CN203775715U - 一种果实采摘装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种果实采摘装置包括果实采摘机械装置和控制系统。果实采摘机械装置包括左机械臂、右机械臂、左末端执行器、右末端执行器、移动平台、果篮。左机械臂和右机械臂结构相同，分别安装于移动平台的左侧和右侧。左机械臂和右机械臂分别完成将左末端执行器和右末端执行器送到指定采摘点工作。左末端执行器和右末端执行器结构相同，分别安装于左机械臂和右机械臂前端。左末端执行器和右末端执行器分别完成机器人行进方向左侧和右侧果树水果获取、回收工作。控制系统完成机器人导航、行走和采摘的控制任务。本实用新型还公开了一种果实采摘装置的水果采摘方法，机械臂分采摘点进行采摘，一个采摘点可实现多个果实连续分别采摘。

Description

一种果实采摘装置

技术领域

本实用新型涉及农业采摘机器人领域，特别涉及一种果实采摘装置。

背景技术

近年来，随着我国农村经济体制改革的深入和市场经济的发展，水果产量逐年大幅度增加。水果产业在国民经济中占有重要地位。自1993年以来，中国水果产量和面积一直稳居世界首位。中国果品流通协会2010年10月统计数据显示，2009年我国水果总产量2.04亿吨，比2008年增加1240万吨，增幅6.1％。苹果、柑橘和梨年产量都在千万吨以上，三大水果产量占到园林水果产量的58％。在水果生产中，采摘作业是最耗时、最费力的一个环节，约占整个生产过程作业量的40%左右。随着社会人口老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，因此研究开发农业机器人特别是水果采摘机器人具有重要意义。

随着计算机技术、人工智能技术和自动控制技术的发展，机器人正逐步进入到农业生产领域。从20世纪80年代中期开始,西方发达国家美国、法国、日本、英国等国家，在采摘机器人的研究上做了大量的工作,试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如苹果采摘机器人、柑橘采摘机器人、葡萄采摘机器人等。我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期。虽然与发达国家还有很大差距，但是也取得了一些进展。

在水果生产实际中，采摘作业要求机器人不仅能减轻劳动强度，而且更要提高作业效率。而目前的水果采摘机器人采用单机械臂采摘，效率不高，采摘速度慢，果实的平均采摘周期较长，严重影响了水果采摘机器人的实用化。为了提高采摘机器人采摘速度，研究人员设计了各种欠驱动式末端执行器，但在采摘过程中每个果实的采摘均需要机械臂和末端执行器同时运动，并且果实回收还是需要机械臂和末端执行器来完成，每个果实的采摘周期仍旧较长。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题，针对现有技术中的单机械臂采摘，效率不高，采摘速度慢，果实的平均采摘周期较长，严重影响了水果采摘机器人的实用化。

本实用新型的目的是提供一种果实采摘装置，可以实现苹果、柑橘、梨等球形水果的高效采摘。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种果实采摘装置，包括果实采摘机械装置和控制系统，

所述果实采摘机械装置包括左机械臂、右机械臂、左末端执行器、右末端执行器、移动平台和果篮；左机械臂包括左大机械臂和左小机械臂；右机械臂包括右大机械臂和右小机械臂；左大机械臂和右大机械臂分别滑动设置在移动平台的左右两侧，左小机械臂连接左大机械臂与左末端执行器，左小机械臂和左大机械臂驱动左末端执行器采摘果实；右小机械臂连接右大机械臂与右末端执行器，右小机械臂和右大机械臂驱动右末端执行器采摘果实；果篮设置在移动平台上；

其中，左大机械臂和右大机械臂结构相同，均包括滑台、旋转基座、第一关节、下臂、第二关节、中臂、第三关节和上臂；滑台滑动设置在移动平台上，旋转基座设置在滑台上，第一关节的一端固定在旋转基座上，另一端与下臂相连；下臂通过第二关节与中臂相连，中臂通过第三关节与上臂相连；

左小机械臂和右小机械臂结构相同，均包括回转关节、上下直动臂、前后直动臂、横杆；上下直动臂通过回转关节与上臂相连；前后直动臂与上下直动臂滑动相连；横杆固定安装于上下直动臂顶端；

本实用新型中的左末端执行器和右末端执行器完成水果获取、回收工作。左末端执行器和右末端执行器结构相同，均包括采摘杯部件、果实回收管和舌型缓冲片；采摘杯部件同时与前后直动臂和果实回收管相连，果实回收管伸入到果篮内；

采摘杯部件包括采摘杯法兰、采摘杯、连接平台、推杆、推杆架、推杆主动齿轮、推杆从动齿轮、左剪切刀具、右剪切刀具、右剪切刀具主动齿轮、右剪切刀具从动齿轮、右剪切刀具轴、左剪切刀具主动齿轮、左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具轴；所述连接平台固定在采摘杯上，连接平台通过采摘杯法兰与前后直动臂法兰相连，推杆架固定在连接平台上；推杆安装于推杆架内，推杆从动齿轮镶嵌固定安装于推杆上面，推杆主动齿轮与推杆从动齿轮啮合；采摘杯的杯口设有切槽，所述右剪切刀具轴和左剪切刀具轴均安装在上述切槽内；所述右剪切刀具从动齿轮和右剪切刀具均固定安装于右剪切刀具轴上；右剪切刀具主动齿轮与右剪切刀具从动齿轮啮合；左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具均固定安装于左剪切刀具轴上；左剪切刀具主动齿轮与左剪切刀具从动齿轮啮合；采摘杯的侧壁上设有采摘杯切口，采摘杯切口与推杆相对应；

