CN209994911U - 一种机器人视觉的草莓采摘机 - Google Patents

Abstract

一种机器人视觉的草莓采摘机涉及农业设备技术领域，解决了现有采摘机易损伤草莓且效率较低的问题，包括支架、动力传输机构、机械手、上下移动机构、图像采集组件和总收集箱；机械手包括机械手主板、致动件、刀片滑块和刀片；刀片形状为直角三角形，一个直角边为刃边、另一直角边位于机械手主板上、斜边包覆柔性材料；机械手主板连接支撑架和检测装置，小收集盒放置于支撑架内且位于刀片正下方，小收集盒内设有海绵，检测装置检测小收集盒是否装满草莓，若是则提示装置提示；总收集箱能收纳多个小收集盒。本实用新型通过直角三角形刀片的设置提高了对草莓和草莓植株的保护，方便刀片在草莓植株中穿梭；通过小收集盒提高草莓的质量和存放时间。

Description

一种机器人视觉的草莓采摘机

技术领域

本实用新型涉及农业设备技术领域，具体涉及一种机器人视觉的草莓采摘机。

背景技术

无论是垄种植还是草莓立体种植槽架种植方式，草莓采摘一直是最辛苦的环节，人工采摘劳动强度大，并且需要人眼寻找草莓才能操作。越来越多的种植者选用进行机器摘取，机器摘取均是基于机器人视觉也就是图像采集识别，节省人力。

申请号为CN201821022949.1、名称为《一种草莓自动识别采摘机》的专利中，公开了一种草莓自动识别采摘机包括支架、动力传输机构、采摘机构、收集缓冲装置和总收集箱，所述采摘机构和动力传输机构设于支架上，所述采摘机构通过动力传输机构实现前后左右移动，所述收集缓冲装置设于所述采摘机构的下方并与采摘机构连接，所述总收集箱设于支架的底部；所述采摘机构包括机械手、上下移动机构和图像采集组件，所述机械手具体采用刀片，通过上下移动机构实现上下移动。该种采摘机采摘剪切效率较高，但仍然存在如下问题：

1)草莓的茎、叶、果较为密集，在剪切时，刀片在其中穿梭不便，刀片常对其他茎叶和草莓造成的磕碰刮擦等损伤；

2)收集缓冲装置的设置虽然避免草莓直接落入总收集箱的摔伤，但收集缓冲装置将草莓运输到总收集箱再归位需要时间，导致了草莓采摘的效率降低。

3)使用收集缓冲装置虽然对草莓进行了保护，但草莓仍是经历两次坠落，草莓到总收集箱后仍需按序摆放到售卖箱，在装入售卖箱之前共计至少进行两次移位，由于草莓怕磕怕碰怕移动，这种采摘方式草莓仍很易受伤，降低了草莓保存时间，影响草莓的售卖。

实用新型内容

为了解决上述的问题，本实用新型提供一种机器人视觉的草莓采摘机。

本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种机器人视觉的草莓采摘机，包括支架、动力传输机构、机械手、上下移动机构、图像采集组件和总收集箱；所述机械手、上下移动机构、图像采集组件、动力传输机构和总收集箱均设于支架上；所述图像采集组件与具有成熟草莓识别程序的计算机连接；所述机械手通过动力传输机构实现前后左右移动，通过上下移动机构实现上下移动，所述机械手包括机械手主板、致动件、刀片滑块和刀片；所述刀片形状为直角三角形，一个直角边为刃边、另一直角边位于机械手主板上、斜边包覆柔性材料；所述草莓采摘机还包括支撑架、小收集盒、检测装置和提示装置，支撑架和检测装置均连接机械手主板，小收集盒放置于支撑架内且位于刀片正下方，小收集盒内设有海绵，检测装置检测小收集盒是否装满草莓，若检测结果为是则提示装置进行提示；所述总收集箱能收纳多个小收集盒。

