，它解决了人工采摘劳动强度大、效率低、成本高的问题，实现猕猴桃采摘作业的机械化、自动化和智能化。 

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是： 

一种猕猴桃果实采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是： 

所述机械执行系统包括车体、伸缩式滑动平台、五自由度采摘机械臂和两指式末端执行器；所述车体的结构为柜式，在其底部四个角的位置上安装有四个万向轮，车体内部设置有行进驱动机构，所述的伸缩式滑动平台通过螺栓固定在车体上平面，所述的五自由度采摘机械臂的转动基座通过螺栓固定安装在伸缩式滑动平台的滑块上表面，所述的两指式末端执行器安装在五自由度采摘机械臂末端，所述的车体的上表面设置有伸缩式滑动平台驱动机构和机械臂运动驱动机构，所述的车体的后侧面设置有水果采集箱，所述的车体的两侧面有两个通过转动销与其相连接转动的支架平板。 

所述的伸缩式滑动平台机构包括水平运动单元I、水平运动单元II和水平运动单元III，其中： 

所述的水平运动单元I、II、III的结构和尺寸相同，包括水平运动单元电机、水平运动单元导轨-丝杠模组、水平运动单元滑块以及水平运动单元接触传感器，其中，水平运动单元电机通过联轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组的一端连接，在水平运动单元导轨-丝杠模组的两端各安放一个水平运动单元接触传 感器，水平运动单元滑块可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组上； 

所述的水平运动单元导轨-丝杠模组底部有两块可旋转导轨支撑板和一块固定下底板；两块可旋转导轨支撑板通过转动销与水平运动单元导轨-丝杠模组两个对应面侧壁相连接；固定下底板有螺纹通孔，通过螺栓将水平运动单元I固定在机体上平面，所述的水平运动单元滑块上平板表面有与水平运动单元导轨-丝杠模组下底板相配合的螺纹孔，水平运动单元II的水平运动单元导轨-丝杠模组下底板与水平运动单元I的水平运动单元滑块上平板通过螺栓连接；水平运动单元III的水平运动单元导轨-丝杠模组下底板与水平运动单元II的水平运动单元滑块上平板通过螺栓连接。 

所述的五自由度采摘机械臂包括转动基座、大臂、小臂、三个直流伺服舵机和一个旋转直流电机，其中： 

所述的转动基座包括旋转直流电机和旋转机体，旋转直流电机通过螺栓连接安装在水平运动单元III的滑块上。 

所述的两指式末端执行器包括手掌I、手掌II、手指、手腕、滚珠丝杠、电机、传感器系统，其中： 

所述的手腕为矩形方块，通过舵机与小臂相连接，手腕的另一端连接手掌II； 

所述的手掌II由一块中间有通孔的方形平板和一块仿生弧形面板组成；所述的方形平板的一侧面与手腕连接，另一侧面与仿生弧形面板连接，方形平板下侧面固定一个旋转电机，旋转电机通过联轴器与通过方形平板中心孔的滚珠丝杠的圆形端面相连接；所述的滚珠丝杠上附有一滑块，与丝杠同轴方向有两个通孔，两根光杆一端分别穿过两个通孔固定在手掌II上，滑块一侧端面通过螺栓连接固定手掌I，手掌I掌面与手掌II上掌面相垂直；所述的仿生弧形面 板内侧附有硅胶材料； 

所述的手掌I为一块长方形面板，面板上部固定一个步进电机，所述的手指端面为半圆形，两根手指平行，手指末端以一定间距固定安装在电机主轴上。 

所述传感器系统包括压力传感器和红外传感器；所述压力传感器安装在手掌II的仿生弧形面板内侧；所述的红外传感器安装在手掌I的上部。 

所述控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机驱动器、双目摄像机、红外传感器、压力传感器、电气控制柜及控制电路等。 

所述双目摄像机位于电气控制柜上平面的支架上，伺服电机驱动器及电气控制柜放置在伸缩式滑动平台一侧，工控机主机位于电气控制柜上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内。 

