CN210695080U

CN210695080U - 一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人

Info

Publication number: CN210695080U
Application number: CN201921526308.4U
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 王龙宁; 牛子杰; 刘坤澎
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2029-09-16

Abstract

本实用新型涉及一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，包括行走底盘总成，所述行走底盘总成上设置有剪叉式升降机、升降机驱动电机和控制器，所述剪叉式升降机的升降台上设置有四自由度机械臂，所述四自由度机械臂的末端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，所述双目视觉模块位于所述末端剪枝器的后方；所述升降机驱动电机、所述双目视觉模块、所述末端剪枝器、所述四自由度机械臂分别与所述控制器连接，所述控制器与所述行走底盘总成的遥控器通讯连接；所述行走底盘总成采用履带式底盘总成。本实用新型与人工剪枝相比，自动化程度高、节省成本及人力、操作简便、剪枝准确高效。

Description

一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人

技术领域

本实用新型属于农林机械技术领域，具体涉及一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人。

背景技术

我国猕猴桃总产量和栽培面积均已居世界第 1 位，产业前景非常广阔。但是，截止到目前，猕猴桃树剪枝方式大多仍为人工剪枝，而且需经常找专业人员进行操作，严重依赖人工操作，不仅成本高昂，而且浪费人力、效率低下。另一方面，随着我国城市化进程的加快，乡村劳动力向城镇转移的速度也在加快，越来越多的农村人民选择到城镇谋生。在这个大背景下，我国广大农村地区劳动力紧缺问题逐渐凸显出来。而且，猕猴桃树大多种植于农村地区，定植剪枝又需要大量人力，面临劳动力大量短缺的困境;雇佣外来务工人员又面临劳务工资急剧上升的局面，用工成本严重制约了猕猴桃产业的发展。因此，在此大背景下，发展猕猴桃自动化剪枝技术，特别是研发猕猴桃智能剪枝机器人，具有重要意义，而且具有较大应用前景。

实用新型内容

本实用新型设计了一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，旨在改善完全依靠人工剪枝的现状，解决人工剪枝成本高昂、浪费人力、效率低下等问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，包括行走底盘总成，所述行走底盘总成上设置有剪叉式升降机、升降机驱动电机和控制器，所述剪叉式升降机的升降台上设置有四自由度机械臂，所述四自由度机械臂的末端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，所述双目视觉模块位于所述末端剪枝器的后方；所述升降机驱动电机、所述双目视觉模块、所述末端剪枝器、所述四自由度机械臂分别与所述控制器连接，所述控制器与所述行走底盘总成的遥控器通讯连接。

进一步，所述四自由度机械臂包括底座、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，所述底座设置在所述升降台上，所述底座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂之间依次通过相应的关节电机连接；所述第一机械臂与所述底座在水平面内转动连接，所述第二机械臂与所述第一机械臂上下向俯仰转动连接；所述第三机械臂一端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，另一端设置有舵机实现所述第三机械臂围绕其轴线转动，所述舵机与所述第二机械臂上下向俯仰转动连接。

进一步，还包括减速器，所述升降机驱动电机通过所述减速器与所述剪叉式升降机连接。

进一步，所述升降机驱动电机和所述减速器通过电机支架设置在所述行走底盘总成的平台正中间处，且位于所述剪叉式升降机的中空部分。

进一步，所述减速器采用齿轮减速器，所述升降机驱动电机采用永磁直流电机。

进一步，所述控制器固定在所述减速器的箱体正上方。

进一步，所述控制器采用stm32控制器。

进一步，所述行走底盘总成采用履带式底盘总成。

进一步，所述遥控器内置有蜂鸣器。

进一步，总电源采用高密度锂电池。

该基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人具有以下有益效果：

（1）本实用新型与人工剪枝相比，自动化程度高、节省成本及人力、操作简便、剪枝准确高效。

（2）本实用新型中，采用智能stm32控制器，保证了该剪枝机器人的智能性；采用高密度锂电池供电保证了该剪枝机器人的续航时间；可遥控履带底盘总成的设计保证了该剪枝机器人转向前进的通过性、灵活性以及人工操作的简便性，有效提升了机器人对猕猴桃树园松软地面的适应性；剪叉式升降机和四自由度机械臂的设计保证了剪枝的可靠性，双目视觉模块及末端剪枝器的设计保证了其剪枝的准确性与高效性。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的立体结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的初始状态示意图；

图3：本实用新型实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的上下升降示意图。

附图标记说明：

1—双目视觉模块；2—末端剪枝器；3—四自由度机械臂；31—底座；32—第一机械臂；33—第二机械臂；34—舵机；35—第三机械臂；4—剪叉式升降机；41—升降台；5—行走底盘总成；6—升降机电机；7—电机支座；8—减速器；9—控制器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图3示出了本实用新型基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的具体实施方式。图1是本实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的立体结构示意图；图2是本实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的初始状态示意图；图3是本实施方式中基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人的上下升降示意图。

如图1至图3所示，本实施方式中的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，包括行走底盘总成5，行走底盘总成5上设置有剪叉式升降机4、升降机驱动电机6和控制器9，剪叉式升降机4的升降台41上设置有四自由度机械臂3，四自由度机械臂3的末端设置有末端剪枝器2和双目视觉模块1，双目视觉模块1位于末端剪枝器2的后方；升降机驱动电机6、双目视觉模块1、末端剪枝器2、四自由度机械臂3分别与控制器9连接，控制器9与行走底盘总成5的遥控器通讯连接。

