CN209314338U - 采摘黄花菜的机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型黄花菜的机器人包括导航行走系统、果实采摘系统、双目相机、果实收集装置和电源及动力控制设备，通过采用导航行走系统进行机器人的导航定位、采用果实采摘系统进行黄花菜的机械采摘、采用双目相机进行采摘作业中的精确识别与定位、采用果实收集装置对采摘后的黄花菜进行及时收集、采用电源及动力控制设备对各个系统进行智能控制，通过机械电气的结合，并结合黄花菜的生长特点和采摘要求进行高效采摘，实现了机器人代替人工劳作方式，解放了生产力，而且该黄花菜采摘机器人可以适用于不同品种的作业采摘作业，适用范围广。

Description

采摘黄花菜的机器人

技术领域

本实用新型涉及机械自动化技术领域，具体为采摘黄花菜的机器人。

背景技术

黄花菜品质好、味道美、营养高，种植规模大、产量高，在农业产业结构中占有重要地位，是农民的主要经济收入之一，是农民致富的希望产业。并且随着黄花菜具有防老年痴呆的作用的发现，中老年食用的人群增加，所以黄花菜的种植规模在以后会越来越大。但由于目前黄花菜采摘完全依靠人工进行，劳动强度大、效率低，随着农村劳动力逐渐向二、三产业及城镇转移，农村劳动力将越来越紧缺，黄花菜种植面积的逐年增加和规模化生产的发展，对黄花菜采摘机械化生产的要求越来越强烈；同时，由于采摘的黄花菜具有鲜嫩的特点，所以为了保持良好的品质转手次数越少越好，使其采摘完就能包装。黄花菜机械化采摘有效解决了黄花菜采摘人员受露水浸湿伤害身体的问题，显著改善了黄花菜采摘人员的劳动条件，减轻了劳动强度，经济效益和社会效益明显。

目前来讲，虽然采摘机器人有了较大的发展和进步，但仍然存在以下几方面的问题。

1、采摘效率不高。各国以研发的各类采摘机器人的采摘效率，都没有人工效率高。例如农业大学张铁中教授研制的草莓采摘速度为6枚/min；韩国的苹果自动采摘机器人，摘取一枚苹果平均需要15s；荷兰IMAG研发的黄瓜采摘机器人摘一根黄瓜需要45s。因为需要控制系统还要图像处理等，效率不高。要使果蔬采摘机器人真正应用于实际生产，就必须要提高作业效率以及作业准确度。

2、果实收集效果不佳。果实采摘完要进行收集，各种采摘机器人只注重采摘过程，反而忽视了果实的收集过程，因此采摘机器人还需要增加果实的自动收集。

3、成本较高。果蔬采摘机器人系统和结构更加复杂，而且使用周期短，平常基本不用。维护，使用，制造成本都要高于工业机器人。

为了突破限制果蔬采摘机器人的发展因素，就必须解决以上的问题，这样才能加速果蔬采摘机器人的发展，尽快实现商品化。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种采摘效率高，能够结合黄花菜的生长特点和采摘要求进行采摘，并对采摘的果实进行自动收集的采摘黄花菜的机器人。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

采摘黄花菜的机器人，包括导航行走系统、果实采摘系统、双目相机、果实收集装置和电源及动力控制设备；

所述的导航行走系统包括小车、设置在小车底部的车轮和安装在车轮上的驱动系统，以及安装在小车前进方向端部的激光导航系统和图像采集卡；

所述的果实采摘系统包括安装在小车上的基座和安装在基座上的机械手；所述的机械手包括机械臂和安装在机械臂末端的末端执行器；所述的末端执行器包括机械手指，安装在机械手指上的压力传感器、硅胶衬垫和刀片，以及与机械手指连接的手指驱动电机；

所述的双目相机设置在机械臂末端；

所述的果实收集装置包括果实收集箱、夹持装置和传输带；所述的果实收集箱通过夹持装置安装在小车的底部；所述的传输带一端与果实收集箱的入口连接，另一端安装在机械臂上；

所述的驱动系统、机械臂、手指驱动电机、双目相机、激光导航系统和传输带的控制端均与电源及动力控制设备交互连接。

优选的，所述的机械臂包括依次连接的肩关节、肘关节、腕关节和转接装置；所述的肩关节的一端转动连接在基座上，另一端与肘关节的一端转动连接；肘关节的另一端转动连接在腕关节的一端，腕关节的末端通过转接装置设置有机械手指；所述的肩关节、肘关节和腕关节均设置有驱动电机。

进一步，所述的传输带由圆柱形的硬管和柔性管组成，其与水平方向呈45度夹角；所述的硬管固定在机械臂的肩关节上，其长度与肩关节相等；所述的柔性管的上端与硬管连接，末端位于果实收集箱的入口出。