一种利用猕猴桃果实采摘机器人进行的果实采摘方法，包括以下步骤： 

启动机器人移动平台沿导航线运动，双目摄像机进行实时左右方向的循环扫描采集，检测猕猴桃果实的位置； 

当检测到视野范围内有果实时，工控机向运动控制卡发送平台停止前进指令，双目摄像机用来采集果树、果实的图像信息以及采摘机械臂采摘路径中的障碍物图像信息，然后主控制器工控机对成熟果实图像及障碍物图像进行识别，判断出视野内猕猴桃果实数量，逐个识别出视野内的猕猴桃果实并提取其空间位置及形状等特征信息，确定采摘顺序，求解出果实相对机械臂基坐标的空间位置坐标，获取水果抓取所需要的位姿信息，然后工控机对采摘路径进行规划，并向伸缩式滑动平台控制器和采摘机械臂的控制器发送指令，当两指式末端执行器送到待摘果实附近时，两指式末端执行器的红外传感器对采摘机械手与猕猴桃果实的相对位置进行检测，当检测到果实已进入两指式末端执行器采摘范 围时，手掌I上安放的直流伺服电机正向旋转带动手指转动，手指夹紧猕猴桃果实果柄，然后手掌II直流伺服电机旋转，通过丝杠-滑块模组运动，手掌I向手掌II开始靠近从而夹持果实，此时压力传感器检测手指和果实之间的夹持力，并判断是否达到实验所给出的水果所能承受的阈值力，若达到阈值力则直流伺服电机停止转动，末端执行器模拟人工采摘的上抬动作，完成果实与果柄的分离，然后采摘机械臂动作，将末端执行器移动到水果采集箱的上部，末端执行器的手指张开，将果实放入水果采集箱内。 

重复执行以上采摘过程，直到对采摘范围里标记的的水果全部采摘完毕，伸缩式滑动平台动作，实现采摘机械臂移动到平台水平位置的下一果实采集区进行采集，并执行上一步果实采摘过程； 

当两指式末端执行器把该位置机械臂可以采摘到的果实采集完毕后，伸缩式滑动平台继续动作，把采摘机械臂移动到平台水平位置的下一果实采集区重复执行上述采摘过程，伸缩式滑动平台和机械臂联合动作，直至把该平台所在位置的所有果实采摘完毕后，移动平台前进，重复以上平台行走、伸缩式移动平台滑动和果实采摘过程。猕猴桃采摘机器人平台沿着导航线直线向前运动，两指式末端执行器在伸缩式移动平台带动下S形循环采摘果实。 

本发明的有益效果是：本发明采用模块化设计理念，集成度高，有助于提高机器人的环境适应能力和工作效率。整个机械臂固定在伸缩式移动平台上，在工作时机械臂可以在伸缩式移动平台上左右滑动，这样设计的优点是移动平台在果园行间行走一次就可以采摘完其两侧的果实，整个智能移动平台行走的路程可以减半，行走部分可以降低控制难度，提高采摘速度；采摘机器人视觉传感器中的双目摄像机采用分时复用方案，避免使用两个双目相机，既满足了使用要求，又节约成本；针对猕猴桃果实成簇生长现象，设计了从果实下部接 近果实，两指式采摘的结构，降低了结构的复杂性，提高了采摘的速度和可靠性。机械臂的旋转关节模拟人工采摘的上台动作，实现果实与果枝的分离，这样设计就是为了避免采摘机械手上增加复杂的果实分离装置，简化了机械手的结构，减低了机械臂末端的重量。本发明解决了水果采摘劳动力短缺且成本过高这一问题，降低了果农的劳动强度，提高了劳动生产率、降低了生产成本、保证了果实及时采收、保证了果实质量。 

