CN210671353U

CN210671353U - 草莓采摘机器人

Info

Publication number: CN210671353U
Application number: CN201920425553.XU
Authority: CN
Inventors: 刘长青
Original assignee: HOHAI UNIVERSITY WENTIAN COLLEGE
Current assignee: HOHAI UNIVERSITY WENTIAN COLLEGE
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2029-04-01

Abstract

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种草莓采摘机器人，其包括：机架、托盘和控制模块，以及与控制模块电性连接的识别筛分装置和若干采摘装置；所述托盘设置于机架底部；所述采摘装置包括：舵机、切刀和连杆；所述舵机固定在机架上，且舵机通过连杆与切刀连接；所述控制模块适于根据识别筛分装置中的颜色传感器检测的草莓颜色以判断草莓是否成熟；所述控制模块适于控制舵机通过连杆驱动切刀切割果茎成熟草莓的果茎；所述托盘适于盛接切割果茎后掉落的草莓，实现了通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘。

Description

草莓采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种草莓采摘机器人。

背景技术

草莓(又称红苺、地苺等)，多年生草本植物，高10-40厘米，茎低于叶或近，密被开展黄色柔毛，叶三出，小叶具短柄，质地较厚，倒卵形或菱形，叶柄密被开展黄色柔毛，聚伞花序，花序下面具一短柄的小叶；花瓣白色，近圆形或倒卵椭圆形，聚合果大，宿存萼片直立，紧贴于果实；瘦果尖卵形，光滑，花期一般为4-5月，果期6-7月。据资料统计，全世界关于草莓品种多达20000 多个，我国培育和从外国引进的新品种有200-300个，大面积栽培的优良品种共有几十个甚至更多，而且随着人们对草莓需求量的不断加大，果农种植草莓的数量也不断增加，但是传统的人工劳动力在草莓采摘过程中主要存在如下一些问题：(1)人工采摘劳动量大且效率低；(2)垄作草莓的采摘为弯腰作业，需前后脚成直线弯腰，蹲下或半蹲的姿势才在垄沟中，作业异常劳累，采摘成本增加；(3)草莓果实量多，采摘劳动量大，每株草莓整体成熟期时间较长，若不能及时采摘，草莓果实易腐烂；(4)果皮易破损，在采摘过程不能对果皮造成损伤，影响品质。

目前，在草莓收获方面，日本近藤等人针对现代温室栽培模式，研制了适于高架栽培的草莓采收机器人装置，该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与前述番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空气吸加刀片切割器，收获时，先由机器视觉系统计算出采摘目标的空间位置，随后采摘机械手移动到预定位置，末端执行器接近目标直到把草莓吸住，由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。

此外，日本还研究了其它草莓分级方式，如采摘果实时使用波浪形果盘，可使草莓按规定形式排列，方便用机器人进行分级。例如日本宫崎大学永田等人研制设计了用于垄上作业的4自由度草莓收获机器人装置，该机器人采用机械手也是框架式三自由度直角坐标采用铅垂上下采摘，两个垂直俯视地面的摄像机获取草莓的图像，一个用于寻找目标果实，一个用于计算目标果实方位；用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离，利用机械手爪抓取草莓果柄、切刀剪断果柄。该机器人的草莓采收实验装置体积比较庞大，尚无行走驱动装置，对于草莓的枝叶遮挡、重叠等尚未进行研究；同时，其采摘机械手采用了气力驱动方式，增加了系统的复杂性和制造成本，在生产中应用和推广存在难度。

此外，在草莓采摘方面中国农业大学张铁中等在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面进行了相当深入和系统的研究，建立了草莓采摘机器人实验系统，采用双目视觉等图像处理技术实现了草莓的识别和定位，对草莓果实的互相重叠或遮挡等情况进行了研究，研究设计出了以地垄式草莓种植系统为基础的草莓采摘机械手，并研究出了针对于地垄式栽培结构的果实视觉系统，和地垄采摘行走装置。目前存在的问题综上分析可知，从草莓采摘机器人的研究方向上观察，现阶段的草莓采摘研究主要集中在以下几个部分：

1)国外主要是针对高挂式种植模式的采摘机构的研究，对于适用于在我国占主导种植模式的地垄式草莓采摘机器人比较少，虽有涉及到的机型，但研究不完善，无驱动装置并且体积较大，无法和实际种植环境相结合；

