CN213991735U - 一种苹果采摘机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种苹果采摘机械臂，属于智能农业技术领域，本实用新型包括机械臂主体、机械臂控制器、双目视觉摄像头、机器视觉处理器和电源，所述机械臂主体上设置有用于采摘苹果的电爪，所述双目视觉摄像头固定安装于机械臂主体的前部下方；所述电源为220V交流电，所述电源与机械臂主体连接，所述电源通过电源转换模块A与双目视觉摄像头连接，所述电源通过电源转换模块B与机械臂控制器连接，所述机械臂主体通过一上位机连接器与机械臂控制器连接，所述双目视觉摄像头和机械臂控制器均通过无线通讯方式与机器视觉处理器连接。本实用新型可代替人工采摘，降低人力成本。

Description

一种苹果采摘机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种苹果采摘机械臂，属于智能农业技术领域。

背景技术

随着国内经济水平的发展，苹果的产量也在逐年增长。与此相对应的是，劳动力资源日益紧张，人工采摘成本不断提高。因此，有必要设计一种自动采摘苹果的机械装置，不仅可以降低人力成本，减少个人劳动时间，而且可以进一步增加企业或果农的利润，提高工作效率，解放劳动力和提高生产力。

机械臂是机器人的一种，在工业领域、物流领域、码垛领域、食品领域等，正逐渐替代人工从事繁重枯燥的电焊、喷漆、装配、检测、包装、码垛、搬运等工作。工业机器人研究的运动学标定，运动规划和控制都已经有了成熟的控制方案，工业机器人技术也在朝着智能化、重载、高精度、高速、网络化等方向发展，结合位置、力矩、力、视觉等信息反馈，柔性控制，力位混合控制，视觉伺服控制等方法得到大量研究，以适应高速、高精度、智能化作业的需求。

目前亟需设计一种采摘机械臂，以代替人工进行苹果的采摘，降低人力成本，减少个人劳动时间。

发明内容

针对现有技术的需求，本实用新型提出一种苹果采摘机械臂，可代替人工采摘，降低人力成本。

本实用新型采用以下技术方案：

一种苹果采摘机械臂，包括机械臂主体、机械臂控制器、双目视觉摄像头、机器视觉处理器和电源，所述机械臂主体上设置有用于采摘苹果的电爪，所述双目视觉摄像头固定安装于机械臂主体的前部下方；

所述电源为220V交流电，所述电源与机械臂主体连接，所述电源通过电源转换模块A与双目视觉摄像头连接，所述电源通过电源转换模块B与机械臂控制器连接，所述机械臂主体通过一上位机连接器与机械臂控制器连接，所述双目视觉摄像头和机械臂控制器均通过无线通讯方式与机器视觉处理器连接。

本实用新型的机械臂控制器能够通过无线和机器视觉处理器通讯，机器视觉处理器可放置于有无线设备的任意机房中，它无线通讯方式和双目视觉摄像头、机械臂控制器进行通讯，不需要实际网线连接，比如上网卡，或者wifi设备等，大大降低了机械臂主体的重量。

本实用新型中，电源为220V交流供电，机械臂控制器采用24V直流供电，电源转换模块B可将220V交流电转换为24V直流电，双目视觉摄像头采用5V直流供电，电源转换模块A可将220V交流电转换为5V直流电。

优选的，所述电源转换模块A和电源转换模块B的型号为用香港明纬D-120C。

优选的，所述机械臂控制器与上位机连接器之间通过232/ttl信号线连接，所述上位机连接器与机械臂主体之间采用内部总线连接。

优选的，所述电源与机械臂主体之间还依次连接有空气开关和热继电器。

优选的，所述空气开关采用德力西(芜湖)网络科技有限公司的HDBE-63系列，所述热继电器采用乐清震康电器科技有限公司的震康JR28系列。

空气开关设置于220V电源和机械臂主体之间，热继电器设置于空气开关与机械臂主体之间。

空气开关的主要作用是在电流过大时自动断电，热继电器和空气开关形成了双重过电流保护机制，一方面，在机械臂主体碰到障碍，卷入杂物，或者短路时，电流会增大，达到热继电器对应标准时，热继电器脱扣，自动断开输出，只有手动复位才可以重新使用；另一方面，空气开关也可以实现电流过大自动跳闸，空气开关比热继电器灵敏度稍低，起到二次保护的作用。

优选的，所述电源转换模块A、电源转换模块B、机械臂控制器、上位机连接器、空气开关、热继电器均位于一箱体内，所述箱体固定在移动小车上。

优选的，所述机械臂主体采用南京种子智能科技有限公司的S6H4机械臂，它采用220V交流供电，属于轻量六轴协作机械臂，臂长最大到760mm，机械臂控制器以及驱动系统嵌入机械臂主体内部，省略了外置的控制柜，特别适合桌面运行；

所述机械臂控制器采用MCGS昆仑通态触摸屏TPC7062Ti，该型号机械臂控制器采用24V直流供电，机械臂控制器和上位机连接器之间采用232/TTL信号线全双工通讯，它能够实时采集机械臂主体的各种状态，对机械臂进行原点设置、坐标移动、轴转动等操作，进行各种自定义路径操作并在触摸屏上实时显示，并且能够接收外部机器视觉处理器的指令并进行协议转换后进行操作。机械臂控制器能够通过无线通讯向指定的ip地址进行自定义协议的通讯，实现与机器视觉处理器、双目视觉摄像头之间的沟通。