附图说明

图1为本发明一个实施例的侧面结构示意图。 

图2为本发明一个实施例的结构俯视图。 

图3为本发明的伸缩式滑动平台结构图。 

图4为本发明的五自由度采摘机械臂的结构图。 

图5为本发明的两指式末端执行器结构图。 

图6为本发明的控制系统的主要功能模块构成示意图。 

附图标号说明：1-车体、2-采集箱、3-伸缩式滑动平台、4-双目摄像机、5-工控机、6-两指式末端执行器、7-五自由度的采摘机械臂、8-导轨支撑板、9-平台支撑板、10-平台支撑架、11-转动轮、12-伺服电机驱动器、13-直流伺服舵机I、14-直流伺服舵机II、15-直流伺服舵机III、16-电气控制柜、17-水平运动单元电机、18-水平运动单元导轨-丝杠模组、19-水平运动单元接触传感器、20-水平运动单元滑块、21-基座旋转电机、22-转动基座、23-大臂、24-小臂、25-手腕、26-丝杠旋转电机、27-手掌II、28-手指旋转电机、29-手指、30-手掌I、31-红外传感器、32-滚珠丝杠、33-滑块、34-光杆。 

具体实施方式

参见图1、图2、图3、图4、图5，一种猕猴桃果实采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是： 

所述机械执行系统包括车体1、伸缩式滑动平台3、五自由度的采摘机械臂7和两指式末端执行器6；所述车体1的结构为柜式，在其底部四个角的位置上通过螺栓连接安装有四个转动轮11，车体内部设置有行进驱动机构，所述的伸缩式滑动平台3通过螺栓固定在机体1上平面上，所述的五自由度的采摘机械臂7的转动基座22通过螺栓固定安装在伸缩式滑动平台3的水平运动单元滑块20上表面，所述的两指式末端执行器6安装在五自由度的采摘机械臂7末端，所述的车体1的后侧面上设置有水果采集箱2，所述的车体1的两侧面有两个通过转动销与其相连接转动的平台支撑架10； 

所述的伸缩式滑动平台3通过螺栓固定在车体1上平面，伸缩式滑动平台3机构包括水平运动单元I、水平运动单元II和水平运动单元III，其中： 

所述的水平运动单元I、II、III的结构和尺寸相同，包括水平运动单元电机16、水平运动单元导轨-丝杠模组18、水平运动单元滑块20以及水平运动单元接触传感器19，其中，水平运动单元电机16通过联轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组18的一端连接，在水平运动单元导轨-丝杠模组18的两段各安放一个水平运动单元接触传感器19，水平运动单元滑块20可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组18上； 

所述的水平运动单元导轨-丝杠模组18底部有两块可旋转导轨支撑板8和一块固定下底板；两块可旋转导轨支撑板8通过转动销与水平运动单元导轨-丝杠模组18两个对应面侧壁相连接；固定下底板有螺纹通孔，通过螺栓将水平运动单元I固定在车体1上平面，所述的水平运动单元滑块20上平板表面有与水 平运动单元导轨-丝杠模组18下底板相配合的螺纹孔，水平运动单元II的水平运动单元导轨-丝杠模组18下平板与水平运动单元I的水平运动单元滑块20上平板通过螺栓连接，将水平运动单元II固定在水平运动单元I上，水平运动单元III的水平运动单元导轨-丝杠模组18下平板与水平运动单元II的水平运动单元滑块20上平板通过螺栓连接，将水平运动单元III固定在水平运动单元II上。 

所述的五自由度采摘机械臂7包括转动基座22、大臂23、小臂24、直流伺服舵机I13、直流伺服舵机II14、直流伺服舵机III15和一个旋转直流电机21，其中： 

所述的转动基座包括旋转直流电机21和旋转机体22，旋转直流电机21通过螺栓连接安装在水平运动单元III的滑块20上。 

所述的两指式末端执行器包括手掌I30、手掌II27、手指29、手腕25、滚珠丝杠32、丝杠旋转电机26、手指旋转电机28、滑块33和传感器系统，其中： 

所述的手腕25为矩形方块，通过直流伺服舵机III15与小臂24相连接，手腕的另一端连接手掌II27； 

所述的手掌II27由一块中间有通孔的方形平板和一块仿生弧形面板组成；所述的方形平板的一侧面与手腕连接，另一侧面与仿生弧形面板连接，方形平板下侧面固定一个丝杠旋转电机26，丝杠旋转电机26通过联轴器与通过方形平板中心孔的滚珠丝杠32的圆形端面相连接；所述的滚珠丝杠32上附有一滑块33，与滚珠丝杠32同轴方向有两个通孔，两根光杆34一端分别穿过两个通孔固定在手掌II27上，滑块33一侧端面通过螺栓连接固定手掌I30，手掌I30掌面与手掌II27上掌面相垂直；所述的仿生弧形面板内侧附有硅胶材料； 

