CN212936778U - 一种用于球状果实的采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于球状果实的采摘机器人，包括移动载具、并联机械臂、负压吸附末端执行器、升降平台、固定底盘、软管、负压发生系统、固定柱、果实收集箱、视觉识别机构、控制箱和发电机，升降平台安装在移动载具上，负压发生系统、控制箱、果实收集箱、固定柱和发电机均固定安装在升降平台的升降台上；固定底盘固定安装在固定柱上，并联机械臂的固定端固定在固定底盘上，负压吸附末端执行器连接在并联机械臂的活动端；本实用新型采用并联结构的机械臂，而不是传统的串联结构机械臂，这一改进有效的提高了果实采摘的效率，采用负压吸附末端执行器采用负压吸附采摘方式，采摘动作简单，采摘效率也更高。

Description

一种用于球状果实的采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及智能采摘机器人领域，更具体的说，尤其涉及一种用于球状果实的采摘机器人。

背景技术

现如今果实采摘的收获的过程中大多是人工参与，劳动强度大，雇佣成本逐年攀升，导致水果收获的成本提高。在球状果实的收获过程中，诸如果实、桃子、梨、杏等长在树上的果实，果园的劳动工人通常是将梯子搭在果树上，携带果篮，攀爬梯子，上树采摘，将果实放入一定容量的的果篮中，待果实放满篮子后，工人爬下梯子，将果篮清空，之后重复此过程，然而因为果篮的容量往往不是很大，这一过程往往需要重复很多次。这种传统的人工采摘过程极度需要人工劳动力参与，而且采摘期通常很短，从而导致运营成本居高不下，从而降低果农的利润。

现市面上尚无成熟的采摘机器人产品，大多仅仅是辅助人工采摘的装置。由于串联机械臂工作空间大、运动分析较容易、各轴独立易于控制，专利文献中的采摘机器人多数采用此种方式，但采摘效率低下成为制约其生产实用的最大因素。而并联机械臂动态误差小、运动惯性小、刚度高，具有快速移动和精准定位的优点，这使得采摘机器人的采摘效率大大提升，进一步使得采摘机器人代替人工成为可能。

同时，现有机器采摘末端执行器以类人手指结构为主，针对不同水果使用不同的采摘方式，或是通过扭转拔除，或是采用刀片（部分文献使用激光）切断果梗，但都需要准确抓取果实使其固定后才可进行上述采摘，效率较低。而负压吸附式末端执行器，通过在执行器内部产生负压，只要将执行器的吸头对准目标果实，强大的吸力可直接对目标果实进行吸摘，方便快捷效率高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有采摘机器人的缺乏，以及少数采摘机器人在对球状果实的采摘中以类人手指结构为主，针对不同水果使用不同的采摘方式导致效率较低，同时采摘过程中极容易对果实产生损伤的问题，提出了一种用于球状果实的采摘机器人，提高采摘机器人的采摘效率，同时能很大程度上降低球状果实采摘过程中的损伤。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于球状果实的采摘机器人，包括移动载具、并联机械臂、负压吸附末端执行器、升降平台、固定底盘、软管、负压发生系统、固定柱、果实收集箱、视觉识别机构、控制箱和发电机，所述升降平台安装在移动载具上，所述负压发生系统、控制箱、果实收集箱、固定柱和发电机均固定安装在所述升降平台的升降台上；所述固定柱竖直设置在升降台上，固定底盘固定安装在所述固定柱上，所述并联机械臂的固定端固定在所述固定底盘上，所述负压吸附末端执行器连接在并联机械臂的活动端；所述视觉识别机构包括两个工业摄像机和一个随动摄像机，所述固定底盘上固定连接水平设置的摄像机固定尺，两个工业摄像机分别安装在摄像机固定尺的两端，所述随动摄像机固定在负压吸附末端执行器上；所述负压发生系统通过软管连接负压吸附末端执行器；

所述并联机械臂为三轴并联机械臂，所述并联机械臂设有沿轴线均匀分布的三个机械臂，所述轴线与负压吸附末端执行器轴线相重合，每个所述机械臂均包括固定臂、第一连杆、连杆驱动电机和第二连杆；所述固定臂固定在固定底盘上，连杆驱动电机固定在固定臂上，连杆驱动电机连接所述第一连杆的一端，连杆驱动电机运动时驱动第一连杆绕着连杆驱动电机的输出轴轴心进行转动；所述第二连杆的一端连接第一连杆的另一端，所述负压吸附末端执行器上套装有连杆连接环，每个机械臂的第二连杆的另一端均连接在连杆连接环上；三个机械臂的结构完全相同且三个机械臂的连杆驱动电机独立运动。

