CN211745441U

CN211745441U - 一种自主行走的樱桃采摘机器人

Info

Publication number: CN211745441U
Application number: CN202020048575.1U
Authority: CN
Inventors: 周靖宜; 王奇; 赵博; 薛宇曦; 陈琨鹏; 徐际童; 梁旭升; 王瀚; 朱希光; 高于
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2030-01-10

Abstract

本实用新型属于农业机械技术领域，涉及一种自主行走的樱桃采摘机器人。包括机械部和控制部；控制部控制机械部工作；控制部包括主控模块(404)、平面定位系统(401)、Openmv视觉识别模块(402)、供电模块(403)和行走模块，所述平面定位系统(401)、Openmv视觉识别模块(402)、供电模块(403)分别与主控模块(404)连接；机械部包括底盘行走装置、机械臂(101)、柔性采摘手。本实用新型解决了人工采摘劳动强度大、效率低以及樱桃机械采摘过程中易伤果的问题，实现了樱桃采摘作业的机械化、自动化和智能化，实现了对樱桃的精准定位和无损采摘。

Description

一种自主行走的樱桃采摘机器人

技术领域

本实用新型属于农业机械技术领域，涉及一种自主行走的樱桃采摘机器人。

背景技术

樱桃属蔷薇科落叶灌木果树，是一种具有很高食用价值和医用价值的水果。采摘是樱桃种植过程中的重要环节之一，掌握合适的采摘方法不仅可以解放劳动力，还可以提高采摘效率从而获得更高的经济效益。

长期以来，樱桃采摘方式多为人工作业，一般，人架梯登高后用手的拇指和食指将樱桃根蒂掐断进行采摘，有一定危险性，劳动强度大，采摘效率低，很难实现高效地大面积的采摘作业。

目前，我国的樱桃采摘装置主要有六种采摘方式。第一种是采用采摘疏，采摘时樱桃位于采摘梳两梳齿之间，动力带动梳齿转动，通过拉拽将樱桃与果柄分离，但是这种方式很容易损伤樱桃果表皮，影响樱桃品质。第二种是气吸式，气流不能进入簇拥丛生的果实之间，这种方法不能实现实际作业。第三种方式是夹持式，表面产生相对运动，会严重损伤樱桃表面。第四种方式是震动敲击式，樱桃下落过程中，受重力的作用损伤外表。第五种方式是偏心块震动采摘，是震动敲击式的一种变形，同样对樱桃果损伤较大，影响樱桃品质。第六种方式是一种滚动滑块人工辅助非接触式机械手电动樱桃采摘器，装置结构较为复杂，需要消耗电能，尚未大批量投入实际生产作业中，其性能还有待考究。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种自主行走樱桃采摘机器人，可以实现自主行走、自动采摘以及收集等功能，该智能采摘机器人采用柔性抓取原理设计了基于柔性定位并通过机械手臂实现折梗采摘的樱桃采摘机器手，在平地直线行走底盘上安装可伸缩机械臂，完成自动识别果实成熟并适时采摘。该产品解决了人工采摘劳动强度大、效率低以及樱桃机械采摘过程中易伤果的问题。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种自主行走的樱桃采摘机器人，包括机械部和控制部；所述控制部控制机械部工作；所述控制部包括主控模块404、平面定位系统401、视觉识别模块 402、供电模块403和行走模块，所述平面定位系统401、Openmv视觉识别模块402、供电模块403分别与主控模块404连接；所述机械部包括底盘行走装置、机械臂101、柔性采摘手。

进一步地，所述底盘行走装置包括对称设置的两个后轮114、两个前轮110，底板115、电机驱动器112和步进电机113，所述两个前轮110为万向轮，所述两个后轮114和两个前轮110、电机驱动器112固定在底板的下部，所述底板 115上设有面包板111，所述底盘行走装置采用步进电机113驱动行走，利用两轮差速原理进行转向并实现两轮差速行驶。

进一步地，所述柔性采摘手包括环形的支撑架201、主动齿轮203、从动的带有外齿的转动圆环202和多段柔绳204，环形的支撑架201的上表面外缘处固定装配有转动圆环202，环形的支撑架201和转动圆环202的边缘绞联多段柔绳 204，且每段柔绳204一端固定于转动圆环202，另一端固定于支撑架201。