2)针对单独的机构设计方面的研究多集中于末端执行器以及视觉系统的设计研究，而对于如何适合种植地形的采摘机器人行走机构以及同采摘手臂的配合方面的研究和设计则较少；

3)过于追求传感器对采摘的影响，没有考虑到利用机械结构，以及结合草莓种植方式，对采摘进行研究，更没有通过机械辅助传感器对水果的采摘；

4)利用机械臂和颜色传感器，去仿生采摘技术，虽然每年都有技术上的进步但收效渐微，且成本较高，效率低。

现阶段没有通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘的机器人。

因此，基于上述技术问题需要设计一种新的草莓采摘机器人。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种草莓采摘机器人，以解决通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种草莓采摘机器人，包括：

机架、托盘和控制模块，以及与控制模块电性连接的识别筛分装置和若干采摘装置；

所述托盘设置于机架底部；

所述采摘装置包括：舵机、切刀和连杆；

所述舵机固定在机架上，且舵机通过连杆与切刀连接；

所述控制模块适于根据识别筛分装置中的颜色传感器检测的草莓颜色以判断草莓是否成熟；

所述控制模块适于控制舵机通过连杆驱动切刀切割果茎成熟草莓的果茎；

所述托盘适于盛接切割果茎后掉落的草莓所述识别筛分装置包括：对称设置于机架上的两个分选机构；

所述分选机构包括：两个颜色传感器、电机、双输出蜗轮蜗杆、传动链条、两个分选轮、悬架、两个转轴和两个转轴固定杆；

所述悬架固定在机架上；

所述电机固定在机架的上部，且电机连接双输出蜗轮蜗杆；

所述传动链条绕设在双输出蜗轮蜗杆上；

所述转轴固定在悬架的下方，通过转轴固定杆与悬架连接；

所述转轴的一端连接分选轮，另一端连接传动链条；

所述颜色传感器通过一安装杆固定在悬架上，且颜色传感器位于分选轮上方；

所述颜色传感器与分选轮一一对应，所述分选轮与转轴一一对应，所述转轴与转轴固定杆一一对应；

所述分选轮与切刀一一对应，且设置于切刀下方；

两个分选轮以草莓采摘机器人前进方向依次设置；

所述控制模块适于控制电机带动双输出蜗轮蜗杆转动，并通过传动链条带动两个转轴转动，以使两个分选轮以草莓采摘机器人前进方向相反的方向转动。

进一步，所述分选轮包括:轮毂、若干毛刷、若干切刀槽、内撑杆、若干外夹板和若干弹簧扣；

所述毛刷固定在轮毂上的安装槽内；

所述外夹板和所述弹簧扣一一对应；

所述外夹板通过弹簧扣固定在轮毂上；

所述内撑杆转动固定在轮毂的轴上；

所述切刀槽设置于轮毂上，且位于两个外夹板之间；

所述内撑杆适于顶起外夹板，以固定草莓的果茎，以使毛刷拾取果茎，所述外夹板适于通过弹簧扣收缩回初始位置。

进一步，所述识别筛分装置还包括：对称设置于机架上的两个矫正筛选机构；

所述矫正筛选机构包括：电机、双输出蜗轮蜗杆、传动链条、分选轮、矫正抓取轮和两个转轴；

所述矫正抓取轮与所述分选轮结构相同；

所述矫正抓取轮的毛刷方向与分选轮的毛刷方向相反；

一转轴的一端连接分选轮，另一端连接传动链条；另一转轴的一端连接矫正抓取轮，另一端连接传动链条；

所述分选轮与所述矫正抓取轮以草莓采摘机器人前进方向依次设置，且矫正抓取轮设置于分选轮之前；

所述控制模块适于控制电机带动双输出蜗轮蜗杆转动，并通过传动链条带动两个转轴转动，以使分选轮和矫正抓取轮以草莓采摘机器人前进方向相反的方向转动。

进一步，所述分选机构和矫正筛选机构，以草莓采摘机器人前进方向依次设置，且矫正筛选机构设置于分选机构之前。

进一步，所述采摘装置还包括：弹簧和套管；

所述套管固定在悬架上，且套管套设在切刀上；

所述弹簧套设在切刀上，且弹簧固定在套管上方；

当切刀切割果茎时切刀穿过切刀槽。

进一步，所述草莓采摘机器人还包括：裹叶轮装置；

所述裹叶轮装置包括：扫轮和两块挡板；

所述两块挡板与悬架连接，且对称设置于机架底部并贯穿整个机架；

所述挡板均与分选轮处于同一水平面，两块挡板在草莓采摘机器人前进方向上的入口呈梯形设置，且入口向内逐渐变窄；

所述扫轮设置于机架尾部，且扫轮沿圆周表面设有柔性毛刷。

进一步，所述草莓采摘机器人还包括：设置于机架顶部的把手和设置于机架底部的四个滚轮。