进一步的，所述小收集盒的盒底面包括斜坡面。

进一步的，所述检测装置为计数器，检测装置通过微控芯片连接提示装置。

进一步的，所述支架上设有用于支架移动的滑轮。

本实用新型的有益效果是：

1、通过直角三角形刀片的设置，减小刀片刮擦/勾连草莓植株的其他部位，通过刀片斜边包覆柔性材料，提高了对草莓和草莓植株的保护，方便刀片在草莓植株中穿梭。

2、刀片切割下来的草莓直接落入刀片下方小收集盒，下落高度恒定且较小，将草莓的跌落损伤降低。小收集盒的更换快于收集缓冲装置的移动再归位，节约了时间，提高了采摘效率。在草莓装售卖箱之前，可做到仅一次移动，减小草莓下落高度的同时减少了一次草莓移动，众所周知草莓极怕颠簸碰撞等，因此本实用新型保证了草莓的质量、提高草莓存放时间、提高草莓售卖价格和售卖速度。

3、小收集盒内设有海绵，海绵用于保护草莓，减少草莓坠落磕碰而受伤的情况。

附图说明

图1为本实用新型的一种机器人视觉的草莓采摘机的采摘机构的部分结构示意图。

图2为本实用新型的一种机器人视觉的草莓采摘机的小收集盒的结构图。

图中：1、机械手主板，2、致动件，3、刀片滑块，4、刀片，5、支撑架，6、小收集盒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

一种机器人视觉的草莓采摘机，包括支架、动力传输机构、采摘机构、支撑架5、小收集盒6、检测装置、提示装置和总收集箱。采摘机构和动力传输机构设于支架上，采摘机构通过动力传输机构实现前后左右移动。总收集箱设于支架的底部。采摘机构包括机械手、上下移动机构和图像采集组件。机械手包括机械手主板1、致动件2、刀片滑块3和刀片4。支撑架5和检测装置均连接机械手主板1，小收集盒6放置于支撑架5内，小收集盒6位于刀片4正下方，小收集盒6内设有海绵，检测装置和提示装置连接，检测装置检测小收集盒6是否装满草莓，若检测装置检测到小收集盒6装满草莓，则启动提示装置，提示装置进行提示。总收集箱能收纳多个小收集盒6。

本采摘机共配置3个位移自由度，用以调整末端机械手的空间位置。整个系统通过6V电池组提供电源。支架为四面体形，包括四根竖直支杆和四根横向导轨配合完成。四根竖直支杆设置在矩形的顶点处，通过支架块与轴承配合将横置的四根横向导轨固定，在正上方加装一块与地面平行的木板，用于固定四根杆上端的位置，减少由剪切部位移动所带来的不稳定。竖直支杆四脚各自连接滑轮，实现在垄地中或平地上的自由移动。

采摘机构包括机械手、上下移动机构和图像采集组件，上下移动机构和图像采集组件设置在支架上，机械手连接上下移动机构。机械手通过动力传输机构实现前后左右移动，机械手通过上下移动机构实现上下移动，从而机械手可实现X、Y、Z三个方向的移动。上下移动机构为剪叉机构。通过步进电机带动皮带传动实现机械手在水平面中任意位置的定位。机械手是由两刀片4的开合对草莓茎的剪切运动实现，剪切结构采摘时除了具有足够的夹持力外，还要保持适当的精度，应能顺应被剪对象生长状态。