本实用新型所述的采摘杯内芯为金属材料，内外壁为硬橡胶材料。果实回收管为弹簧塑料管，内壁光滑平坦，果实回收管的一端固定于采摘杯下口，并与采摘杯相通。

本实用新型所述右剪切刀具轴和左剪切刀具轴为旋转轴；本实用新型所述的左剪切刀具和右剪切刀具由左右两个月牙形金属刀片组成，左剪切刀具和右剪切刀具分别通过左剪切刀具轴和右剪切刀具轴安装于采摘杯上端切槽内，刀片隐藏于采摘杯切槽内，刀具刃口朝向采摘杯内侧，当有果实进入采摘杯内内，并且果梗处于刀片水平面时，右剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具从动齿轮旋转分别带动右剪切刀具和左剪切刀具逆时针、顺时针旋转完成果梗的切断工作。

本实用新型中所述的移动平台用于在果园环境下自主运动，移动平台上安装果实采摘装置果实采摘机械装置和控制系统及其它有关设备。

本实用新型中所述的果篮用于收集左末端执行器和右末端执行器采摘下的水果。左末端执行器和右末端执行器采摘下的水果通过果实回收管落入果篮。果篮呈圆形，在果篮旋转伺服电机作用下旋转，避免水果在果实回收管出口处堵塞。

控制系统包括工控机、导航系统、左双目摄像机、右双目摄像机、用于控制左大机械臂和右大机械臂动作的大机械臂控制系统、用于控制左小机械臂和左末端执行器动作的左末端执行器控制系统、用于控制右小机械臂和右末端执行器动作的右末端执行器控制系统、移动平台控制器、移动平台电机驱动器、移动平台伺服电机、移动平台伺服电机编码器、果篮控制器、果篮电机驱动器和果篮旋转伺服电机；左双目摄像机和右双目摄像机分别固定在横杆上；左双目摄像机和右双目摄像机的输出端分别通过电缆与工控机相连；移动平台控制器连接工控机，移动平台控制器的输出端连接移动平台电机驱动器的输入端，移动平台电机驱动器的输出端连接移动平台伺服电机的输入端，移动平台伺服电机编码器的输出端连接移动平台控制器的输入端；果篮控制器连接工控机，果篮控制器的输出端连接果篮电机驱动器的输入端，果篮电机驱动器的输出端连接果篮旋转伺服电机的输入端，果篮旋转伺服电机驱动果篮旋转。

本实用新型所述导航系统采用机器视觉与DGPS组合式导航，包括前双目摄像机、天线和DGPS接收机；前双目摄像机固定在移动平台上，前双目摄像机的输出端通过电缆与工控机相连；DGPS接收机的输入端连接天线，DGPS接收机的输出端与工控机相连。本实用新型中所述的DGPS接收机采用现有技术中的DGPS接收机，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。当前双目摄像机检测到移动平台前进方向无障碍物时，机器人系统采用DGPS导航方式。当前双目摄像机检测到移动平台前进方向有障碍物时，机器人导航系统通过前双目摄像机检测障碍物尺寸信息和障碍物相对移动平台位置信息，工控机根据以上信息进行避障路径规划，使移动平台绕行障碍物。当移动平台绕过障碍物时，机器人导航系统转为DGPS导航方式。

本实用新型中所述的工控机为现有技术中应用于采摘机器人上的工控机，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的左双目摄像机、右双目摄像机和前双目摄像机均为现有技术中的双目摄像机，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型所述大机械臂控制系统，包括运动控制器、左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统；左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统的结构相同，均包括滑台电机驱动器、滑台伺服电机、滑台伺服电机编码器、旋转基座电机驱动器、旋转基座伺服电机、旋转基座伺服电机编码器、第一关节电机驱动器、第一关节伺服电机、第一关节伺服电机编码器、第二关节电机驱动器、第二关节伺服电机、第二关节伺服电机编码器、第三关节电机驱动器、第三关节伺服电机、第三关节伺服电机编码器；

滑台电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，滑台电机驱动器的输出端与滑台伺服电机的输入端相连，滑台伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机相连；

旋转基座电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，旋转基座电机驱动器的输出端与旋转基座伺服电机的输入端相连，旋转基座伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机相连；

第一关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第一关节电机驱动器的输出端与第一关节伺服电机的输入端相连，第一关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机相连；

第二关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第二关节电机驱动器的输出端与第二关节伺服电机的输入端相连，第二关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机相连；

第三关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第三关节电机驱动器的输出端与第三关节伺服电机的输入端相连，第三关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机相连。

本实用新型所述的运动控制器为现有技术中的运动控制器，具体结构本实用新型不做详细的说明。

本实用新型所述的滑台电机驱动器、旋转基座电机驱动器、第一关节电机驱动器、第二关节电机驱动器和第三关节电机驱动器均为现有技术中的电机驱动器，其具体结构本实用新型不做详细的说明。

本实用新型所述的滑台伺服电机、旋转基座伺服电机、第一关节伺服电机、第二关节伺服电机和第三关节伺服电机均为现有技术中的伺服电机，其具体结构本实用新型不做详细的说明。

本实用新型所述的滑台伺服电机编码器、旋转基座伺服电机编码器、第一关节伺服电机编码器、第二关节伺服电机编码器和第三关节伺服电机编码器均为现有技术中的伺服电机编码器，其具体结构本实用新型不做详细的说明。