进一步的，所述第二连杆包括两根平行设置的连接杆和两根铰接轴，两根铰接轴分别为第一铰接轴和第二铰接轴，所述第一铰接轴连接在第一连杆上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的一端，第二铰接轴连接在连杆连接环上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的另一端。

进一步的，所述软管通过软管抱环固定在第二连杆的两根连接杆上，每个机械臂上的软管抱环设置有两个。两个软管抱环将软管固定在第二连杆上，使第二连杆运动时软管随之运动，进而避免负压吸附末端执行器运动时软管缠绕带来的影响。

进一步的，所述负压吸附末端执行器包括头部吸摘结构和设置在头部吸摘结构尾部的果实收集管，所述果实收集管是一个90°弯管，果实收集管的一端与头部吸摘结构的连接耳连接，果实收集管的另一端垂直朝向果实收集箱；所述头部吸摘结构包括采摘口、风管口、连接耳、果实通道、外管壁、负压腔和封闭门，所述采摘口嵌在果实通道的前端，采摘口选用柔性材料制成，采摘口采用多瓣扇形结构；所述外管壁套装在果实通道上，外管壁与果实通道的外壁包裹形成负压腔，所述果实通道上设有通气百叶，通气百叶设置在外管壁所包覆的果实通道段，所述通气百叶沿圆周方向均匀分布，通气百叶是负压腔与果实通道唯一的通气口；所述风管口固定在外管壁上并与负压腔相连通，风管口在圆周方向上对称布置三个，风管口通过软管与负压发生系统相连接；所述果实通道的尾部设有封闭门，通过控制封闭门可实现打开和闭合果实通道的尾部出口；所述连接耳设置有三组且沿圆周均匀分布在外管壁上，所有的连接耳共同组成连杆连接环，每组连接耳分别连接一个机械臂的第二连杆，第二连杆与连接耳铰接连接。

进一步的，所述负压吸附末端执行器的前端还设置有抱箍，随动摄像机通过抱箍固定在负压吸附末端执行器的果实通道上。抱箍固定在果实通道靠近采摘口的位置。

进一步的，所述摄像机固定尺沿着水平方向设置有多个均匀分布的安装孔，两个工业摄像机通过螺栓固定在摄像机固定尺的安装孔上。两个工业摄像机的位置通过调节其安装位置进行调节。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型采用并联结构的机械臂，而不是传统的串联结构机械臂，这一改进有效的提高了果实采摘的效率，将传统方式的10s左右采摘一个果实的采摘速度提升到了1s左右。

2、本实用新型的负压吸附末端执行器采用负压吸附采摘方式，而不是一般的抓持采摘方式，其不仅采摘动作简单，采摘效率也更高。

3、本实用新型采用创新结构的负压吸附末端执行器，采摘口处装有柔性材料，可自适应不同大小的果实。

4、本实用新型的并联机械臂采用了三个对称的二连杆机构，三个连杆机构的末端均连接在负压吸附末端执行器上，可实现负压吸附末端执行器在空间三自由度的移动，用于快速定位目标果实。由于果树相较于水平宽度具有较大的垂直高度，为了应对这种情况，在移动载具上设有升降平台，其垂直方面的升降功能弥补了并联机械臂的工作空间不足问题。

5、本实用新型通过在摄像机固定尺61上设有若干安装孔，使得工业摄像机6可在其上任意调节安装位置。

附图说明

图1是本实用新型一种用于球状果实的采摘机器人的整体结构示意图。

图2是本实用新型一种用于球状果实的采摘机器人的左视图。

图3是本实用新型并联机械臂和负压吸附末端执行器部分的整体结构示意图。

图4是本实用新型负压吸附末端执行器头部吸摘结构的整体结构示意图。

图5是本实用新型负压吸附末端执行器头部吸摘结构的剖视图。

图中，1-移动载具，11-升降平台，12-固定柱，2-发电机，3-负压吸附末端执行器，31-风管口，32-果实收集管，33-采摘口，34-连接耳，35-封闭门，36-果实通道，37-外管壁，38-负压腔，39-通气百叶，4-果实收集箱，5-负压发生系统，51-软管，6-工业摄像机，61-摄像机固定尺，7-并联机械臂，71-固定底盘，72-固定臂，73-第一连杆，74-第二连杆，75-软管抱环，76-连杆驱动电机，77-第一铰接轴，78-第二铰接轴，8-控制箱、9-随动摄像机、91-抱箍。