现有技术中，机械手包括机械手主板1、致动件2、两个刀片滑块3和两个刀片4，参见图1。让刀片滑块3上的限位件在滑槽中移动，通过特定的滑槽路径实现刀片4的开合，此结构的优点在于受力均匀，刀片4剪切力均匀且较大，能够剪断草莓茎部。该部分动力及传送机构是通过丝杠结构将电机的转动转化为直线运功，带动滑槽运动从而带动刀片4使其进行开合运动。每个刀片滑块3的一端连接刀片4，刀片滑块3上设有与刀片4所在平面垂直的限位件。机械手主板1的一端设有两个平行且相距设定距离的滑块腔室，两个刀片滑块3分别设于两个滑块腔室中且刀片4伸出滑块腔室相对设置，滑块腔室的顶部设有与刀片4闭合方向平行的第一滑槽，限位件从第一滑槽中伸出。致动件2上设有两个延伸方向呈一定角度的第二滑槽，两个第二滑槽的延伸线的交点位于两个刀片4闭合时闭合处的延长线上，两个第二滑槽分别套于从第一滑槽伸出的两个限位件上。致动件2与电机连接，通过致动件2的直线运动实现刀片4的开合。致动件2可为Y形滑板，致动件2位于“Y”的上部两个分支的部分分别设有与分支延伸方向一致的第二滑槽，两个第二滑槽分别套于从第一滑槽伸出的两个限位件上，致动件2位于“Y”的最下端部分与电机连接。其中与现有技术不同的是刀片4形状设计为直角三角形，直角三角形的其中一个直角边为刃边、另一直角边位于机械手主板1上、斜边包覆柔性材料，两个刀片4设置如图1所示，两个刀片4合并时则为△型，剪切一个草莓后向第二个待剪切草莓移动时刀片4移动方便，减小刀片4刮擦/勾连草莓植株的其他部位，同时刀片4斜边包覆柔性材料，无论两个刀片4是合并还是分离，均提高了对草莓和草莓植株的保护，方便刀片4在草莓植株中穿梭。

动力传输机构，X与Y方向原理相同，均是通过皮带同步轮的带动，包括X方向皮带和Y方向皮带，Z方向的移动由采摘机构的上下移动机构实现。与机械手连接的滑块穿于横向导轨上，X方向上电机带动皮带，皮带与滑块固连，皮带带动滑块即机械手在X方向移动，Y方向的电机带动相应的皮带，该方向皮带与导轨固定块连接，使整个导轨在Y方向运动。皮带通过两个直流步进电机带动，步进电机外置于支架横向导轨之上，通过与同步轮带动皮带轮进行转动，需要精确设定传递轴大小，大约直径为6mm，避免细微的误差导致的皮带轮转动时偏心。在采摘机上表面，设有直流步进电机外接的3.7V电池组。本装置通过UNO板来实现对步进电机电压的控制，从而实现对电机转速的控制。本实施例中，通过3D打印机打印两个物块配合轴承，通过打孔插接的方式，完成轴之间的连接，整个剪切部分通过导轨与滑块配合，使机械手在导轨上沿导轨移动。

图像采集组件与具有成熟草莓识别程序的计算机连接，该成熟草莓识别程序属于现有技术，不是本实用新型保护的技术特征。图像采集组件的具体位置不做具体限定，能实现其功能均可。图像采集组件包括正面摄像头、侧面摄像头和激光发生器，正面摄像头的镜头朝向地面，侧面摄像头的镜头朝向水平方向。正面摄像投影实现XOY平面的定位，侧面摄像头在正面摄像头和激光发生器的辅助下可获取目标Z向上的深度信息。本实施例中，采用Open CV计算机视觉库进行图像处理分析，通过图像中物体红色的亮度值与设定亮度值所占的比例值，找到成熟的草莓，对这些像素点数据求导找到草莓边界，同时只显示出草莓轮廓，再对轮廓值的X、Y方向均求平均数，找到草莓的几何中心，控制机械手运动，草莓集合中心正好位于屏幕中心一定范围值时，机械手停止X方向移动，向Z正方向移动适宜距离，约5mm，然后向Y方向上伸出，剪切草莓。

