CN207399895U - 基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，包括草莓收纳筐、控制机构、与控制机构电连接的行走机构、三自由度移动机构、柔性末端执行器、视觉识别机构；所述三自由度移动机构包括X轴直线滑轨、Y轴直线滑轨、Z轴直线滑轨，所述草莓收纳筐安装在行走机构上方，三自由度移动机构安装在草莓收纳筐上方，所述柔性末端执行器安装在Z轴直线滑轨上，所述视觉识别机构与柔性末端执行器并排连接。本实用新型结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低，采摘与剪切时对草莓造成损伤的机率很小，实现垄作草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率及采摘质量，减少了人力成本。

Description

基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及草莓采摘技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人。

背景技术

现阶段，国内外草莓种植面积急剧增加，草莓产量也随之增加，但草莓有其独特的生长方式，由于果实的不定期成熟，就需要人工不定时地进行判断和收获，但不同的人在判断草莓成熟度上存在差异，造成收获后草莓的等级差异大，而且，人工采摘草莓的劳动强度和作业量也非常大，用于生产草莓的劳动力日趋紧张。然而现有草莓采摘机存在自动化程度高、性价比低、结构复杂、采摘时易损伤草莓等问题。

因此亟需提供一种新型的垄作栽培式草莓采摘机器人来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，基于机器视觉的成熟草莓识别技术，能够准确、高效地完成垄作栽培式草莓的采摘作业。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，包括行走机构、三自由度移动机构、柔性末端执行器、视觉识别机构、草莓收纳筐、控制机构；

所述三自由度移动机构主要包括X轴直线滑轨、Y轴直线滑轨、Z轴直线滑轨，所述草莓收纳筐安装在行走机构上方，三自由度移动机构安装在草莓收纳筐上方，所述柔性末端执行器安装在Z轴直线滑轨上，所述视觉识别机构与柔性末端执行器并排连接，所述控制机构分别与行走机构、三自由度移动机构、柔性末端执行器、视觉识别机构电连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述行走机构主要包括底盘、橡胶履带、直流电机，所述橡胶履带分别安装在底盘的四角处，所述直流电机安装在履带的一侧，保持行走机构具有一定的移动速度。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述三自由度移动机构还包括固定底座、辅助直线滑轨、辅助转接板、滑块转接板，辅助直线滑轨固定在所述草莓收纳筐上；

所述X轴直线滑轨、Y轴直线滑轨、Z轴直线滑轨的结构相同，均包括滑块、步进电机、同步带、同步带轮，滑块安装在同步带上，同步带轮安装在同步带的两端，步进电机安装在同步带的一端，用于驱动同步带的转动；

所述X轴直线滑轨通过固定底座固定安装在草莓收纳筐上；所述Y轴直线滑轨的一端通过固定底座固定安装在X轴直线滑轨的滑块上、另一端通过辅助转接板与辅助直线滑轨滑动配合，实现Y轴直线滑轨在水平方向上的移动；所述Z轴直线滑轨通过固定底座固定安装在滑块转接板上，所述滑块转接板固定安装在Y轴直线滑轨的滑块上。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述柔性末端执行器主要包括夹持机构、剪切机构、执行连接板、连接杆；

所述夹持机构主要包括夹持转接板、第一伺服驱动器、两个机械爪、柔性夹持板，夹持转接板的上部安装在执行连接板的内侧，第一伺服驱动器安装在夹持转接板的外侧，两个机械爪活动连接在夹持转接板的内侧、并与第一伺服驱动器对应连接，柔性夹持板分别安装在机械爪的内侧面；

所述剪切机构主要包括剪切转接板、第二伺服驱动器、刀片安装架、刀片辅助架、刀片，剪切转接板的上部安装在执行连接板的外侧，第二伺服驱动器安装在剪切转接板的外侧，刀片安装架、刀片辅助架活动连接在剪切转接板的内侧、并与第二伺服驱动器对应连接，刀片安装在刀片安装架上，刀片辅助架设置有刀槽；