具体地，末端剪枝器2用螺栓螺母联接固定在四自由度机械臂3末端，有一个张开和闭合的自由度用于剪枝动作的执行；双目视觉模块1用螺栓螺母联接固定在四自由度机械臂3上末端剪枝器2后方，用于识别所要进行修剪的枝条；四自由度机械臂3用螺栓螺母联接固定在升降台41上，剪叉式升降机4用螺栓螺母联接固定在电机支座7上，四自由度机械臂3和剪叉式升降机4驱动末端剪枝器2到猕猴桃枝条附近。本实施例中，末端剪枝器2是标准件，购买得到。

优选地，四自由度机械臂3包括底座31、第一机械臂32、第二机械臂33和第三机械臂35，底座31设置在升降台41上，底座31、第一机械臂32、第二机械臂33、第三机械臂35之间依次通过相应的关节电机连接；第一机械臂32与底座31在水平面内转动连接，第二机械臂33与第一机械臂32上下向俯仰转动连接；第三机械臂35一端设置有末端剪枝器2和双目视觉模块1，另一端设置有舵机34实现第三机械臂35围绕其轴线转动，舵机34与第二机械臂33上下向俯仰转动连接，如图2所示。

本实施例中，还包括减速器8，升降机驱动电机6通过减速器8与剪叉式升降机4连接，如图1和图3所示。

优选地，升降机驱动电机6和减速器8通过电机支架7设置在行走底盘总成5的平台正中间处，且位于剪叉式升降机4的中空部分，如图1至图3所示。结构紧凑，节省空间。减速器8和升降机驱动电机6分别用螺栓螺母联接固定在电机支座7上。

本实施例中，减速器8采用齿轮减速器，升降机驱动电机6采用永磁直流电机。

本实施例中，控制器9固定在减速器8的箱体正上方。

本实施例中，控制器8采用stm32控制器。

优选地，行走底盘总成5采用履带式底盘总成，如图1、图2和图3所示。遥控器内置有蜂鸣器。总电源采用高密度锂电池。

工作时，电源通电，机器人启动，控制器9控制四自由度机械臂3默认执行特定动作组使双目视觉模块1垂直向上以方便识别待修剪枝条，并将此动作位置作为四自由度机械臂3的初始位置，如图2所示；然后，控制器9向升降机驱动电机6发送相应pwm波，从而控制升降机驱动电机6通过减速器8驱动剪叉式升降机4工作，将升降台41升起适当高度，使末端剪枝器2达到枝条下方一定距离，确保四自由度机械臂3执行剪枝动作组时末端剪枝器2能够完成枝条修剪，如图3所示；然后，人工使用遥控器遥控行走底盘总成5在猕猴桃树架下匀速缓慢前进；在行走底盘总成5缓慢前进过程中，双目视觉模块1开始识别待修剪枝条，识别到后向控制器9发送目标枝条坐标，控制器9向遥控器发送信号，使遥控器内置蜂鸣器报警，提醒操作者停止前进；机器人停止前进之后，控制器9根据获取的目标枝条坐标控制四自由度机械臂3驱动末端剪枝器2完成对目标枝条的修剪，修剪完成后控制四自由度机械臂3复位，并向遥控器发送信号，使遥控器内置蜂鸣器报警，提醒操作者一个工作循环已完成；人工使用遥控器遥控行走底盘总成5继续在猕猴桃树架下匀速缓慢前进，进入到下一个工作循环。

本实用新型中，采用双目视觉模块1采集枝条图像及坐标，并采用卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）方法对图像进行处理和枝条识别（主要是通过花芽的个数来确定枝条是否是待修剪枝条），CNN方法对图像具有极强的数据表征能力，普适性、鲁棒性好。

本实用新型在具体应用过程中，智能stm32芯片保证了其智能性，高密度锂电池供电保证了其续航时间，可遥控履带底盘总成的设计保证了其转向前进的通过性、灵活性以及人工操作的简便性，有效提升了机器人对猕猴桃树园松软地面的适应性，剪叉式升降机和四自由度机械臂的设计保证了剪枝的可靠性，双目视觉模块及末端剪枝器的设计保证了其剪枝的准确性与高效性。整体来说，相比人工剪枝的成本高昂、繁重劳累、低效率，本实用新型产品自动化程度高、节省成本及人力、续航时间长、通过性强、操作简便、转向灵活、剪枝准确高效。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，包括行走底盘总成，所述行走底盘总成上设置有剪叉式升降机、升降机驱动电机和控制器，所述剪叉式升降机的升降台上设置有四自由度机械臂，所述四自由度机械臂的末端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，所述双目视觉模块位于所述末端剪枝器的后方；所述升降机驱动电机、所述双目视觉模块、所述末端剪枝器、所述四自由度机械臂分别与所述控制器连接，所述控制器与所述行走底盘总成的遥控器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述四自由度机械臂包括底座、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，所述底座设置在所述升降台上，所述底座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂之间依次通过相应的关节电机连接；所述第一机械臂与所述底座在水平面内转动连接，所述第二机械臂与所述第一机械臂上下向俯仰转动连接；所述第三机械臂一端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，另一端设置有舵机实现所述第三机械臂围绕其轴线转动，所述舵机与所述第二机械臂上下向俯仰转动连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，还包括减速器，所述升降机驱动电机通过所述减速器与所述剪叉式升降机连接。

4.根据权利要求3所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述升降机驱动电机和所述减速器通过电机支架设置在所述行走底盘总成的平台正中间处，且位于所述剪叉式升降机的中空部分。

5.根据权利要求3所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述减速器采用齿轮减速器，所述升降机驱动电机采用永磁直流电机。

6.根据权利要求3所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述控制器固定在所述减速器的箱体正上方。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述控制器采用stm32控制器。

8.根据权利要求1、2、4、5或6所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述行走底盘总成采用履带式底盘总成。

9.根据权利要求1、2、4、5或6所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，所述遥控器内置有蜂鸣器。

10.根据权利要求1、2、4、5或6所述的基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，总电源采用高密度锂电池。