本实用新型所述的左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统，分别用于控制左小机械臂、左末端执行器的动作和右小机械臂、右末端执行器的动作，本实用新型所述的左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统的结构相同，均包括末端执行器控制器、回转关节电机驱动器、回转关节伺服电机、回转关节伺服电机编码器、上下直动臂电机驱动器、上下直动臂伺服电机、上下直动臂伺服电机编码器、前后直动臂电机驱动器、前后直动臂伺服电机、前后直动臂伺服电机编码器、不少于一个的上位置传感器、中位置传感器、下位置传感器、压力传感器、推杆电机驱动器、推杆电机、左剪切刀具电机驱动器、左剪切刀具电机、右剪切刀具电机驱动器、右剪切刀具电机。

本实用新型中所述的末端执行器控制器为现有技术中的控制器，其具体结构本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的末端执行器回转关节电机驱动器、推杆电机驱动器、左剪切刀具电机驱动器、右剪切刀具电机驱动器、上下直动臂电机驱动器和前后直动臂电机驱动器均为现有技术中的电机驱动器，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的末端执行器回转关节伺服电机、末端执行器上下直动臂伺服电机和末端执行器前后直动臂伺服电机均为现有技术中的伺服电机，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的末端执行器回转关节伺服电机编码器、末端执行器上下直动臂伺服电机编码器和末端执行器前后直动臂伺服电机编码器均为现有技术中的伺服电机编码器，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的上位置传感器、中位置传感器和下位置传感器均采用现有技术中的对射式光电传感器，包括信号发送部件和信号接收部件，信号发送部件镶嵌安装于采摘杯内壁一侧，信号接收部件镶嵌安装于采摘杯内壁相对另一侧，信号发送部件和信号接收部件安装高度相同。两个上位置传感器同水平面安装在采摘杯上的切槽的下方接近采摘杯上的切槽。所述下位置传感器位于采摘杯与果实回收管连接处上方接近果实回收管连接处。所述中位置传感器位于上位置传感器的下方和下位置传感器上方。上位置传感器、中位置传感器和下位置传感器的输出端分别通过电缆与末端执行器控制器相连；压力传感器安装在位于采摘杯侧的推杆的前端头，压力传感器通过电缆与末端执行器控制器相连。

本实用新型中所述的压力传感器为现有技术中的压力传感器，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的推杆电机、左剪切刀具电机和右剪切刀具电机均为现有技术中的电机，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的左剪切刀具电机驱动器和右剪切刀具电机驱动器为现有技术中的电机驱动器，其具体结构和工作过程本实用新型不作详细的说明。

本实用新型中所述的末端执行器控制器连接工控机，末端执行器回转关节电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器回转关节电机驱动器的输出端与末端执行器回转关节伺服电机的输入端相连，末端执行器回转关节伺服电机编码器能够检测末端执行器回转关节伺服电机旋转角度位移量，末端执行器回转关节伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器上下直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器上下直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器上下直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器上下直动臂伺服电机编码器能够检测末端执行器上下直动臂伺服电机旋转角度位移量，末端执行器上下直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器前后直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器前后直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器前后直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器前后直动臂伺服电机编码器能够检测末端执行器前后直动臂伺服电机旋转角度位移量，末端执行器前后直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；

本实用新型中所述的推杆电机驱动器的输入端连接末端执行器控制器的输出端，推杆电机驱动器的输出端连接推杆电机，推杆主动齿轮安装于推杆电机轴上，推杆电机旋转，带动推杆主动齿轮旋转，推杆主动齿轮旋转通过推杆从动齿轮驱动推杆朝向采摘杯切口运动；推杆向前推动挤压固定果实，压力传感器检测推杆挤压果实力的大小，压力足以使果实固定而又不损坏果实；左剪切刀具和右剪切刀具分别在左剪切刀具电机和右剪切刀具电机作用下旋转，切断果梗，推杆向后运动，松开果实，果实自动落入果实回收管，并在重力作用下滚落入果篮，下位置传感器检测确认果实从采摘杯落入果实回收管，完成一个果实的采摘、回收。

本实用新型中所述的左剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，左剪切刀具电机驱动器的输出端与左剪切刀具电机的输入端相连；右剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，右剪切刀具电机驱动器的输出端与右剪切刀具电机的输入端相连。

本实用新型所述舌型缓冲片设置在果实回收管内。本实用新型所述的舌型缓冲片的内层为弹性金属材料，外层为橡胶材料，每3个一组空间呈120°角度分布安装于果实回收管内壁同一高度，舌型缓冲片的一端固定另一端向下倾斜。

本实用新型与现有技术相比的优点：

（1）采摘机器人为双机械臂和双末端执行器，左大机械臂、左小机械臂和左末端执行器负责机器人行进方向左侧果树水果采摘，右大机械臂、右小机械臂和右末端执行器负责机器人行进方向右侧果树水果采摘，实现了行进方向左右两侧果树水果同时采摘，果实的平均采摘周期短，采摘效率高。

（2）在水果采摘过程中，机械臂分采摘点进行采摘，一个采摘点实现多个果实连续采摘，相比现有采摘机器人减少了采摘过程中机械臂运转花费的时间，提高了工作效率。

（3）末端执行器采用杯型设计，提高了采摘速度。另一方面采摘杯可实现多种水果采摘，末端执行器通用性好。

（4）在水果采摘过程中，双末端执行器获取果实剪断果梗后由果实回收管直接回收果实，不需要机械臂和末端执行器回收果实，减少了每个果实的采摘时间，提高了采摘速度。果实回收管内壁平坦，采用橡胶材料，并且安装缓冲片，保护果实，减少果实在下滑回收过程中由于挤碰和划擦引起的损伤。