进一步地，所述机械臂由舵机控制，所述机械臂101固定于底板115之上，完成柔性采摘手与底盘行走装置之间的连接；所述机械臂101包括第一舵机302、第二舵机307、第三舵机308、第四舵机312、第五舵机313、舵机固定架303、第一U型支架304、第二U型支架306、第三U型支架311、法兰杆305、下圆盘309、推力球轴承314、上圆盘310；所述第一舵机302和第五舵机313置于舵机固定架303上，所述舵机固定架303与第一U型支架304连接，所述第一U 型支架304与法兰杆305连接，所述法兰杆305与第四舵机312连接，所述第四舵机312与第三U型支架311连接，第三U型支架311与第二U型支架306 连接，第二U型支架306与第二舵机307连接，所述第二航机307通过航机固定架固定在上圆盘310上，所述上圆盘和下圆盘间设有推力球轴承314。

进一步地，所述行走模块包括第一电机驱动405、第二电机驱动406、第一步进电机407、第二步进电机408。

进一步地，所述平面定位系统401包括超声波传感器501、陀螺仪传感器 502、循迹模块503，各传感器安装于底板115上，所述各传感器的输出端分别与主控模块404相连接。

进一步地，所述主控模块404主要采用Arduino开发板，并包括舵机控制模块102、扬声器103、语音模块104、继电器105。

本实用新型的有益效果：

(1)与现有技术相比，该柔性采摘手，通过将柔绳缠绕在樱桃的梗部，对樱桃柔性固定，通过电动机械臂实现折梗采摘，机械结构相对简易，方便灵活。

(2)本实用新型提供了一种有效的平面定位系统，通过能有效缩短采摘机器人底盘调试时间，增强行驶位置的准确性，提高生产效率，并且反应迅速，使用方便灵活，成本低。

(3)本实用新型融合各种传感器信息，并将信息传送给主控模块，然后对车轮步进电机进行控制，实现了采摘机器人的自主定位。

(4)本实用新型使用灵活，精准度高，缩短了调试时间，可自主定位、行走、采摘，有效的提高了地盘行走及樱桃采摘的效率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的总体结构示意图。

图2为本实用新型机械部分中柔性固定装置的结构示意图。

图3为本实用新型机械臂、柔性采摘手的结构示意图。

图4为本实用新型控制部分的结构示意图；

图5为本实用新型平面定位模块的结构示意图。

101、机械臂；102、舵机控制模块；103、扬声器；104、语音模块；105、继电器；106、第一arduino板；107、第二arduino板；108、第一驱动模块； 109、第二驱动模块；110、万向轮；111、面包板；112、电机驱动器；113、步进电机；114、后轮；115、底板；116、柔性采摘手；

201、从动捕手底盘；202、捕手从动齿轮；203、捕手主动齿轮；204、柔绳；

302、第一舵机；303、舵机固定架；304、第一U型支架；305、法兰杆；306、第二U型支架；307第二舵机；308、第三舵机；309、下圆盘；310、推力球轴承；310、上圆盘；311、第三U型支架；312、第四舵机；313、第五舵机；

401、平面定位模块；402、Openmv视觉识别模块；403、供电模块；404、主控模块；405、第一电机驱动；406、第二电机驱动；407、第一步进电机；408、第二步进电机；

501、超声波传感器；502、陀螺仪传感器；503、循迹模块。

具体实施方式

如图1-3所示，一种自主行走樱桃采摘机器人，包括机械部、控制部。

所述机械部包括底盘行走装置、机械臂101、柔性采摘手；

自主行走采摘机器人的底盘行走装置采用步进电机113驱动行走，利用两轮差速原理进行转向并实现两轮差速行驶。步进电机113能控制车轮实现机器人的前进、后退和左右转向；车轮后轮作为被动轮，主要作用是导向和支撑，前两个轮作为主动轮，主要作用是提供动力，驱动整机前进和转向。

机械臂101由舵机控制，所述机械臂101固定于底板115之上，完成柔性采摘手与底盘行走装置之间的连接；所述机械臂101包括第一舵机302、第二舵机307、第三舵机308、第四舵机312、第五舵机313、舵机固定架303、第一U 型支架304、第二U型支架306、第三U型支架311、法兰杆305、下圆盘309、推力球轴承314、上圆盘310；所述第一舵机302和第五舵机313置于舵机固定架303上，所述舵机固定架303与第一U型支架304连接，所述第一U型支架304与法兰杆305连接，所述法兰杆305与第四舵机312连接，所述第四舵机 312与第三U型支架311连接，第三U型支架311与第二U型支架306连接，第二U型支架306与第二舵机307连接，所述第二航机307通过航机固定架固定在上圆盘310上，所述上圆盘和下圆盘间设有推力球轴承314。