具体实施方式

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本实用新型。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本实用新型所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本实用新型的示例，并且不旨在将本实用新型限制到特定实施例。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。

如图1~5所示，一种用于球状果实的采摘机器人，包括移动载具1、并联机械臂7、负压吸附末端执行器3、升降平台11、固定底盘71、软管51、负压发生系统5、固定柱12、果实收集箱4、视觉识别机构、控制箱8和发电机2，所述升降平台11安装在移动载具1上，所述负压发生系统5、控制箱8、果实收集箱4、固定柱12和发电机2均固定安装在所述升降平台11的升降台上；所述固定柱12竖直设置在升降台上，固定底盘71固定安装在所述固定柱12上，所述并联机械臂7的固定端固定在所述固定底盘71上，所述负压吸附末端执行器3连接在并联机械臂7的活动端；所述视觉识别机构包括两个工业摄像机6和一个随动摄像机9，所述固定底盘71上固定连接水平设置的摄像机固定尺61，两个工业摄像机6分别安装在摄像机固定尺61的两端，所述随动摄像机9固定在负压吸附末端执行器3上；所述负压发生系统5通过软管51连接负压吸附末端执行器3。

所述并联机械臂7为三轴并联机械臂7，所述并联机械臂7设有沿轴线均匀分布的三个机械臂，所述轴线与负压吸附末端执行器3轴线相重合，每个所述机械臂均包括固定臂72、第一连杆73、连杆驱动电机76和第二连杆74；所述固定臂72固定在固定底盘71上，连杆驱动电机76固定在固定臂72上，连杆驱动电机76连接所述第一连杆73的一端，连杆驱动电机76运动时驱动第一连杆73绕着连杆驱动电机76的输出轴轴心进行转动；所述第二连杆74的一端连接第一连杆73的另一端，所述负压吸附末端执行器3上套装有连杆连接环，每个机械臂的第二连杆74的另一端均连接在连杆连接环上；三个机械臂的结构完全相同且三个机械臂的连杆驱动电机76独立运动，可实现末端执行器3在空间三自由度的移动，用于快速定位目标果实。由于果树相较于水平宽度具有较大的垂直高度，为了应对这种情况，在移动载具1上设有升降平台11，其垂直方面的升降功能弥补了并联机械臂7的工作空间不足问题。

所述负压吸附末端执行器3包括头部吸摘结构和尾部果实收集管32，所述果实收集管32是一个90°弯管，果实收集管32的一端与头部吸摘结构的连接耳34连接，果实收集管32的另一端垂直朝向果实收集箱4，果实被头部吸摘结构吸取，经果实通道36进入果实收集管32，顺着管道将自然滚入果实收集箱，实现果实收集。所述头部吸摘结构包括采摘口33、风管口31、连接耳34、果实通道36、负压腔38和封闭门35，所述采摘口33嵌在果实通道36的前端，采摘口33选用柔性材料并设计成独特的多瓣扇形结构。所述外管壁37套装在果实通道36上，外管壁37与果实通道36的外壁包裹形成负压腔38，所述果实通道36上设有通气百叶39，通气百叶39设置在外管壁37所包覆的果实通道36段，所述通气百叶39沿圆周方向均匀分布，通气百叶39是负压腔38与果实通道36唯一的通气口；所述风管口固定在外管壁37上并与负压腔38相连通，风管口在圆周方向上对称布置三个，风管口通过软管与负压发生系统相连接；所述果实通道36的尾部设有封闭门35，通过控制封闭门35可实现打开和闭合果实通道36的尾部出口；所述连接耳34设置有三组且沿圆周均匀分布在外管壁37上，所有的连接耳34共同组成连杆连接环，每组连接耳34分别连接一个机械臂的第二连杆，第二连杆与连接耳34铰接连接。

所述负压吸附末端执行器3具有良好气密性，一共有三个开口：一是前端用于吸取果实的采摘口33；二是与软管51相连的风管口31；三是果实的出口。首先入口作为进气口设有采摘口33，柔性材料的选用和独特的多瓣扇形结果使其对果实产生足够大的吸力的同时，既能自适应果实的大小，又保证果实不会因为和管口摩擦损伤。其次三个风管口31作为出气口与软管51相连，软管51则连接到负压发生系统5，通过负压发生系统5吸气，抽取末端执行器3内的空气，使其内部产生负压，从而在果实入口处产生对果实的吸力。果实出口即果实通道的尾部出口，其作为末端执行器3的第三个开口，在负压发生系统5工作时控制封闭门35将其关闭，从而保证气流的方向是从采摘口33进入果实通道36，通过通气百叶39进入负压腔，再经风管口31流向负压发生系统5；而在成功吸取果实后，负压发生系统5则应关闭，并控制封闭门35打开果实出口，使得果实沿果实收集管32落入果实收集框4中。