附图说明

图1是果实采摘机械装置的侧面结构示意图。

图2是采摘杯部件的结构示意图。

图3是机器人控制系统示意图。

图4是末端执行器控制系统示意图

图5是左大机械臂采摘果实流程图。

其中，1为移动平台，2为右大机械臂，3为右小机械臂，4为右末端执行器，5为左大机械臂，6为左小机械臂，7为左末端执行器，8为滑台，9为旋转基座，10为第一关节，11为下臂，12为第二关节，13为中臂，14为第三关节，15为上臂，16为上下直动臂，17为横杆，18为回转关节，19为右双目摄像机，20为前后直动臂，21为前后直动臂法兰，22为采摘杯部件，23为果实回收管，24为舌型缓冲片，25为工控机，26为天线，27为左双目摄像机，28为前双目摄像机，29为采摘杯法兰，30为推杆架，31为推杆主动齿轮，32为推杆从动齿轮，33为右剪切刀具主动齿轮，34为右剪切刀具从动齿轮，35为右剪切刀具轴，36为连接平台，37为推杆，38为推杆电机，39为切槽，40为上位置传感器，41为中位置传感器，42为下位置传感器，43为左剪切刀具，44为右剪切刀具，45为采摘杯切口，46为左剪切刀具电机，47为右剪切刀具电机，48为压力传感器，49为采摘杯。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图5和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的果实采摘装置，包括果实采摘机械装置和控制系统。如图1所示，果实采摘机械装置包括左机械臂、右机械臂、左末端执行器7、右末端执行器4、移动平台1和果篮；左机械臂包括左大机械臂5和左小机械臂6；右机械臂包括右大机械臂2和右小机械臂3；

左机械臂、右机械臂分别完成将左末端执行器7、右末端执行器4送到指定采摘点工作。左大机械臂5和右大机械臂2分别滑动设置在移动平台1的左右两侧，左小机械臂6连接左大机械臂5与左末端执行器7，左小机械臂6和左大机械臂5驱动左末端执行器7采摘果实；右小机械臂3连接右大机械臂2与右末端执行器4，右小机械臂3和右大机械臂2驱动右末端执行器4采摘果实；果篮设置在移动平台1上。

如图1所示，左大机械臂5和右大机械臂2结构相同，均包括滑台8、旋转基座9、第一关节10、下臂11、第二关节12、中臂13、第三关节14和上臂15；滑台8滑动设置在移动平台1上，旋转基座9设置在滑台8上，第一关节10的一端固定在旋转基座9上，另一端与下臂11相连；下臂11通过第二关节12与中臂13相连，中臂13通过第三关节14与上臂15相连。

左小机械臂6和右小机械臂3结构相同，均包括回转关节18、上下直动臂16、前后直动臂20、横杆17；上下直动臂16通过回转关节18与上臂15相连；前后直动臂20与上下直动臂16滑动相连；横杆17固定安装于上下直动臂16顶端。

如图1、图2所示，左末端执行器7和右末端执行器4完成水果获取、回收工作。所述左末端执行器7和右末端执行器4结构相同，均包括采摘杯部件22、果实回收管23和舌型缓冲片24；采摘杯部件22同时与前后直动臂20和果实回收管23相连，果实回收管23伸入到果篮内；

采摘杯部件包括采摘杯法兰29、采摘杯49、连接平台36、推杆37、推杆架30、推杆主动齿轮31、推杆从动齿轮32、左剪切刀具43、右剪切刀具44、右剪切刀具主动齿轮33、右剪切刀具从动齿轮34、右剪切刀具轴35、左剪切刀具主动齿轮、左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具轴；连接平台36固定在采摘杯49上，连接平台36通过采摘杯法兰29与前后直动臂法兰21相连，推杆架30固定在连接平台36上；推杆37安装于推杆架30内，推杆从动齿轮32镶嵌固定安装于推杆37上面，推杆主动齿轮31与推杆从动齿轮32啮合；采摘杯49的杯口设有切槽39，右剪切刀具轴35和左剪切刀具轴均安装在上述切槽39内；右剪切刀具从动齿轮34和右剪切刀具44均固定安装于右剪切刀具轴35上；右剪切刀具主动齿轮33与右剪切刀具从动齿轮34啮合；所述左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具43均固定安装于左剪切刀具轴上；左剪切刀具主动齿轮与左剪切刀具从动齿轮啮合；采摘杯49的侧壁上设有采摘杯切口45，采摘杯切口45与推杆37相对应。本实用新型所述的舌型缓冲片24设置在果实回收管23内。舌型缓冲片24的内层为弹性金属材料，外层为橡胶材料，每3个一组空间呈120°角度分布安装于果实回收管内壁同一高度，一端固定另一端向下倾斜。

如图3所示，控制系统包括工控机25、导航系统、左双目摄像机27、右双目摄像机19、用于控制左大机械臂5和右大机械臂2动作的大机械臂控制系统、用于控制左小机械臂6和左末端执行器7动作的左末端执行器控制系统、用于控制右小机械臂3和右末端执行器4动作的右末端执行器控制系统、移动平台控制器、移动平台电机驱动器、移动平台伺服电机、移动平台伺服电机编码器、果篮控制器、果篮电机驱动器和果篮旋转伺服电机；