优选的，所述的机械手指包括对称咬合设置的单指Ⅰ和单指Ⅱ；单指Ⅰ的端部平面上设置有硅胶衬垫，上端安装有压力传感器，下端底部垂直于单指Ⅰ设置有刀片；单指Ⅱ的端部平面上设置有硅胶衬垫，上端安装有压力传感器，下端内部垂直于单指Ⅱ设置有刀片；单指Ⅰ上刀片的宽度宽于单指Ⅱ上刀片的宽度，且单指Ⅰ和单指Ⅱ闭合时两个刀片相互咬合；单指Ⅰ和单指Ⅱ闭合时，两个硅胶衬垫的上端形成黄花菜茎秆的夹持缝隙。

优选的，所述的双目相机包括工业摄像机和镜头；所述的工业摄像机和镜头安装在腕关节的末端。

优选的，所述的激光导航系统包括主控制器、激光传感器、激光传感器采集模块和激光传感器信号处理模块；所述的主控制器的输出端与电源及动力控制设备的输入端连接；所述的激光传感器采集模块、激光传感器信号处理模块和激光传感器与主控制器连接；所述的激光传感器设置在小车的每个车轮上。

优选的，所述的驱动系统包括分别设置在小车两个前轮的转向电机和分别设置在小车两个后轮的行走电机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过采用导航行走系统进行机器人的导航定位、采用果实采摘系统进行黄花菜的机械采摘、采用双目相机进行采摘作业中的精确识别与定位、采用果实收集装置对采摘后的黄花菜进行及时收集、采用电源及动力控制设备对各个系统进行智能控制，通过机械电气的结合，并结合黄花菜的生长特点和采摘要求进行高效采摘，实现了机器人代替人工劳作方式，解放了生产力，而且该黄花菜采摘机器人可以适用于不同品种的作业采摘作业，适用范围广。

本实用新型采用依次转动连接的肩关节、肘关节和腕关节组成机械臂的方式，能有效保证采摘作业的灵活可靠性；同时，在腕关节的末端通过转接装置设置有机械手指，根据黄花菜采摘特点设计的机械手指在固定目标的同时完成采摘，保证采摘时不易损坏黄花菜植株、果实形状和较少破损率的采摘果实，能对需要采摘的黄花菜进行精确摘取，提高采摘成功率；而且通过驱动电机控制肩关节、肘关节和腕关节，为机械臂进行采摘作业时提供充足的动力。

本实用新型通过在收集装置中采用传输带对采摘的黄花菜进行收集，提高了工作效率，同时柔性管道的设置避免造成机械臂在转动过程中的不便，进一步的提高了整体工作效率，提高黄花菜采集的效率，而且能有效减少经手的次数，从而提高了采摘黄花菜的品质，同时也完成了收集的功能。

本实用新型采用机械手指作为采摘头，该采摘头的特殊设计是关键模块，其综合考虑了黄花菜及仿照人工采摘的特点。机械手指可以分为对称咬合设置的单指Ⅰ和单指Ⅱ，上端内部设有硅胶衬垫，下端内部连接有刀片，其中单指Ⅰ的刀片垂直于机械手指的底部，且这一端手指宽度要比另一端刀片大小的厚度稍宽，单指Ⅱ的刀片垂直于机械手指内部，且闭合时可以相互咬合，闭合时设有硅胶衬垫的上端保留的缝隙为黄花菜茎秆直径的平均值，在对目标固定的同时实现黄花菜的采摘，同时机械手指安装压力传感器，实时监测夹持力的大小，对手指的抓取力度进行控制，既能够实现采摘又不会对黄花菜进行损坏，且采摘效果良好，保证了采摘黄花菜的品质。

本实用新型通过采用双目相机，保证了机器人能够对目标果实实现定位及自动采摘的可实施性，不仅能判断目标果实位置，还能反馈给控制系统进行启动机械手指的电机，实现可自动控制的连续实现，避免了机械手指的空转，节约了能源和实现自动化；在机械手指旁边设计双目相机，通过相机的视觉传感器，实时采集采摘机器人的采摘过程；通过建立图像数据库，对不同品种的成熟黄花菜进行样本采集，设立预设值，双目相机采集的图像通过与数据库中的图像进行比对，可以迅速识别目标，保证采摘机器人的正常采摘和正确的工作。

本实用新型采用的激光导航系统包括主控制器激光传感器采集模块和激光传感器信号处理模块，通过激光传感器模块得到机器人当前位置相对于导航线的位置，再通过主控制器对小车进行控制，调整其转向角度和行驶速度，保证机器人作业过程中按照预定路径行驶。