本实用新型的有益效果是，本实用新型通过机架、托盘和控制模块，以及与控制模块电性连接的识别筛分装置和若干采摘装置；所述托盘设置于机架底部；所述采摘装置包括：舵机、切刀和连杆；所述舵机固定在机架上，且舵机通过连杆与切刀连接；所述控制模块适于根据识别筛分装置中的颜色传感器检测的草莓颜色以判断草莓是否成熟；所述控制模块适于控制舵机通过连杆驱动切刀切割果茎成熟草莓的果茎；所述托盘适于盛接切割果茎后掉落的草莓，实现了通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的原理框图；

图2是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的结构示意图；

图3是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的主视图；

图4是本实用新型所涉及的采摘装置和分选机构的结构示意图；

图5是本实用新型所涉及的分选轮的结构示意图；

图6是本实用新型所涉及的矫正筛选机构的结构示意图；

图7是本实用新型所涉及的识别筛分装置和采摘装置的结构示意图；

图8是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的俯视图；

图9是本实用新型所涉及的扫轮的结构示意图。

图中：

100为机架；

200为识别筛分装置、21为分选机构、22为矫正筛选机构、210为颜色传感器、211为安装杆、220为电机、230为双输出蜗轮蜗杆、240为传动链条、 250为分选轮、251为轮毂、252为毛刷、253为内撑杆、254为外夹板、255为弹簧扣、256为切刀槽、260为悬架、270为转轴、280为矫正抓取轮、290为转轴固定杆；

300为采摘装置、310为舵机、320为套管、330为弹簧、340为切刀、350 为连杆；

400为托盘；

500为裹叶轮装置、510为挡板、520为扫轮；

600为把手；

700为滚轮。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

图1是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的原理框图。

图2是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的结构示意图。

图3是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的主视图。

图4是本实用新型所涉及的采摘装置和分选机构的结构示意图。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种草莓采摘机器人，包括：机架100、托盘400和控制模块，以及与控制模块电性连接的识别筛分装置 200和若干采摘装置300；所述控制模块可以但不限于采用STM32F系列 STM32F103ZET6主控芯片；所述托盘400设置于机架100底部；所述托盘400 的内侧边缘设有柔性毛刷，用于紧贴草莓种植田的梯形垄两边，托盘400的高度可以调节，与草莓的最大垂直距离为7cm左右，单个托盘400的最大满载重量可以为5公斤；所述采摘装置300包括：舵机310、切刀340和连杆350；所述舵机310可以但不限于采用辉胜SG90舵机，舵机310的扫角为0到180度，堵转扭矩1.2至1.4公斤/厘米/(4.8v),工作电压4.8v～6v；所述切刀340可以但不限于采用型号为600mm、800mm，材质为65锰钢的切刀，通过对切刀 340的刀口进行特殊处理，便于果茎切割；所述连杆350连接切刀340后，通过舵机310提供的小扭力使切刀340提供最大的切割速度；所述舵机310固定在机架100上，且舵机310通过连杆350与切刀340连接；所述控制模块适于根据识别筛分装置200中的颜色传感器210检测的草莓颜色以判断草莓是否成熟；所述颜色传感器210可以但不限于采用TCS3200颜色传感器；所述控制模块通过所述颜色传感器210检测的草莓颜色识别获得草莓的RGB值，以判断成熟草莓和未成熟草莓，当颜色传感器210同时检测到多个草莓的颜色时，控制模块判断有多个草莓的果茎；所述控制模块适于控制舵机310通过连杆350驱动切刀340切割果茎成熟草莓的果茎；所述托盘400适于盛接切割果茎后掉落的草莓，实现了通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘；可以通过对草莓采摘机器人的外壳设计使得采摘在内部进行，通过内部补光，减少外界因素干扰使得采摘准确快速，准确率高达90％以上，可以实现3s/个的高速采摘。