左双目摄像机27和右双目摄像机19分别通过横杆17安装在上下直动壁16上；左双目摄像机27和右双目摄像机19的输出端分别通过电缆与工控机25相连；移动平台控制器与工控机25连接，移动平台控制器的输出端连接移动平台电机驱动器的输入端，移动平台电机驱动器的输出端连接移动平台伺服电机的输入端，移动平台伺服电机编码器的输出端连接移动平台控制器的输入端；果篮控制器的连接工控机，果篮控制器的输出端连接果篮电机驱动器的输入端，果篮电机驱动器的输出端连接果篮旋转伺服电机的输入端，果篮旋转伺服电机驱动果篮旋转。

控制系统的工作过程为：工控机通过给移动平台控制器发送行进、停止和有关避障信息，移动平台控制器通过移动平台电机驱动器控制移动平台伺服电机实现移动平台的行进、停止和避障。当移动平台停止，大机械臂控制系统、左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统进行采摘作业；在大机械臂控制系统、左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统作业时，工控机25发送信息给果篮控制器，果篮控制器通过果篮电机驱动器控制果篮旋转伺服电机，实现果篮旋转，使果实回收管中的果实流畅地进入果篮，避免水果在果实回收管出口处堵塞。

导航系统采用机器视觉与DGPS组合式导航，包括前双目摄像机28、天线26和DGPS接收机；前双目摄像机28固定在移动平台1上，前双目摄像机28的输出端通过电缆与工控机25相连；DGPS接收机的输入端连接天线26，DGPS接收机的输出端与工控机25相连。

本实用新型所述大机械臂控制系统，包括运动控制器、左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统；左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统的结构相同均包括滑台电机驱动器、滑台伺服电机、滑台伺服电机编码器、旋转基座电机驱动器、旋转基座伺服电机、旋转基座伺服电机编码器、第一关节电机驱动器、第一关节伺服电机、第一关节伺服电机编码器、第二关节电机驱动器、第二关节伺服电机、第二关节伺服电机编码器、第三关节电机驱动器、第三关节伺服电机、第三关节伺服电机编码器；

滑台电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，滑台电机驱动器的输出端与机械臂滑台伺服电机的输入端相连，滑台伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机25相连；

旋转基座电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，旋转基座电机驱动器的输出端与旋转基座伺服电机的输入端相连，旋转基座伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机25相连；

第一关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第一关节电机驱动器的输出端与第一关节伺服电机的输入端相连，第一关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机25相连；

第二关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第二关节电机驱动器的输出端与第二关节伺服电机的输入端相连，第二关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器通与工控机25相连；

第三关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第三关节电机驱动器的输出端与第三关节伺服电机的输入端相连，第三关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机25相连。

如图3、图4所示，左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统，用于控制左小机械臂、左末端执行器的动作和右小机械臂、右末端执行器的动作，本实用新型所述的左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统的结构相同，均包括末端执行器控制器、回转关节电机驱动器、回转关节伺服电机、回转关节伺服电机编码器、上下直动臂电机驱动器、上下直动臂伺服电机、上下直动臂伺服电机编码器、前后直动臂电机驱动器、前后直动臂伺服电机、前后直动臂伺服电机编码器、上位置传感器40、中位置传感器41、下位置传感器42、压力传感器48、推杆电机驱动器、推杆电机38、左剪切刀具电机驱动器、左剪切刀具电机46、右剪切刀具电机驱动器、右剪切刀具电机47。

末端执行器控制器连接工控机25，末端执行器回转关节电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器回转关节电机驱动器的输出端与末端执行器回转关节伺服电机的输入端相连，末端执行器回转关节伺服电机编码器能够检测末端执行器回转关节伺服电机旋转角度位移量，末端执行器回转关节伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器上下直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器上下直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器上下直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器上下直动臂伺服电机编码器能够检测末端执行器上下直动臂伺服电机旋转角度位移量，末端执行器上下直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器前后直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器前后直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器前后直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器前后直动臂伺服电机编码器能够检测末端执行器前后直动臂伺服电机旋转角度位移量，末端执行器前后直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端。

推杆电机驱动器的输入端连接末端执行器控制器的输出端，推杆电机驱动器的输出端连接推杆电机38，推杆主动齿轮31安装于推杆电机38轴上，推杆电机38旋转，带动推杆主动齿轮31旋转，推杆主动齿轮31旋转通过推杆从动齿轮32推动推杆37向前挤压固定果实，压力传感器48检测推杆挤压果实力的大小，压力足以使果实固定而又不损坏果实；左剪切刀具和右剪切刀具分别在左剪切刀具电机和右剪切刀具电机作用下旋转，切断果梗，推杆向后运动，松开果实，果实自动落入果实回收管，并在重力作用下滚落入果篮，下位置传感器检测确认果实从采摘杯落入果实回收管，完成一个果实的采摘、回收。

左剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，左剪切刀具电机驱动器的输出端与左剪切刀具电机的输入端相连；右剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，右剪切刀具电机驱动器的输出端与右剪切刀具电机的输入端相连。

上位置传感器40、中位置传感器41和下位置传感器42均包括信号发送部件和信号接收部件，信号发送部件镶嵌安装于采摘杯49的内壁一侧，信号接收部件镶嵌安装于采摘杯49的内壁相对另一侧，信号发送部件和信号接收部件安装高度相同。本实用新型中所述的上位置传感器、中位置传感器和下位置传感器均采用现有技术中的对射式光电传感器，包括信号发送部件和信号接收部件，信号发送部件镶嵌安装于采摘杯内壁一侧，信号接收部件镶嵌安装于采摘杯内壁相对另一侧，信号发送部件和信号接收部件安装高度相同。两个上位置传感器同水平面安装在采摘杯上的切槽39的下方接近采摘杯上的切槽39。所述下位置传感器位于采摘杯与果实回收管23连接处上方接近果实回收管23连接处。所述中位置传感器41位于上位置传感器40的下方和下位置传感器42上方。上位置传感器、中位置传感器和下位置传感器的输出端分别通过电缆与末端执行器控制器相连；压力传感器48安装在位于采摘杯侧的推杆37的前端头。