此处的负压吸附末端执行器3的风管口31的数量还可以设置成两个、四个或者其他数量。

所述第二连杆74包括两根平行设置的连接杆和两个铰接轴，两根铰接轴分别为第一铰接轴77和第二铰接轴78，第一铰接轴77连接在第一连杆73上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的一端，第二铰接轴78连接在连杆连接环上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的另一端。

所述软管51通过软管抱环75固定在第二连杆74的两根连接杆上，每个机械臂上的软管抱环75设置有两个。

所述负压吸附末端执行器3的前端还设置有抱箍91，随动摄像机9通过抱箍91固定在负压吸附末端执行器3上。

所述摄像机固定尺61沿着水平方向设置有多个均匀分布的安装孔，两个工业摄像机6通过螺栓固定在摄像机固定尺61的安装孔上，使得工业摄像机6可在其上任意调节安装位置。

视觉系统包括由两个工业摄像机6组合双目视觉系统和随动摄像机9。双目视觉系统的功能在于果实的识别和三维空间定位，选用可适应强光的工业摄像机，设计专用的图像处理算法，使其可用于不同光照环境，例如晴天、阴天、微光、上午、中午、下午不同时间段等情况下果实的识别以及堆叠球形果实的分割。所述随动摄像机9通过抱箍91连接在末端执行器3的头部，在接近目标位置时，该随动摄像机进行二次位置捕捉，随时调整轨迹从而实现末端执行器的精确定位。

控制系统的实体结构仅控制箱8，但作为采摘机器人的运动控制中枢，其根据视觉系统反馈回来的一系列苹果质心位置的坐标，规划采摘流程，设计采摘路线，设计避障方案，通过机器人逆运动学计算每个关节所需转动的角度，并通过驱动电机76控制并联机械臂7工作，将末端执行器3送达目标位置。

具体的，当采摘机器人进入果园开始作业，移动载具1到达某颗果树前方，视觉系统通过工业摄像机6对果树进行拍照，识别其中的果实，同时利用双目视觉技术对目标果实进行定位，将定位结果输入控制系统，控制系统据此进行采摘流程规划，采摘路线和避障方案的设计，通过机器人逆运动学计算每个并联机械臂7的第一连杆73所需转动的角度，驱动相应的电机76，从而控制并联机械臂7将末端执行器3送至目标位置。在接近目标位置时，设置在负压吸附末端执行器3上的随动摄像头9进行二次位置捕捉，随时调整轨迹从而精确定位末端执行器至相对于果实所在的位置。负压吸附末端执行器3到达指定位置后，控制系统再控制启动负压发生系统5，使得负压吸附末端执行器3吸口产生吸力，吸取目标果实，目标果实在吸力作用下与果梗分离，进入负压吸附末端执行器3内部，经过充分缓冲减速无损地落入果实收集框4中。该目标果实采摘完成后，重复上述操作直至视觉系统所拍摄照片内的果实全部采摘完毕。此时控制升降平台11运作，调整并联机械臂7、负压吸附末端执行器3等固定于升降平台11上的机构至不同的高度，再进行拍照识别、定位摘取果实等操作，从而实现果树不同高度范围的果实采摘。单颗果树的果实采摘完成后，载具移动到下一颗果树的位置进行采摘作业。采摘过程中的能源由发电机2提供。

本申请的移动载具1上还可以设置有多套并联机械臂7和负压吸附末端执行器3等采摘执行机构，从而进行多颗果树、前后双排果树果实的同时摘取，提高果实采摘效率。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：包括移动载具（1）、并联机械臂（7）、负压吸附末端执行器（3）、升降平台（11）、固定底盘（71）、软管、负压发生系统（5）、固定柱（12）、果实收集箱（4）、视觉识别机构、控制箱（8）和发电机（2），所述升降平台（11）安装在移动载具（1）上，所述负压发生系统（5）、控制箱（8）、果实收集箱（4）、固定柱（12）和发电机（2）均固定安装在所述升降平台（11）的升降台上；所述固定柱（12）竖直设置在升降台上，固定底盘（71）固定安装在所述固定柱（12）上，所述并联机械臂（7）的固定端固定在所述固定底盘（71）上，所述负压吸附末端执行器（3）连接在并联机械臂（7）的活动端；所述视觉识别机构包括两个工业摄像机（6）和一个随动摄像机（9），所述固定底盘（71）上固定连接水平设置的摄像机固定尺（61），两个工业摄像机（6）分别安装在摄像机固定尺（61）的两端，所述随动摄像机（9）固定在负压吸附末端执行器（3）上；所述负压发生系统（5）通过软管（51）连接负压吸附末端执行器（3）；