本实用新型通过采用两轮驱动两轮转向的行走系统，并结合激光导航针对黄花菜采摘作业过程中采摘和行走交替进行，使得机器人行走系统具有较长的续航时间以及行走底盘在运动中的位置、方向及速度、加速度都是可控的，保证了机器人的正常采摘过程，两后轮直接设置在转轴上的行走电机能够直接驱动提供动力，两前轮通过前轮支架上设置的转向电机实现转向，从而形成两轮驱动两轮转向的行走系统，不仅可以减少电量损耗，提高机器人的续航能力，而且能适应农田作业环境。系统抗干扰能力强，采摘效率高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的机械手指结构示意图。

图3为本实用新型的传输带结构示意图。

图4为本实用新型的小车局部结构示意图。

图中：小车1、电源及动力控制设备2、激光传感器3、转向电机4、行走电机5、基座6、肩关节7、肘关节8、机械手指9、硅胶衬垫9-1、刀片9-2、腕关节10、双目摄像机11、工业摄像机11-1、镜头11-2、图像采集卡12、激光导航系统13、主控制器13-1、激光传感器采集模块13-2、传感器信号处理模块13-3、传输带14、硬管14-1、柔性管14-2、果实收集箱15、压力传感器16、手指驱动电机17、转接装置18和夹持装置19、硬管20和柔性管21。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

如图1所示，本实用新型一种黄花菜采摘机器人，包括小车1；小车1一端上设置有电源及动力控制设备2，另一端设置激光导航系统13，其上部还设置有机械臂。机械臂包括依次连接的基座6、肩关节7、肘关节8、腕关节10，基座6设有电机、肩关节7设有电机，肘关节8设有电机，腕关节10设有电机，基座6上端和肩关节7连接，肩关节7上端和肘关节8连接，肘关节8上端和腕关节10连接，腕关节10连接通过转接装置18与双目摄像机11和机械手指9连接，双目摄像机11由两个工业摄像机11-1及镜头11-2组成；基座电机驱动基座旋转关节旋转，肩关节电机驱动肩关节7旋转，肘关节电机驱动肘关节8旋转，及腕关节电机驱动腕关节10旋转；机械手指9通过手指驱动电机17控制机械手指9完成固定和采摘动作。机械手指9内设置有压力传感器16并在机械手指9上端内部设有硅胶衬垫9-1，下端内部设有刀片9-2；传送带14位于肩关节7上，传送带14末端设有果实收集箱15，果实收集箱15由倒三角夹持装置19固定；激光导航系统13通过激光传感器模块13-2得到机器人当前位置相对于导航线的位置，再通过主控制器13-1对小车1进行控制，调整其转向角度和行驶速度，保证机器人作业过程中按照预定路径行驶。

如图2所示，本实用新型中机械手指9考虑了仿照人工采摘黄花菜的特点，设计的机械手指9较宽，它可以分为对称咬合设置的单指Ⅰ和单指Ⅱ两个部分，且上端内部设有硅胶衬垫9-1，下端内部连接有刀片9-2，其中单指Ⅰ的刀片垂直于机械手指的底部，且这一端手指宽度要比另一端刀片大小的厚度稍宽，单指Ⅱ的刀片垂直于机械手指内部，且闭合时可以相互咬合，闭合时设有硅胶衬垫的上端保留的缝隙为黄花菜茎秆直径的平均值，通过手指驱动电机17驱动机械手指9对目标固定的同时实现黄花菜的采摘，同时机械手指9内设置有压力传感器16，既能够掌握采摘力度又不会对黄花菜进行损坏，且采摘效果良好。

如图3所示，本实用新型中在收集装置中采用了传输带14，传输带14是由硬管20和柔性管21组成，且管道尺寸大于成熟黄花菜标准尺寸，提高了采摘黄花菜的效率，同时柔性管21的设置避免了机械臂在转动过程中的不便，对采摘完的黄花菜进行及时的收集，避免了黄花菜的损伤，提高了黄花菜的品质。

如图4所示，针对黄花菜采摘环境、黄花菜作物种植差异及采摘作业要求，两后轮直接设置在转轴上的行走电机5能够直接驱动提供动力，两前轮通过前轮支架上设置的转向电机4实现转向，从而形成两轮驱动两轮转向的行走系统，采用前轮转向与后轮驱动的控制方式，减少电量的消耗，提升了机器人的续航能力，还能适应黄花菜的农田环境及采摘的行进方式。