一种采用果实采摘装置进行水果采摘的方法，本实用新型所述果实采摘装置采摘方法技术方案为：

左大机械臂、左小机械臂、左末端执行器和左双目摄像机组成的左采摘部件完成移动平台行进方向左侧果树水果收获。右大机械臂、右小机械臂、右末端执行器和右双目摄像机组成的右采摘部件完成移动平台行进方向右侧果树水果收获。收获作业分两步完成，第一步，左采摘部件运动至移动平台左前方进行左前方果树水果收获；同时，右采摘部件运动至移动平台右后方进行右后方果树水果收获；第二步，上述采摘作业完成后，左采摘部件运动至移动平台左后方进行左后前方果树水果收获；同时，右采摘部件运动至移动平台右前方进行右前方果树水果收获。

左采摘部件、右左采摘部件的水果采摘方法的步骤相同，左采摘部件的采摘方法包括以下步骤：

1）左大机械臂复位到初始位置；

2）左双目摄像机采集果树图像，并将图像传输给工控机；

3）工控机对果树图像进行处理，完成果实识别与定位；

根据颜色特征，并结合果实纹理和形状特征完成目标果实与背景分离，获取果实双目图像坐标，根据三角测量原理获得目标果实世界坐标系下坐标；世界坐标系确定如下：取左双目摄像机两镜头中心连线向右为X轴正方向，连线中点为世界坐标系原点，垂直于X轴所在的水平面向上为Y轴正方向，Z轴正方向为垂直于X和Y轴所在平面离开左双目摄像机指向果树方向；世界坐标系确立后，计算各果实在世界坐标系下的坐标值P_i(X_i，Y_i，Z_i)；

4）根据步骤3中各果实在世界坐标系下的坐标值确定左大机械臂各采摘点及各采摘点所属果实；确定方法如下：

设左小机械臂的上下直动臂长度为a，前后直动臂长度为b，Y_max、Y_min分别为各果实Y坐标的最大值和最小值，取的整数z，则左大机械臂采摘点数k=z；

左大机械臂第一采摘点位置坐标为C₁[0，(Y_min-αh)，(Z_max-βb)]，其中h为果实最大高度，Z_max为各果实Z坐标的最大值，系数α>0，β>0；左大机械臂第二采摘点位置坐标为C₂[0，（Y_min+a-αh），(Z_max-βb)]，左大机械臂第j采摘点位置坐标为C_j[0，（Y_min+(j-1)a-αh），(Z_max-βb)]。

根据各果实Y坐标值确定左大机械臂各采摘点果实；若Y_i-Y_min<a，则该果实属于第一采摘点，若a≤Y_i-Y_min<2a，则该果实属于第二采摘点，若2a≤Y_i-Y_min<3a，则该果实属于第三采摘点，以此类推；

5）左大机械臂旋转至第一采摘点，左小机械臂与左末端执行器进行采摘；具体的采摘步骤为：1、取该采摘点各果实坐标值，按照自下而上的原则取捷径确定果实采摘顺序、规划采摘路径；2、计算左小机械臂电机运行参数，启动左小机械臂与左末端执行器进行果实采摘；3、左小机械臂与左末端执行器采摘果实时采摘杯自下而上套获果实，上位置传感器和中位置传感器检测确认果实进入采摘杯；4、当上位置传感器中有一个或两个传感器失去果实检测信号时，确定果实果梗处于左剪切刀具和右剪切刀具工作位置，推杆向前推动挤压固定果实，压力传感器检测推杆挤压果实力的大小，压力足以使果实固定而又不损坏果实；左剪切刀具和右剪切刀具分别在左剪切刀具电机和右剪切刀具电机作用下旋转，切断果梗，推杆向后运动，松开果实，果实自动落入果实回收管，并在重力作用下滚落入果篮，下位置传感器检测确认果实从采摘杯落入果实回收管，完成一个果实的采摘、回收；5、进行下一个果实采摘。

6）第一采摘点的果实采摘完毕后，左大机械臂旋至下一采摘点，重复步骤5）中采摘过程进行该采摘点果实采摘；

7）当完成所有采摘点果实采摘后，左大机械臂返回初始位置。

右采摘部件的采摘方法步骤与左采摘部件的采摘方法步骤相同：

1）右大机械臂复位到初始位置；

2）右双目摄像机采集果树图像，并将图像传输给工控机；

3）工控机对果树图像进行处理，完成果实识别与定位；

根据颜色特征，并结合果实纹理和形状特征完成目标果实与背景分离，获取果实双目图像坐标，根据三角测量原理获得目标果实世界坐标系下坐标；世界坐标系确定如下：取右双目摄像机两镜头中心连线向右为X轴正方向，连线中点为世界坐标系原点，垂直于X轴所在的水平面向上为Y轴正方向，Z轴正方向为垂直于X和Y轴所在平面离开右双目摄像机指向果树方向；世界坐标系确立后，计算各果实在世界坐标系下的坐标值P_i(X_i，Y_i，Z_i)；