所述连接杆的一端与执行连接板连接、另一端与Z轴直线滑轨连接，实现柔性末端执行器在Z轴上的移动。

进一步的，所述连接杆包括横向转接板、纵向转接板，横向转接板与纵向转接板均呈L型，横向转接板的一端与Z轴直线滑轨的滑块固定连接、另一端与纵向转接板的一端垂直固定连接，纵向转接板的另一端与执行转接板固定连接。

进一步的，所述视觉识别机构主要包括图像识别相机、超声波测距传感器，所述图像识别相机活动连接在执行连接板的前端，用于对草莓进行拍照以确定草莓位置，并采用图像处理的方法确定草莓的成熟程度；超声波测距传感器固定安装在执行连接板的后端，以确定柔性末端执行器与草莓之间的Z轴距离。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述草莓收纳筐主要包括若干个铝型材、侧板、连接角件，七根铝型材通过连接角件组成框架式结构，侧板固定在相邻两根铝型材之间。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在行走机构上。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型所述草莓采摘机器人结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低，通过图像识别相机识别草莓以确定草莓的位置，超声波测距以精确采摘行程，实现不间断采摘草莓，真正意义上提高了采摘效率；

(2)所述三自由度移动机构采用三轴笛卡尔坐标的形式，不同于现有技术中复杂的机械臂，具有结构简单、定位准确、容易控制的特点；

(3)本实用新型采用柔性末端执行器实现夹持、剪切草莓一体化操作，能够稳固、无损伤地夹持和剪切草莓，利用简单的三自由度移动机构即可完成草莓的采摘，不同于现有技术中提及的草莓采摘机器人有较高的精度要求和复杂的控制系统，技术难度大大降低；

(4)本实用新型进行草莓采摘的方法为一种无损采摘过程，采摘与剪切时对草莓造成损伤的机率很小，采摘作业不间断、流水化，实现垄作草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率及采摘质量，减少了人力成本，具有广泛的推广价值。

附图说明

图1是本实用新型基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人一较佳实施例的立体结构示意图之一；

图2是图1的主视图；

图3是所述基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人一较佳实施例的立体结构示意图之二；

图4是所述基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人一较佳实施例的立体结构示意图之三；

图5是所述行走机构的立体结构示意图；

图6是所述三自由度移动机构与草莓收纳筐的立体结构示意图；

图7是所述柔性末端执行器的立体结构示意图；

图8是所述夹持结构的立体结构示意图；

图9是所述剪切机构的立体结构示意图；

图10是所述视觉识别机构的立体结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、行走机构，11、底盘，12、橡胶履带，13、直流电机，2、三自由度移动机构，21、X轴直线滑轨，211、X轴直线滑轨的滑块，212、步进电机，213、同步带，214、同步带轮，22、Y轴直线滑轨，221、X轴直线滑轨的滑块，23、Z轴直线滑轨，231、Z轴直线滑轨的滑块，24、固定底座，25、辅助直线滑轨，251、辅助直线滑轨滑块，26、辅助转接板，27、滑块转接板，3、柔性末端执行器，31、夹持机构，311、夹持转接板，312、第一伺服驱动器，313、机械爪，314、柔性夹持板，32、剪切机构，321、剪切转接板，322、第二伺服驱动器，323、刀片安装架，324、刀片辅助架，3241、刀槽，325、刀片，33、执行连接板，331、横板，332、纵板，333、腰型槽，334、圆孔，34、连接杆，341、横向转接板，342、纵向转接板，4、视觉识别机构，41、图像识别相机，42、超声波测距传感器，5、草莓收纳筐，51、框架铝型材，52、支架铝型材，53、侧板，54、连接角件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图4，本实用新型实施例包括：

一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，包括行走机构1、三自由度移动机构2、柔性末端执行器3、视觉识别机构4、草莓收纳筐5、控制机构。