上述的支架、机械手主板1、致动件2、刀片滑块3、上下移动机构、检测装置、图像采集组件和动力传输机构均为现有技术。

检测装置和提示装置可通过微控芯片连接，检测装置可以是计数器、也可以是图像拍摄分析装置，若为计数器，则通过检测落入小收集盒6的草莓数量启动提示装置，例如设定数值为8，则当落入小收集盒68个草莓时，发送信号至微控芯片，微控芯片启动提示装置，提示装置提示人(或某装置)更换小收集盒6，提示可为闪烁灯和/或提示音。提示装置位置是不限定，只要能实现提示功能即可，例如设置在支架上、采摘机构上等。采摘人员接收到提示装置的提示后，手动更换小收集盒6，从支撑架5中取走装满草莓的小收集盒6，在支撑架5中放入一个空的小收集盒6，并将装满草莓的小收集盒6放置在总收集箱中。检测装置若为图像拍摄分析装置则是通过图像检测识别的处理装置，该识别程序属于现有技术，不是本实用新型保护的技术特征，检测装置包括拍摄支撑架5上小收集盒6内盛装情况的摄像头，拍摄的图像采用Open CV计算机视觉库进行图像处理分析，假设小收集盒6的底部为白色，通过图像中物体红色的面积与白色的面积比例值或是通过图像中整块白色的面积值，确定是否装满，若装满(检测结果为“是”)则微控芯片控制提示器启动，提示器进行提示；若没有装满(检测结果为“否”)则微控芯片不启动提示器。上述小收集盒6的更换可以人工操作也可通过机械自动化装置实现。

小收集盒6的盛装草莓的盒底为斜坡状，盒底内底面包括斜坡面，如图2，刀片4切割处正对应小收集盒6盒底斜坡面较高的位置，草莓落入到小收集盒6盒内会滚动到较低位置。小收集盒6内的海绵用于保护草莓，同时海绵厚度、盒底坡度等均根据本领域技术人员的经验设计以使不影响草莓滚动、同避免草莓滚动出现擦伤撞伤等。小收集盒6的底部可以为平底，对应的收纳盒能够相对于刀片4移动，避免采摘的草莓落入盒中同一处，能够随机散落在盒内。

机械手主板1随上下移动机构上下移动，连接机械手主板1的支撑架5和小收集盒6均随上下移动机构上下移动，刀片4切割下来的草莓直接落入刀片4下方小收集盒6，下落高度恒定且较小，将草莓的跌落损伤降低。小收集盒6的更换快于收集缓冲装置的移动再归位，节约了时间，提高了采摘效率。在草莓装售卖箱之前，可做到仅一次移动(从草莓植株上落到小收集盒6)，减小草莓下落高度的同时减少了一次草莓移动，众所周知草莓极怕颠簸碰撞等，因此本实用新型保证了草莓的质量、提高草莓存放时间、提高草莓售卖价格和售卖速度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种机器人视觉的草莓采摘机，包括支架、动力传输机构、机械手、上下移动机构、图像采集组件和总收集箱；所述机械手、上下移动机构、图像采集组件、动力传输机构和总收集箱均设于支架上；所述图像采集组件与具有成熟草莓识别程序的计算机连接；所述机械手通过动力传输机构实现前后左右移动，通过上下移动机构实现上下移动，所述机械手包括机械手主板(1)、致动件(2)、刀片滑块(3)和刀片(4)；其特征在于，所述刀片(4)形状为直角三角形，一个直角边为刃边、另一直角边位于机械手主板(1)上、斜边包覆柔性材料；所述草莓采摘机还包括支撑架(5)、小收集盒(6)、检测装置和提示装置，支撑架(5)和检测装置均连接机械手主板(1)，小收集盒(6)放置于支撑架(5)内且位于刀片(4)正下方，小收集盒(6)内设有海绵，检测装置检测小收集盒(6)是否装满草莓，若检测结果为是则提示装置进行提示；所述总收集箱能收纳多个小收集盒(6)。

2.如权利要求1所述的一种机器人视觉的草莓采摘机，其特征在于，所述小收集盒(6)的盒底面包括斜坡面。

3.如权利要求1所述的一种机器人视觉的草莓采摘机，其特征在于，所述检测装置为计数器，检测装置通过微控芯片连接提示装置。

4.如权利要求1所述的一种机器人视觉的草莓采摘机，其特征在于，所述支架上设有用于支架移动的滑轮。

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