4）根据步骤3中各果实在世界坐标系下的坐标值确定右大机械臂各采摘点及各采摘点所属果实；确定方法如下：

设右小机械臂的上下直动臂长度为a，前后直动臂长度为b，Y_max、Y_min分别为各果实Y坐标的最大值和最小值，取的整数z，则右大机械臂采摘点数k=z；

右大机械臂第一采摘点位置坐标为C₁[0，(Y_min-αh)，(Z_max-βb)]，其中h为果实最大高度，Z_max为各果实Z坐标的最大值，系数α>0，β>0；右大机械臂第二采摘点位置坐标为C₂[0，（Y_min+a-αh），(Z_max-βb)]，右大机械臂第j采摘点位置坐标为C_j[0，（Y_min+(j-1)a-αh），(Z_max-βb)]。

根据各果实Y坐标值确定右大机械臂各采摘点果实；若Y_i-Y_min<a，则该果实属于第一采摘点，若a≤Y_i-Y_min<2a，则该果实属于第二采摘点，若2a≤Y_i-Y_min<3a，则该果实属于第三采摘点，以此类推；

5）右大机械臂旋转至第一采摘点，右小机械臂与右末端执行器进行采摘；具体的采摘步骤为：1、取该采摘点各果实坐标值，按照自下而上的原则取捷径确定果实采摘顺序、规划采摘路径；2、计算右小机械臂电机运行参数，启动右小机械臂与右末端执行器进行果实采摘；3、右小机械臂与右末端执行器采摘果实时采摘杯自下而上套获果实，上位置传感器和中位置传感器检测确认果实进入采摘杯；4、当上位置传感器中有一个或两个传感器失去果实检测信号时，确定果实果梗处于左剪切刀具和右剪切刀具工作位置，推杆向前推动挤压固定果实，压力传感器检测推杆挤压果实力的大小，压力足以使果实固定而又不损坏果实；左剪切刀具和右剪切刀具分别在左剪切刀具电机和右剪切刀具电机作用下旋转，切断果梗，推杆向后运动，松开果实，果实自动落入果实回收管，并在重力作用下滚落入果篮，下位置传感器检测确认果实从采摘杯落入果实回收管，完成一个果实的采摘、回收；5、进行下一个果实采摘。

6）第一采摘点的果实采摘完毕后，右大机械臂旋至下一采摘点，重复步骤5）中采摘过程进行该采摘点果实采摘；

7）当完成所有采摘点果实采摘后，右大机械臂返回初始位置。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种果实采摘装置，包括果实采摘机械装置和控制系统，其特征在于，

所述果实采摘机械装置包括左机械臂、右机械臂、左末端执行器（7）、右末端执行器（4）、移动平台（1）和果篮；左机械臂包括左大机械臂（5）和左小机械臂（6）；右机械臂包括右大机械臂（2）和右小机械臂（3）；左大机械臂（5）和右大机械臂（2）分别滑动设置在移动平台（1）的左右两侧，左小机械臂（6）连接左大机械臂（5）与左末端执行器（7），左小机械臂（6）和左大机械臂（5）驱动左末端执行器（7）采摘果实；右小机械臂（3）连接右大机械臂（2）与右末端执行器（4），右小机械臂（3）和右大机械臂（2）驱动右末端执行器（4）采摘果实；果篮设置在移动平台（1）上；

其中，所述左大机械臂（5）和右大机械臂（2）结构相同，均包括滑台（8）、旋转基座（9）、第一关节（10）、下臂（11）、第二关节（12）、中臂（13）、第三关节（14）和上臂（15）；滑台（8）滑动设置在移动平台（1）上，旋转基座（9）设置在滑台（8）上，第一关节（10）的一端固定在旋转基座（9）上，另一端与下臂（11）相连；下臂（11）通过第二关节（12）与中臂（13）相连，中臂（13）通过第三关节（14）与上臂（15）相连；

所述左小机械臂（6）和右小机械臂（3）结构相同，均包括回转关节（18）、上下直动臂（16）、前后直动臂（20）、横杆（17）和前后直动臂法兰（21）；上下直动臂（16）通过回转关节（18）与上臂（15）相连；前后直动臂（20）与上下直动臂（16）滑动相连；横杆（17）固定安装于上下直动臂（16）顶端；前后直动臂法兰（21）固定安装于前后直动臂（20）上；

所述左末端执行器（7）和右末端执行器（4）结构相同，均包括采摘杯部件（22）、果实回收管（23）和舌型缓冲片（24）；采摘杯部件（22）同时与前后直动臂（20）和果实回收管（23）相连，果实回收管（23）伸入到果篮内；

所述采摘杯部件包括采摘杯法兰（29）、采摘杯（49）、连接平台（36）、推杆（37）、推杆架（30）、推杆主动齿轮（31）、推杆从动齿轮（32）、左剪切刀具（43）、右剪切刀具（44）、右剪切刀具主动齿轮（33）、右剪切刀具从动齿轮（34）、右剪切刀具轴（35）、左剪切刀具主动齿轮、左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具轴；所述连接平台（36）固定在采摘杯（49）上，连接平台（36）通过采摘杯法兰（29）与前后直动臂法兰（21）相连，所述推杆架（30）固定在连接平台（36）上；推杆（37）安装于推杆架（30）内，推杆从动齿轮（32）镶嵌固定安装于推杆（37）上面，推杆主动齿轮（31）与推杆从动齿轮（32）啮合；所述采摘杯（49）的杯口设有切槽（39），所述右剪切刀具轴（35）和左剪切刀具轴均安装在上述切槽（39）内；所述右剪切刀具从动齿轮（34）和右剪切刀具（44）均固定安装于右剪切刀具轴（35）上；所述右剪切刀具主动齿轮（33）与右剪切刀具从动齿轮（34）啮合；所述左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具（43）均固定安装于左剪切刀具轴上；所述左剪切刀具主动齿轮与左剪切刀具从动齿轮啮合；所述采摘杯（49）的侧壁上设有采摘杯切口（45），所述采摘杯切口（45）与推杆（37）相对应；