所述草莓收纳筐5安装在行走机构上1方，三自由度移动机构2安装在草莓收纳筐5上方，所述柔性末端执行器3安装在三自由度移动机构2上，所述视觉识别机构4与柔性末端执行器3并排连接，所述控制机构分别与行走机构1、三自由度移动机构2、柔性末端执行器3、视觉识别机构4电连接。

结合图5，所述行走机构1主要包括底盘11、橡胶履带12、直流电机13，底盘11位于草莓采摘机器人的最底部，用于承载整台机器的重量。底盘11的下部安装有四个橡胶履带12，每个橡胶履带12的一侧安装有直流电机13，保持行走机构1具有一定的移动速度。

请参阅图6，所述草莓收纳筐5主要包括八根铝型材、四个侧板53、若干个连接角件54，其中七根铝型材通过连接角件54组成框架式结构，采用铝型材制成，取材容易，成本低、质量轻，四个侧板53分别固定在相邻两根铝型材之间，为方便拿取收纳筐中采摘的草莓，其中一个侧板53可做成翻折式，作为收纳筐的筐门。结合图3，其中一根铝型材通过连接角件54固定在收纳筐的上部，作为三自由度移动机构中X轴直线滑轨的固定支架。

所述三自由度移动机构2主要包括X轴直线滑轨21、Y轴直线滑轨22、Z轴直线滑轨23、固定底座24、辅助直线滑轨25、辅助转接板26、滑块转接板27。辅助直线滑轨25固定在所述草莓收纳筐5前侧的上部，其上设置有辅助直线滑轨滑块251。

所述X轴直线滑轨21、Y轴直线滑轨22、Z轴直线滑轨23的结构相同，均包括滑块211、步进电机212、同步带213、同步带轮214。滑块211安装在同步带213上，同步带轮214安装在同步带213的两端，用于驱动同步带213的转动，步进电机212安装在同步带213的一端，用于驱动同步带213的转动。

具体的，所述X轴直线滑轨21固定安装在草莓收纳筐5上，结合图3，X轴直线滑轨21的一侧通过固定底座24安装在收纳筐的框架铝型材51上、另一侧通过固定底座24安装在支架铝型材52上。所述Y轴直线滑轨22的一端通过固定底座24固定安装在X轴直线滑轨21的滑块211上、另一端通过辅助转接板26与辅助直线滑轨25滑动配合，结合图4，辅助转接板26固定安装在辅助直线滑轨25的滑块251上，Y轴直线滑轨22将两侧分别固定在X轴直线滑轨21的滑块211及辅助直线滑轨25的滑块251上，实现了Y轴直线滑轨22在水平方向上的移动。所述Z轴直线滑轨23通过固定底座24固定安装在滑块转接板27上，所述滑块转接板27固定安装在Y轴直线滑轨的滑块221上，从而实现Z轴直线滑轨23在X轴方向、Y轴方向上的移动。所述固定底座24可采用角铁，在角铁内部设置有加强筋。所述三自由度移动机构2采用三轴笛卡尔坐标的形式，不同于现有技术中复杂的机械臂，具有结构简单、定位准确、容易控制的特点。

请参阅图5，所述柔性末端执行器3主要包括夹持机构31、剪切机构32、执行连接板33、连接杆34。下面分别描述各部分的具体结构。

所述执行连接板33呈T型，开有六个腰型槽333和四个圆孔334，横板331两侧的两个腰型槽333分别用于固定夹持机构31与剪切机构32，纵板332上的四个腰型槽333用于固定视觉识别机构4中的图像识别相机41，使所述夹持机构31、剪切机构32、图像识别相机41能够在水平方向或竖直方向上移动。

结合图6，所述夹持机构31主要包括夹持转接板311、第一伺服驱动器312、两个机械爪313、柔性夹持板314。夹持转接板311的上部安装在执行连接板33横板331内侧的腰型槽333内，第一伺服驱动器312安装在夹持转接板311的外侧，两个机械爪313活动连接在夹持转接板311的内侧、并与第一伺服驱动器312对应连接，由第一伺服驱动器312驱动两个机械爪313，通过两个机械爪313的相互靠近实现草莓的夹取，优选的，所述第一伺服驱动器312可采用舵机。柔性夹持板314分别安装在机械爪313的内侧面，避免夹取草莓时对草莓造成损伤，同时，柔性夹持板314的长度较长，且中部具有一定的弧度，使夹持草莓时更加稳固。