在实际应用中，当采摘成熟黄花菜时，通过双目摄像机11对图像的采集与数据库中的图像预设值进行比对，判断是否为采摘目标，再利用双目立体视觉配合现有技术中的多种成熟算法进行目标的定位提取果实信息，为机械手指9采摘路径提供位置参数，定位采摘目标。此时机械手指9所在位置即为黄花菜采摘地，手指驱动电机17进行工作，机械手指9开始固定并实现黄花菜采摘，采摘的黄花菜通过腕关节10向后转动一定角度，通过电机驱动使机械手指9松开，将黄花菜由传输带14传送进入果实收集箱15。同时采用两轮驱动的导航行走系统适应农田作业环境及采摘行进速度，采用激光导航系统13控制实现自动导航控制系统，实现采摘机器人向智能化方向发展。当果实收集箱15的承重量达到5Kg时，倒三角的夹持装置19的承受力小于果实收集箱15的重力而滑落。本实用新型仅保护机器人的硬件架构和连接组成，对于目标物的识别和定位能够通过本领域技术人员所熟知的常规技术手段和现有技术实现，不在本实用新型保护范围内，仅作为具体应用时的配套。

Claims (7)

1.采摘黄花菜的机器人，其特征在于：包括导航行走系统、果实采摘系统、双目相机(11)、果实收集装置和电源及动力控制设备(2)；

所述的导航行走系统包括小车(1)、设置在小车(1)底部的车轮和安装在车轮上的驱动系统，以及安装在小车(1)前进方向端部的激光导航系统(13)和图像采集卡(12)；

所述的果实采摘系统包括安装在小车(1)上的基座(6)和安装在基座(6)上的机械手；所述的机械手包括机械臂和安装在机械臂末端的末端执行器；所述的末端执行器包括机械手指(9)，安装在机械手指(9)上的压力传感器(16)、硅胶衬垫(9-1)和刀片(9-2)，以及与机械手指(9)连接的手指驱动电机(17)；

所述的双目相机(11)设置在机械臂末端；

所述的果实收集装置包括果实收集箱(15)、夹持装置(19)和传输带(14)；所述的果实收集箱(15)通过夹持装置(19)安装在小车(1)的底部；所述的传输带(14)一端与果实收集箱(15)的入口连接，另一端安装在机械臂上；

所述的驱动系统、机械臂、手指驱动电机(17)、双目相机(11)、激光导航系统(13)和传输带(14)的控制端均与电源及动力控制设备(2)交互连接。

2.根据权利要求1所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的机械臂包括依次连接的肩关节(7)、肘关节(8)、腕关节(10)和转接装置(18)；所述的肩关节(7)的一端转动连接在基座(6)上，另一端与肘关节(8)的一端转动连接；肘关节(8)的另一端转动连接在腕关节(10)的一端，腕关节(10)的末端通过转接装置(18)设置有机械手指(9)；所述的肩关节(7)、肘关节(8)和腕关节(10)均设置有驱动电机。

3.根据权利要求2所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的传输带(14)由圆柱形的硬管(14-1)和柔性管(14-2)组成，其与水平方向呈45度夹角；所述的硬管(14-1)固定在机械臂的肩关节(7)上，其长度与肩关节(7)相等；所述的柔性管(14-2)的上端与硬管(14-1)连接，末端位于果实收集箱(15)的入口出。

4.根据权利要求1所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的机械手指(9)包括对称咬合设置的单指Ⅰ和单指Ⅱ；单指Ⅰ的端部平面上设置有硅胶衬垫(9-1)，上端安装有压力传感器(16)，下端底部垂直于单指Ⅰ设置有刀片(9-2)；单指Ⅱ的端部平面上设置有硅胶衬垫(9-1)，上端安装有压力传感器(16)，下端内部垂直于单指Ⅱ设置有刀片(9-2)；单指Ⅰ上刀片的宽度宽于单指Ⅱ上刀片的宽度，且单指Ⅰ和单指Ⅱ闭合时两个刀片相互咬合；单指Ⅰ和单指Ⅱ闭合时，两个硅胶衬垫(9-1)的上端形成黄花菜茎秆的夹持缝隙。

5.根据权利要求1所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的双目相机(11)包括工业摄像机(11-1)和镜头(11-2)；所述的工业摄像机(11-1)和镜头(11-2)安装在腕关节(10)的末端。

6.根据权利要求1所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的激光导航系统(13)包括主控制器(13-1)、激光传感器(3)、激光传感器采集模块(13-2)和激光传感器信号处理模块(13-3)；所述的主控制器(13-1)的输出端与电源及动力控制设备(2)的输入端连接；所述的激光传感器采集模块(13-2)、激光传感器信号处理模块(13-3)和激光传感器(3)与主控制器(13-1)连接；所述的激光传感器(3)设置在小车(1)的每个车轮上。

7.根据权利要求1所述的采摘黄花菜的机器人，其特征在于：所述的驱动系统包括分别设置在小车(1)两个前轮的转向电机(4)和分别设置在小车(1)两个后轮的行走电机(5)。