利用柔性定位抓取原理，柔性采摘手116包括一个支撑架圆环201、一个主动齿轮203、一个从动的带有外齿的转动圆环202和多段柔绳204，支撑架的上表面外缘处固定装配有带有外齿的转动圆环202，支撑架圆环201和转动圆环 202边缘绞联多段柔绳，且每段柔绳一端固定于转动圆环，另一端固定于支撑圆环。当樱桃进入支撑架内部时，该柔性采摘手的主动齿轮带动转动圆环旋转使三条柔绳缠绕在樱桃梗部，对樱桃梗实现柔性抓取固定，解决了机械爪抓取时力度难以控制的难题；所述机械臂部分固定于底盘之上，完成柔性采摘手与行走装置之间的连接,当抓住樱桃梗部时，机械臂转动使樱桃梗从根部折断完成采摘。

自主行走樱桃采摘机器人控制部包括主控模块404、平面定位模块401、 Openmv视觉识别模块402和供电模块403，所述平面定位模块404、Openmv视觉识别模块402、行走模块与舵机所述主控模块404连接；所述平面定位模块 401，实时获取机器人底盘车体的姿态信息和位置信息并传送给所述主控模块；

平面定位系统401包括陀螺仪传感器、超声波传感器和循迹模块；传感器安装于底盘车体上，所述各传感器的输出端分别与所述主控模块的A/D转换模块相连接。

循迹模块503识别地面上的特殊颜色标志，通讯主控模块404，使其及时接收信号。

Openmv视觉识别模块402包括摄像头及Openmv，所述摄像头通过Openmv 与主控模块404相连接，并进行图像处理，摄像头固定在车体上；Openmv视觉识别模块，获取机器人外部环境信息，并将获取的环境信息进行处理后传送给所述主控模块；

行走模块包括两个步进电机和两个电机驱动单元，所述主控模块与两个电机驱动单元连接，其中每个电机驱动单元控制一侧车前轮步进电机。

机械臂控制模块包括舵机控制器，所述主控模块通过控制舵机控制器同步控制机械臂上的多个舵机，使机械臂移动进而采摘。

主控模块404与其余模块之间存在通讯连接；主控模块接收、存储由平面定位模块401反馈的底盘车体的姿态和位置信息，并根据Openmv视觉识别模块402传送的环境信息，通过算法规划出底盘车体行驶路线，计算出底盘车体前行的位置信息并给所述底盘行走装置发出指令；所述底盘车体前行的位置信息包括所述底盘行走装置中两个步进电机的转动方向、转速和时间；主控模块404 主要采用Arduino开发板，并包括舵机控制模块102、扬声器103、语音模块104、继电器105；舵机控制模块102、扬声器103、语音模块104、继电器105镶嵌于底板115上；舵机控制模块102采用16路舵机控制器；

底盘行走装置，采用步进电机驱动；

各车轮电机均为步进电机；

主控模块404主要采用Arduino开发板；

步进电机能控制车轮实现机器人的前进、后退和左右转向。车轮后轮作为被动轮，主要作用使导向和支撑，前两个轮作为主动轮，主要作用使提供动力，驱动整机前进。

机械臂由舵机控制，自由度灵活；

供电模块，为底盘车体提供动力。

图4至图5为自主行走樱桃采摘机器人控制部分，如图4所示，为控制部分，包括平面定位系统401、Openmv视觉识别模块402、供电模块403、主控模块404、第一电机驱动405、第二电机驱动406、第一步进电机407、第二步进电机408；平面定位系统401、Openmv视觉识别模块402、供电模块403分别与主控模块404连接；

所述Openmv视觉识别模块402，获取机器人外部环境信息，并将获取的环境信息进行处理后传送给主控模块404；

所述平面定位模块401，实时获取机器人底盘车体的姿态信息和位置信息并传送给主控模块404；

所述主控模块404，接收、存储由平面定位模块401反馈的底盘车体的姿态与位置信息，并根据Openmv视觉识别模块402传送的环境信息，通过算法规划出底盘车体行驶路线，所述底盘车体前行的位置信息包括第一步进电机407和第二步进电机408的转动方向、转速和时间；