如图4所示，在本实施例中，所述识别筛分装置200包括：对称设置于机架100上的两个分选机构21；所述分选机构21包括：两个颜色传感器210、电机220、双输出蜗轮蜗杆230、传动链条240、两个分选轮250、悬架260、两个转轴270和两个转轴固定杆290；所述悬架260固定在机架100上；所述电机 220固定在机架100的上部，且电机220连接双输出蜗轮蜗杆230；所述传动链条240绕设在双输出蜗轮蜗杆230上；所述转轴270固定在悬架260的下方，通过转轴固定杆290与悬架260连接；所述转轴270的一端连接分选轮250，另一端连接传动链条240；所述颜色传感器210通过一安装杆211固定在悬架260 上，且颜色传感器210位于分选轮250上方(具体的颜色传感器210通过一安装杆211固定在分选轮250中的切刀槽256向传动链条240方向1cm，且与分选轮250中的轮毂251边缘垂直距离为4cm，此时识别颜色准确率高，性能稳定，避免了背景颜色对颜色传感器210颜色识别的影响)；所述颜色传感器210与分选轮250一一对应，所述分选轮250与转轴270一一对应，所述转轴270与转轴固定杆290一一对应；所述分选轮250与切刀340一一对应，且设置于切刀 340下方；两个分选轮250以草莓采摘机器人前进方向依次设置；所述控制模块适于控制电机220带动双输出蜗轮蜗杆230转动，并通过传动链条240带动两个转轴270转动，以使两个分选轮250以草莓采摘机器人前进方向相反的方向转动。

图5是本实用新型所涉及的分选轮的结构示意图。

如图5所示，在本实施例中，所述分选轮250包括:轮毂251、若干毛刷252、若干切刀槽256、内撑杆253、若干外夹板254和若干弹簧扣255；所述毛刷252固定在轮毂251上的安装槽内，构成拾取端；所述外夹板254和所述弹簧扣 255一一对应；所述外夹板254通过弹簧扣255固定在轮毂251上；所述内撑杆 253转动固定在轮毂251的轴上；所述切刀槽256设置于轮毂251上，且位于两个外夹板254之间；所述内撑杆253适于顶起外夹板254，以固定草莓的果茎，以使毛刷252拾取果茎，所述外夹板254适于通过弹簧扣255收缩回初始位置；通过毛刷252避免了草莓采摘机器人的硬质机械材料与草莓的直接接触，这样可以摒弃传统机械臂采摘，降低技术困难，提高采摘效率，极大的降低了草莓的受损率，提高草莓的品质。

所述分选轮250的最大直径5cm，分选轮250上的拾取端，可以根据需要，针对不同地形，进行更换，提高了草莓采摘机器人的使用范围，拾取端由纤维树脂材料制成；结合草莓果实特性对其刚性和曲阜性进行了计算与研究，并对纤维树脂材料进行特殊的热处理，使其在拾取时对果茎的粘连性更强，分选轮 250上的拾取端个数与草莓概率密度分布之间的关系，进行概率密度分布计算；草莓采摘机器人的前进速度为V，分选轮250的转速为W，通过实际测验以及理论的推演得出V＝W，这样分选的效率可以达到97％以上，分选轮250上的拾取端个数X，通过对草莓果实概率分布密度测量n，拾取频率为T，通过这个数学关系式N*(TV/nW)＝X；(N为常数)，可以确定拾取端数量，结合实验的具体测试，拾取端的数量为10个最为有效。

图6是本实用新型所涉及的矫正筛选机构的结构示意图。

如图6所示，在本实施例中，所述识别筛分装置200还包括：对称设置于机架100上的两个矫正筛选机构22；所述矫正筛选机构22包括：电机220、双输出蜗轮蜗杆230、传动链条240、分选轮250、矫正抓取轮280、悬架260、颜色传感器210、两个转轴270和两个转轴固定杆290；所述矫正抓取轮280与所述分选轮250结构相同；所述矫正抓取轮280的毛刷252方向与分选轮250 的毛刷252方向相反；所述悬架260固定在机架100上；所述电机220固定在机架100的上部，且电机220连接双输出蜗轮蜗杆230；所述传动链条240绕设在双输出蜗轮蜗杆230上；所述转轴270固定在悬架260的下方，且通过转轴固定杆290与悬架260连接；一转轴270的一端连接分选轮250，另一端连接传动链条240；另一转轴270的一端连接矫正抓取轮280，另一端连接传动链条240；所述颜色传感器210通过一安装杆211固定在悬架260上，且颜色传感器210 位于分选轮250上方；所述分选轮250与切刀340一一对应，且设置于切刀340 下方；所述分选轮250与所述矫正抓取轮280以草莓采摘机器人前进方向依次设置，且矫正抓取轮280设置于分选轮250之前；所述转轴270与转轴固定杆 290一一对应；所述控制模块适于控制电机220带动双输出蜗轮蜗杆230转动，并通过传动链条240带动两个转轴270转动，以使分选轮250和矫正抓取轮280 以草莓采摘机器人前进方向相反的方向转动；所述矫正抓取轮280用于辅助分选轮250对草莓扇形分布的边缘拾取，解决草莓的遗漏拾取。