所述的手掌I30为一块长方形面板，面板上部固定一个手指旋转电机28，所述的手指29端面为半圆形，两根手指29平行，手指29末端以一定间距固定 安装在手指旋转电机28主轴上。 

所述传感器系统包括压力传感器和红外开关传感器31；所述压力传感器安装在手掌II27的仿生弧形面板内侧；所述的超声波传感器31安装在手掌I30的上部。 

所述控制系统包括工控机5、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机驱动器12、光电编码器、双目摄像机4、红外传感器31、压力传感器、电气控制柜16及控制电路组成。 

所述双目摄像机4位于电气控制柜16上平面的支架上，伺服电机驱动器12及电气控制柜16放置在伸缩式滑动平台3一侧，工控机5位于电气控制柜16上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机5的PCI插槽内。 

一种利用猕猴桃果实采摘机器人进行的果实采摘方法，包括以下步骤： 

启动猕猴桃采摘机器人移动平台沿导航线运动，双目摄像机4进行实时左右方向的循环扫描采集，检测猕猴桃果实的位置。 

当检测到视野范围内有果实时，工控机5向运动控制卡发送平台停止前进指令，双目摄像机4用来采集果树、果实的图像信息以及五自由度的采摘机械臂7采摘路径中的障碍物图像信息，接下来主控制器工控机5对成熟果实图像及障碍物图像进行识别，判断出视野内猕猴桃果实数量，逐个识别出视野内的猕猴桃果实并提取其空间位置及形状等特征信息，确定采摘顺序，求解出果实相对机械臂基坐标的空间位置坐标，获取水果抓取所需要的位姿信息，然后工控机5对采摘路径进行规划，并向伸缩式滑动平台3控制器和五自由度采摘机械臂7的控制器发送指令，当两指式末端执行器6送到待摘果实附近时，两指式末端执行器6的红外传感器31对两指式末端执行器6与猕猴桃果实的相对位 置进行检测，当检测到果实已进入两指式末端执行器6采摘范围时，手掌I30上安放的直流伺服电机28正向旋转带动手指29转动，手指29夹紧猕猴桃果实果柄，然后手掌II27直流伺服电机26旋转，通过丝杠-滑块模组运动，手掌I30向手掌II27开始靠近从而夹持果实，此时压力传感器检测手指29和果实之间的夹持力，并判断是否达到实验所给出的水果所能承受的阈值力，若达到阈值力则直流伺服电机28停止转动，两指式末端执行器6模拟人工采摘的上抬动作，完成果实与果柄的分离，然后五自由度采摘机械臂7动作，将两指式末端执行器6移动到水果采集箱2的上部，末端执行器6的手29指张开，将果实放入水果采集箱2内。 

重复执行以上采摘过程，直到对采摘范围里标记的的水果全部采摘完毕，伸缩式滑动平台3动作，实现五自由度采摘机械臂7移动到伸缩式滑动平台3水平位置的下一果实采集区进行采集，并执行上一步果实采摘过程。 

当两指式末端执行器6把该位置五自由度采摘机械臂7可以采摘到的果实采集完毕后，伸缩式滑动平台3继续动作，把五自由度采摘机械臂7移动到伸缩式滑动平台3水平位置的下一果实采集区重复执行上述采摘过程，伸缩式滑动平台3和五自由度采摘机械臂7联合动作，直至把该平台所在位置的所有果实采摘完毕后，移动平台前进，重复以上平台行走、伸缩式移动平台滑动和果实采摘过程。猕猴桃采摘机器人平台沿着导航线直线向前运动，两指式末端执行器在伸缩式移动平台带动下S形循环采摘果实。 

猕猴桃果实采摘机器人解决了人工采摘劳动强度大、效率低、成本高的问题，实现猕猴桃采摘作业的机械化、自动化和智能化。 

Claims (4)