所述剪切机构32主要包括剪切转接板321、伺服驱动器322、刀片安装架323、刀片辅助架324、刀片325。刀片325安装在刀片安装架323上，刀片辅助架324设置有刀槽3241；剪切转接板321的上部安装在执行连接板33横板331外侧的腰型槽333内，伺服驱动器322安装在剪切转接板321的外侧，刀片安装架323、刀片辅助架324活动连接在剪切转接板321的内侧、并与伺服驱动器322对应连接，由伺服驱动器322驱动刀片安装架323与刀片辅助架324，通过刀片325深入刀槽3241实现草莓果梗的剪切。

所述连接杆34包括横向转接板341、纵向转接板342，横向转接板341与纵向转接板342均呈L型，横向转接板341的一端与Z轴直线滑轨23的滑块231固定连接、另一端与纵向转接板342的一端垂直固定连接，纵向转接板342的另一端与执行转接板33横板331上四个圆孔334固定连接，实现柔性末端执行器3在Z轴上的移动。

结合图10，所述视觉识别机构4主要包括图像识别相机41、超声波测距传感器42。所述图像识别相机41活动连接在执行连接板33纵板332前端的四个腰型槽333内，用于对草莓进行拍照以确定草莓位置，并可采用图像处理的方法确定草莓的成熟程度。所述超声波测距传感器42固定安装在执行连接板33横板331的中部，以确定柔性末端执行器3与草莓之间的Z轴距离。

所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在行走机构上(图中未示出)。优选的，所述控制器可采用单片机，体积小，功能强大，实现对柔性末端执行器3、三自由度移动机构2、视觉识别机构4及行走机构1的控制。

所述草莓采摘机器人还包括电源，分别为柔性末端执行器3、三自由度移动机构2、视觉识别机构4、控制机构、直流电机13供电。

所述草莓采摘机器人结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低，通过图像识别相机41识别草莓以确定草莓的位置，超声波测距以精确采摘行程，实现不间断采摘草莓，真正意义上提高了采摘效率；采用柔性末端执行器3实现夹持、剪切草莓一体化操作，能够稳固、无损伤地夹持和剪切草莓，利用简单的三自由度移动机构2即可完成草莓的采摘，不同于现有技术中提及的草莓采摘机器人有较高的精度要求和复杂的控制系统，技术难度大大降低。

利用所述基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人进行草莓采摘时，包括以下步骤：

(1)草莓采摘机器人在田间运作时，通过视觉识别机构4的图像识别相机41实时检测草莓，当检测到草莓时，草莓采摘机器人停止行走，开始草莓采摘作业；

(2)根据收集并处理后的草莓图像，三自由度移动机构2开始运行，通过X轴直线滑轨21、Y轴直线滑轨22的移动将柔性末端执行器3准确定位到草莓上方；

(3)当柔性末端执行器3定位在草莓上方时，通过超声波测距传感器42检测柔性末端执行器3与草莓之间的Z轴距离，Z轴直线滑轨23运动带动柔性末端执行器3的夹持机构31接触草莓并夹取草莓，完成夹持作业；草莓被夹取后，通过Y轴直线滑轨22驱使夹持机构31向远离果梗的方向退后50mm，然后柔性末端执行器3的剪切机构32开始剪切果梗，完成剪切作业；

(4)剪切作业完成后，柔性末端执行器3通过三自由度移动机构2定位到草莓收纳筐5的上方，夹持机构31松开，草莓落入收纳筐，完成草莓的收集作业；

(5)三自由度移动机构2复位，图像识别相机41继续检测，若检测到草莓，则重复上述作业，若没有检测到草莓，则草莓采摘机器人继续向前运行，再重复上述作业，完成下一次采摘。