在本实施例中，所述分选机构21和矫正筛选机构22，以草莓采摘机器人前进方向依次设置，且矫正筛选机构22设置于分选机构21之前。

图7是本实用新型所涉及的识别筛分装置200和采摘装置300的结构示意图。

如图4和图7所示，在本实施例中，所述采摘装置300还包括：弹簧330 和套管320；所述套管320固定在悬架260上，且套管320套设在切刀340上，以防止切刀340的晃动；所述弹簧330套设在切刀340上，且弹簧330固定在套管320上方；当切刀340切割果茎时切刀340穿过切刀槽256。

图8是本实用新型所涉及的草莓采摘机器人的俯视图。

图9是本实用新型所涉及的扫轮的结构示意图。

如图8和图9所示，在本实施例中，所述草莓采摘机器人还包括：裹叶轮装置500；所述裹叶轮装置500包括：扫轮520和两块挡板510；所述两块挡板 510与悬架260连接，且对称设置于机架100底部并贯穿整个机架100；所述挡板510均与分选轮250处于同一水平面，两块挡板510在草莓采摘机器人前进方向上的入口呈梯形设置，且入口向内逐渐变窄，以便草莓植株与果实分开，最大限度减少对草莓植株的伤害，也便于筛分装置的精准筛分；所述扫轮520 设置于机架100尾部，且扫轮520沿圆周表面设有柔性毛刷。

在本实施例中，所述草莓采摘机器人还包括：设置于机架100顶部的把手 600和设置于机架100底部的四个滚轮700；用户可以通过把手600和滚轮700 推动草莓采摘机器人前进。

综上所述，本实用新型通过机架100、托盘400和控制模块，以及与控制模块电性连接的识别筛分装置200和若干采摘装置300；所述托盘400设置于机架 100底部；所述采摘装置300包括：舵机310、切刀340和连杆350；所述舵机 310固定在机架100上，且舵机310通过连杆350与切刀340连接；所述控制模块适于根据识别筛分装置200中的颜色传感器210检测的草莓颜色以判断草莓是否成熟；所述控制模块适于控制舵机310通过连杆350驱动切刀340切割果茎成熟草莓的果茎；所述托盘400适于盛接切割果茎后掉落的草莓，实现了通过颜色识别草莓的成熟并进行采摘。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种草莓采摘机器人，其特征在于，包括：

所述托盘设置于机架底部；

所述采摘装置包括：舵机、切刀和连杆；

所述舵机固定在机架上，且舵机通过连杆与切刀连接；

所述托盘适于盛接切割果茎后掉落的草莓；

所述识别筛分装置包括：对称设置于机架上的两个分选机构；

所述悬架固定在机架上；

所述电机固定在机架的上部，且电机连接双输出蜗轮蜗杆；

所述传动链条绕设在双输出蜗轮蜗杆上；

所述转轴固定在悬架的下方，通过转轴固定杆与悬架连接；

所述转轴的一端连接分选轮，另一端连接传动链条；

所述分选轮与切刀一一对应，且设置于切刀下方；

两个分选轮以草莓采摘机器人前进方向依次设置；

2.如权利要求1所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述分选轮包括:轮毂、若干毛刷、若干切刀槽、内撑杆、若干外夹板和若干弹簧扣；

所述毛刷固定在轮毂上的安装槽内；

所述外夹板和所述弹簧扣一一对应；

所述外夹板通过弹簧扣固定在轮毂上；

所述内撑杆转动固定在轮毂的轴上；

所述切刀槽设置于轮毂上，且位于两个外夹板之间；

3.如权利要求2所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述识别筛分装置还包括：对称设置于机架上的两个矫正筛选机构；

所述矫正抓取轮与所述分选轮结构相同；

所述矫正抓取轮的毛刷方向与分选轮的毛刷方向相反；

4.如权利要求3所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述分选机构和矫正筛选机构，以草莓采摘机器人前进方向依次设置，且矫正筛选机构设置于分选机构之前。

5.如权利要求4所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述采摘装置还包括：弹簧和套管；

所述套管固定在悬架上，且套管套设在切刀上；

所述弹簧套设在切刀上，且弹簧固定在套管上方；

当切刀切割果茎时切刀穿过切刀槽。

6.如权利要求5所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述草莓采摘机器人还包括：裹叶轮装置；

所述裹叶轮装置包括：扫轮和两块挡板；

7.如权利要求1所述的草莓采摘机器人，其特征在于，

所述草莓采摘机器人还包括：设置于机架顶部的把手和设置于机架底部的四个滚轮。