1.一种猕猴桃果实采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是： 

所述机械执行系统包括车体、伸缩式滑动平台、五自由度采摘机械臂和两指式末端执行器； 

所述的车体结构为柜式，在其底部四个角的位置上安装有四个万向轮，车体内部设置有行进驱动机构，伸缩式滑动平台通过螺栓固定在车体上平面，五自由度采摘机械臂的转动基座通过螺栓固定安装在伸缩式滑动平台的滑块上表面，两指式末端执行器安装在五自由度采摘机械臂末端，车体的上表面设置有伸缩式滑动平台驱动机构和机械臂运动驱动机构，车体的后侧面设置有水果采集箱，车体的两侧面有两个通过转动销与其相连接转动的支架平板。 

2.根据权利要求1所述的一种猕猴桃果实采摘机器人，其特征在于所述的伸缩式滑动平台机构包括水平运动单元I、水平运动单元II和水平运动单元III，其中： 

所述的水平运动单元I、II、III的结构和尺寸相同，包括水平运动单元电机、水平运动单元导轨-丝杠模组、水平运动单元滑块以及水平运动单元接触传感器，其中，水平运动单元电机通过联轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组的一端连接，在水平运动单元导轨-丝杠模组的两端各安放一个水平运动单元接触传感器，水平运动单元滑块可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组上； 

所述的水平运动单元导轨-丝杠模组底部有两块可旋转导轨支撑板和一块固定下底板；两块可旋转导轨支撑板通过转动销与水平运动单元导轨-丝杠模组两个对应面侧壁相连接；固定下底板有螺纹通孔，通过螺栓将水平运动单元I固定在机体上平面； 

所述的水平运动单元滑块上平板表面有与水平运动单元导轨-丝杠模组下底板相配合的螺纹孔，水平运动单元II的水平运动单元导轨-丝杠模组下底板与 水平运动单元I的水平运动单元滑块上平板通过螺栓连接；水平运动单元III的水平运动单元导轨-丝杠模组下底板与水平运动单元II的水平运动单元滑块上平板通过螺栓连接。 

3.根据权利要求1所述的一种猕猴桃果实采摘机器人，其特征在于所述的五自由度采摘机械臂包括转动基座、大臂、小臂、三个直流伺服舵机和一个旋转直流电机，其中： 

所述的转动基座包括旋转直流电机和旋转机体，旋转直流电机通过螺栓连接安装在水平运动单元III的滑块上； 

所述的两指式末端执行器包括手掌I、手掌II、手指、手腕、滚珠丝杠、电机、传感器系统，其中： 

所述的手腕为矩形方块，通过舵机与小臂相连接，手腕的另一端连接手掌II； 

所述的手掌II由一块中间有通孔的方形平板和一块仿生弧形面板组成；所述的方形平板的一侧面与手腕连接，另一侧面与仿生弧形面板连接，方形平板下侧面固定一个旋转电机，旋转电机通过联轴器与通过方形平板中心孔的滚珠丝杠的圆形端面相连接；所述的滚珠丝杠上附有一滑块，与丝杠同轴方向有两个通孔，两根光杆一端分别穿过两个通孔固定在手掌II上，滑块一侧端面通过螺栓连接固定手掌I，手掌I掌面与手掌II上掌面相垂直；所述的仿生弧形面板内侧附有硅胶材料； 

所述的手掌I为一块长方形面板，面板上部固定一个步进电机，所述的手指端面为半圆形，两根手指平行，手指末端以一定间距固定安装在电机主轴上； 

所述传感器系统包括压力传感器和红外传感器；所述压力传感器安装在手掌II的仿生弧形面板内侧；所述的红外传感器安装在手掌I的上部。 

4.根据权利要求1所述的一种猕猴桃果实采摘机器人，其特征在于所述控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机驱动器、双目摄像机、红外传感器、压力传感器、电气控制柜及控制电路等； 

所述双目摄像机位于电气控制柜上平面的支架上，伺服电机驱动器及电气控制柜放置在伸缩式滑动平台一侧，工控机主机位于电气控制柜上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内。 

Images