本实用新型进行草莓采摘的方法为一种无损采摘过程，利用夹持机构31中的柔性夹持板314能够稳固、无损伤地夹持草莓，再利用剪切机构32将草莓的果梗剪断，两个作业之间具有一个中断，中断的目的是减少采摘与剪切时对草莓造成损伤的机率，采摘作业不间断、流水化，实现垄作草莓的无损采摘及自动化操作，提高了作业效率及采摘质量，减少了人力成本，具有广泛的推广价值。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，包括行走机构、三自由度移动机构、柔性末端执行器、视觉识别机构、草莓收纳筐、控制机构；

所述三自由度移动机构主要包括X轴直线滑轨、Y轴直线滑轨、Z轴直线滑轨，所述草莓收纳筐安装在行走机构上方，三自由度移动机构安装在草莓收纳筐上方，所述柔性末端执行器安装在Z轴直线滑轨上，所述视觉识别机构与柔性末端执行器并排连接，所述控制机构分别与行走机构、三自由度移动机构、柔性末端执行器、视觉识别机构电连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述行走机构主要包括底盘、橡胶履带、直流电机，所述橡胶履带分别安装在底盘的四角处，所述直流电机安装在履带的一侧。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述三自由度移动机构还包括固定底座、辅助直线滑轨、辅助转接板、滑块转接板，辅助直线滑轨固定在所述草莓收纳筐上；

所述X轴直线滑轨、Y轴直线滑轨、Z轴直线滑轨的结构相同，均包括滑块、步进电机、同步带、同步带轮，滑块安装在同步带上，同步带轮安装在同步带的两端，步进电机安装在同步带的一端，用于驱动同步带的转动；

所述X轴直线滑轨通过固定底座固定安装在草莓收纳筐上；所述Y轴直线滑轨的一端通过固定底座固定安装在X轴直线滑轨的滑块上、另一端通过辅助转接板固定在辅助直线滑轨的滑块上；所述Z轴直线滑轨通过固定底座固定安装在滑块转接板上，所述滑块转接板固定安装在Y轴直线滑轨的滑块上。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述柔性末端执行器主要包括夹持机构、剪切机构、执行连接板、连接杆；

所述夹持机构主要包括夹持转接板、第一伺服驱动器、两个机械爪、柔性夹持板，夹持转接板的上部安装在执行连接板的内侧，第一伺服驱动器安装在夹持转接板的外侧，两个机械爪活动连接在夹持转接板的内侧、并与第一伺服驱动器对应连接，柔性夹持板分别安装在机械爪的内侧面；

所述剪切机构主要包括剪切转接板、第二伺服驱动器、刀片安装架、刀片辅助架、刀片，剪切转接板的上部安装在执行连接板的外侧，第二伺服驱动器安装在剪切转接板的外侧，刀片安装架、刀片辅助架活动连接在剪切转接板的内侧、并与第二伺服驱动器对应连接，刀片安装在刀片安装架上，刀片辅助架设置有刀槽；

所述连接杆的一端与执行连接板连接、另一端与Z轴直线滑轨连接。

5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述连接杆包括横向转接板、纵向转接板，横向转接板与纵向转接板均呈L型，横向转接板的一端与Z轴直线滑轨的滑块固定连接、另一端与纵向转接板的一端垂直固定连接，纵向转接板的另一端与执行转接板固定连接。

6.根据权利要求4所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述视觉识别机构主要包括图像识别相机、超声波测距传感器，所述图像识别相机活动连接在执行连接板的前端，超声波测距传感器固定安装在执行连接板的后端。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述草莓收纳筐主要包括若干个铝型材、侧板、连接角件，七根铝型材通过连接角件组成框架式结构，侧板固定在相邻两根铝型材之间。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的垄作栽培式草莓采摘机器人，其特征在于，所述控制机构主要包括控制器、与控制器相连的伺服驱动器控制板、步进电机控制板、直流电机控制板，均安装在行走机构上。