所述控制系统包括工控机（25）、导航系统、左双目摄像机（27）、右双目摄像机（19）、用于控制左大机械臂（5）和右大机械臂（2）动作的大机械臂控制系统、用于控制左小机械臂（6）和左末端执行器（7）动作的左末端执行器控制系统、用于控制右小机械臂（3）和右末端执行器（4）动作的右末端执行器控制系统、移动平台控制器、移动平台电机驱动器、移动平台伺服电机、移动平台伺服电机编码器、果篮控制器、果篮电机驱动器和果篮旋转伺服电机；所述左双目摄像机（27）和右双目摄像机（19）分别固定在横杆（17）上；左双目摄像机（27）和右双目摄像机（19）的输出端分别通过电缆与工控机（25）相连；移动平台控制器连接工控机（25），移动平台控制器的输出端连接移动平台电机驱动器的输入端，移动平台电机驱动器的输出端连接移动平台伺服电机的输入端，移动平台伺服电机编码器的输出端连接移动平台控制器的输入端；果篮控制器连接工控机（25），果篮控制器的输出端连接果篮电机驱动器的输入端，果篮电机驱动器的输出端连接果篮旋转伺服电机的输入端，果篮旋转伺服电机驱动果篮旋转。

2.如权利要求1所述的果实采摘装置，其特征在于，所述大机械臂控制系统，包括运动控制器、左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统；左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统的结构相同，均包括滑台电机驱动器、滑台伺服电机、滑台伺服电机编码器、旋转基座电机驱动器、旋转基座伺服电机、旋转基座伺服电机编码器、第一关节电机驱动器、第一关节伺服电机、第一关节伺服电机编码器、第二关节电机驱动器、第二关节伺服电机、第二关节伺服电机编码器、第三关节电机驱动器、第三关节伺服电机、第三关节伺服电机编码器；

滑台电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，滑台电机驱动器的输出端与滑台伺服电机的输入端相连，滑台伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机（25）相连；

旋转基座电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，旋转基座电机驱动器的输出端与旋转基座伺服电机的输入端相连，旋转基座伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机（25）相连；

第一关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第一关节电机驱动器的输出端与第一关节伺服电机的输入端相连，第一关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机（25）相连；

第二关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第二关节电机驱动器的输出端与第二关节伺服电机的输入端相连，第二关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机（25）相连；

第三关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连，第三关节电机驱动器的输出端与第三关节伺服电机的输入端相连，第三关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连，运动控制器与工控机（25）相连。

3.如权利要求1所述的果实采摘装置，其特征在于，所述左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统的结构相同，均包括末端执行器控制器、回转关节电机驱动器、回转关节伺服电机、回转关节伺服电机编码器、上下直动臂电机驱动器、上下直动臂伺服电机、上下直动臂伺服电机编码器、前后直动臂电机驱动器、前后直动臂伺服电机、前后直动臂伺服电机编码器、不少于一个的上位置传感器（40）、中位置传感器（41）、下位置传感器（42）、压力传感器（48）、推杆电机驱动器、推杆电机（38）、左剪切刀具电机驱动器、左剪切刀具电机（46）、右剪切刀具电机驱动器、右剪切刀具电机(47)；

末端执行器控制器连接工控机（25），末端执行器回转关节电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器回转关节电机驱动器的输出端与末端执行器回转关节伺服电机的输入端相连，末端执行器回转关节伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器上下直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器上下直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器上下直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器上下直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；末端执行器前后直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，末端执行器前后直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器前后直动臂伺服电机的输入端相连，末端执行器前后直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端；

推杆电机驱动器的输入端连接末端执行器控制器的输出端，推杆电机驱动器的输出端连接推杆电机（38），推杆主动齿轮（31）安装于推杆电机（38）轴上，推杆电机（38）旋转，带动推杆主动齿轮（31）旋转，推杆主动齿轮（31）旋转通过推杆从动齿轮（32）驱动推杆（37）朝向采摘杯切口（45）运动；

左剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，左剪切刀具电机驱动器的输出端与左剪切刀具电机的输入端相连；右剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连，右剪切刀具电机驱动器的输出端与右剪切刀具电机的输入端相连；

所述上位置传感器（40）、中位置传感器（41）和下位置传感器（42）分别安装在采摘杯（49）的侧壁上，上位置传感器（40）、中位置传感器（41）和下位置传感器（42）的输出端分别通过电缆与末端执行器控制器相连；压力传感器（48）安装在位于采摘杯侧的推杆（37）的前端，压力传感器（48）通过电缆与末端执行器控制器相连。

4.如权利要求3所述的果实采摘装置，其特征在于，所述上位置传感器的数量为二；所述两个上位置传感器同水平面安装在采摘杯的侧壁上；所述上位置传感器位于采摘杯上的切槽（39）的下方。

5.如权利要求1所述的果实采摘装置，其特征在于，所述缓冲片（24）设置在位于采摘杯（22）一侧的果实回收管（23）内。