所述并联机械臂（7）为三轴并联机械臂（7），所述并联机械臂（7）设有沿轴线均匀分布的三个机械臂，所述轴线与负压吸附末端执行器（3）轴线相重合，每个所述机械臂均包括固定臂（72）、第一连杆（73）、连杆驱动电机（76）和第二连杆（74）；所述固定臂（72）固定在固定底盘（71）上，连杆驱动电机（76）固定在固定臂（72）上，连杆驱动电机（76）连接所述第一连杆（73）的一端，连杆驱动电机（76）运动时驱动第一连杆（73）绕着连杆驱动电机（76）的输出轴轴心进行转动；所述第二连杆（74）的一端连接第一连杆（73）的另一端，所述负压吸附末端执行器（3）上套装有连杆连接环，每个机械臂的第二连杆（74）的另一端均连接在连杆连接环上；三个机械臂的结构完全相同且三个机械臂的连杆驱动电机（76）独立运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述第二连杆（74）包括两根平行设置的连接杆和两根铰接轴，两根铰接轴分别为第一铰接轴（77）和第二铰接轴（78），所述第一铰接轴（77）连接在第一连杆（73）上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的一端，第二铰接轴（78）连接在连杆连接环上且该铰接轴的两端分别连接两个连接杆的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述软管（51）通过软管抱环（75）固定在第二连杆（74）的两根连接杆上，每个机械臂上的软管抱环（75）设置有两个。

4.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述负压吸附末端执行器（3）的前端还设置有抱箍（91），随动摄像机（9）通过抱箍（91）固定在负压吸附末端执行器（3）上。

5.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述摄像机固定尺（61）沿着水平方向设置有多个均匀分布的安装孔，两个工业摄像机（6）通过螺栓固定在摄像机固定尺（61）的安装孔上。

6.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述负压吸附末端执行器（3）包括头部吸摘结构和设置在头部吸摘结构尾部的果实收集管（32），所述果实收集管（32）是一个90°弯管，果实收集管（32）的一端与头部吸摘结构的连接耳（34）连接，果实收集管（32）的另一端垂直朝向果实收集箱（4）；所述头部吸摘结构包括采摘口（33）、风管口、连接耳（34）、果实通道（36）、外管壁（37）、负压腔（38）和封闭门（35），所述采摘口（33）嵌在果实通道（36）的前端，采摘口（33）选用柔性材料制成，采摘口（33）采用多瓣扇形结构；所述外管壁（37）套装在果实通道（36）上，外管壁（37）与果实通道（36）的外壁包裹形成负压腔（38），所述果实通道（36）上设有通气百叶（39），通气百叶（39）设置在外管壁（37）所包覆的果实通道（36）段，所述通气百叶（39）沿圆周方向均匀分布，通气百叶（39）是负压腔（38）与果实通道（36）唯一的通气口；所述风管口固定在外管壁（37）上并与负压腔（38）相连通，风管口在圆周方向上对称布置三个，风管口通过软管与负压发生系统相连接；所述果实通道（36）的尾部设有封闭门（35），通过控制封闭门（35）可实现打开和闭合果实通道（36）的尾部出口；所述连接耳（34）设置有三组且沿圆周均匀分布在外管壁（37）上，所有的连接耳（34）共同组成连杆连接环，每组连接耳（34）分别连接一个机械臂的第二连杆，第二连杆与连接耳（34）铰接连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述负压吸附末端执行器（3）的前端还设置有抱箍（91），随动摄像机（9）通过抱箍（91）固定在负压吸附末端执行器的果实通道（36）上。

8.根据权利要求1所述的一种用于球状果实的采摘机器人，其特征在于：所述摄像机固定尺沿着水平方向设置有多个均匀分布的安装孔，两个工业摄像机通过螺栓固定在摄像机固定尺的安装孔上。

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