所述供电模块403，为底盘车体提供动力。

具体地，平面定位模块401包括超声波传感器501、陀螺仪传感器502、循迹模块503；所述各传感器安装于底盘上，所述各传感器的输出端分别与主控模块404相连接，如图5所示。陀螺仪传感器502可完成机器人角速度变化计算，经卡尔曼滤波算法计算后，与循迹模块503和超声波传感器501的检测参数一起整合校正，融合计算，获取机器人的角度变化，得到机器人运动的角度数据，输出航向角。

Openmv视觉识别模块402通过对图像的识别、处理，最终传给主控模块404，完成樱桃成熟度的识别。

该机器人由机械部分和控制部分组成。机械部分关键部件是基于柔性定位抓取形式并通过机械手臂实现折梗采摘的樱桃采摘手，克服了机械爪采摘樱桃时伤果伤梗的问题；控制部分包括主控模板、底盘的行走控制、平面定位系统和视觉识别模块，该结构通过主控器的控制，使各部分协调工作，完成自主行走以及樱桃定位识别采摘。控制采用以Arduino为主的控制开发板、以步进电机为主的驱动装置、自主导航陀螺仪配合以CCD及Openmv像机为主的视觉系统及激光等传感器反馈控制模块和锂电池电源等实现自主行走并适时采摘。其中该产品利用陀螺仪自主导航实现采摘机器人按设定的轨迹直线行走，同时可以根据视觉传感器和激光传感器感知樱桃的空间位置,并通过颜色判定樱桃是否成熟有选择地进行采摘。该机器人设计新颖，实现了樱桃采摘作业的机械化、自动化和智能化，实现了对樱桃的精准定位和无损采摘。

以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，包括机械部和控制部；所述控制部控制机械部工作；所述控制部包括主控模块(404)、平面定位系统(401)、Openmv视觉识别模块(402)、供电模块(403)和行走模块，所述平面定位系统(401)、Openmv视觉识别模块(402)、供电模块(403)分别与主控模块(404)连接；所述机械部包括底盘行走装置、机械臂(101)、柔性采摘手。

2.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述底盘行走装置包括对称设置的两个后轮(114)、两个前轮(110)，底板(115)、电机驱动器(112)和步进电机(113)，所述两个前轮(110)为万向轮，所述两个后轮(114)和两个前轮(110)、电机驱动器(112)固定在底板(115)的下部，所述底板(115)上设有面包板(111)，所述底盘行走装置采用步进电机(113)驱动行走，利用两轮差速原理进行转向并实现两轮差速行驶。

3.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述柔性采摘手包括环形的支撑架(201)、主动齿轮(203)、从动的带有外齿的转动圆环(202)和多段柔绳(204)，环形的支撑架(201)的上表面外缘处固定装配有转动圆环(202)，环形的支撑架(201)和转动圆环(202)的边缘绞联多段柔绳(204)，且每段柔绳(204)一端固定于转动圆环(202)，另一端固定于支撑架(201)。

4.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述机械臂由舵机控制，所述机械臂(101)固定于底板(115)之上，完成柔性采摘手与底盘行走装置之间的连接；所述机械臂(101)包括第一舵机(302)、第二舵机(307)、第三舵机(308)、第四舵机(312)、第五舵机(313)、舵机固定架(303)、第一U型支架(304)、第二U型支架(306)、第三U型支架(311)、法兰杆(305)、下圆盘(309)、推力球轴承(314)、上圆盘(310)；所述第一舵机(302)和第五舵机(313)置于舵机固定架(303)上，所述舵机固定架(303)与第一U型支架(304)连接，所述第一U型支架(304)与法兰杆(305)连接，所述法兰杆(305)与第四舵机(312)连接，所述第四舵机(312)与第三U型支架(311)连接，第三U型支架(311)与第二U型支架(306)连接，第二U型支架(306)与第二舵机(307)连接，所述第二舵机(307)通过航机固定架固定在上圆盘(310)上，所述上圆盘和下圆盘间设有推力球轴承(314)。

5.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述行走模块包括第一电机驱动(405)、第二电机驱动(406)、第一步进电机(407)、第二步进电机(408)。

6.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述平面定位系统(401)包括超声波传感器(501)、陀螺仪传感器(502)、循迹模块(503)，各传感器安装于底板(115)上，所述各传感器的输出端分别与主控模块(404)相连接。

7.根据权利要求1所述的一种自主行走的樱桃采摘机器人，其特征在于，所述主控模块(404)采用Arduino开发板，并包括舵机控制模块(102)、扬声器(103)、语音模块(104)、继电器(105)。