MCGS昆仑通态触摸屏TPC7062Ti是一套以先进的Cortex-A8CPU为核心(主频600MHz)的产品，该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096)，同时还预装了MCGS嵌入式组态软件(运行版)，具备强大的图像显示和数据处理功能。

所述双目视觉摄像头采用Stereolabs公司的ZED立体相机，包括立体相机以及软件套件，能够让机器人或其他机器获得诸如室内/室外防撞、自动导航和3D测绘的能力，或其他需要空间信息获取的应用场景，特别是各种机器的自主导航。该相机自带有深度传感器，其深度计算是通过双目原理进行的，其计算主要发生在计算机上的GPU与CPU上，而并非在该深度传感器本身，该立体相机本身只是能过同步获取双目图像，之后在计算机上通过其对应的软件开发工具包(SDK)进行深度计算。Stereolabs公司的ZED立体相机，其主要优势在于其高分辨率，可以达到15f/s的4416×1242像素图像的深度图像生成，并且检测距离可以达到20m。该ZED立体相机包含两个核心技术，一是其配置了两个RGB相机，可收集信号并传送至外部GPU，Stereolabs的特有软件将通过比对图像之间的不同之处，在计算之后绘制出实时的深度空间地图，这项技术被称为主动立体视觉观察技术，其特点是通过红外主动传感器，实现户外空间的远程定位；二是相机的自带软件，这项软件的技术原理是立体SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技术(即时定位与地图构建技术)，通过这个软件，ZED立体相机能够绘制出实时三维地图，帮助用户实现在虚拟世界中的移动。

所述机器视觉处理器的型号为NVIDIA Jetson TX2，它采用Nvidia Pascal GPU，高达8GB内存，59.7GB/s内存带宽，并可以并行处理多个神经网络，对象检测等应用程序，实现物体识别，目标追踪检测等功能。针对本实用新型，机器视觉处理器可以通过双目视觉摄像头所获得的苹果图片构建苹果目标检测图像数据集，利用其自身自带的MaskRCNN方法训练数据集得到识别模型，最终实现对特定图像的识别空间坐标，该空间坐标由三个距离坐标以及多个双目视觉摄像头的9个姿态角构成；

所述上位机连接器的型号为COM_S6H4D，上位机连接器负责信号转换，它将TTL信号和机械臂主体的内部总线进行信号转换，上位机连接器可以和电脑、单片机、树莓派等多种上位机控制器进行通讯，实时执行当前通讯指令并且反馈当前机械臂状态。

优选的，所述机械臂控制器连接服务器，所述服务器通过无线通讯或有线通讯连接可移动设备，如手机、iPad、计算机等，能够实现远程控制，可以在可移动设备上进行操作控制机械臂控制器，显示机械臂状态等，方便快捷。

本实用新型的苹果采摘机械臂的工作过程为：

首先，所有设备上电，机械臂主体上电自检，移动小车开始行走，移动小车自动定位在两陇苹果树中间行走，每隔一段距离，自动停车，双目视觉摄像头进行拍照并传输给机器视觉处理器，机器视觉处理器通过接收到图片后进行图像处理，根据图像数据库，识别出苹果并标注出每个苹果的坐标，然后机器视觉处理器发送坐标指令给机械臂控制器。

机械臂控制器在收到坐标指令后，根据其自带的功能首先进行姿态角校准子程序，将因为双目视觉摄像头不水平等造成的误差进行校准，将机器视觉处理器输出的坐标转换成精准的、不会因为机器视觉摄像头不水平造成误差的坐标，然后进行坐标转换，将摄像头坐标转换成能够让机械臂主体识别的机械臂坐标，然后检测坐标是否合法，否决一些超出机械臂主体实际运行范围的坐标，再然后进行路径规划，根据苹果的远近高低，是否有遮挡，设计出不同的到达坐标的路径和姿态，通过上位机连接器控制机械臂主体执行相关一系列抓取苹果，放下苹果进入搜集筐等操作，在执行完毕夹取苹果，摘下苹果，放置到框内的动作完毕后，发送结束指令给机器视觉处理器，获取下一个坐标，循环执行，直到机器视觉处理器内的坐标执行完毕为止。然后移动小车在收到机器视觉处理器发送完毕标志后，开始重新行走，直到走到下一个位置为止，重复以上操作。

值得注意是，本实用新型所使用的双目视觉摄像头、机械臂控制器和机器视觉处理器分别采用了现有的特定型号，特定型号的三者根据需要连接，即可实现苹果定位、并能够将定位信息发送给机械臂主体的手爪进行采摘动作，其中间的信号处理过程，如图像处理、特定物体识别、定位、自动导航、深度计算、误差校准、坐标转换、路径规划等，均可通过其内部自带的功能来实现，属于现有技术，此处不再赘述。

本实用新型的有益效果为：

1)本实用新型可以通过现场的双目识别摄像头拍摄苹果位置，并传输至机器视觉处理器，机器视觉处理器通过图像识别和定位技术获得苹果位置，并将苹果位置信息发送给机械臂主体及电爪，可实现自动采摘苹果作业，不必再手动采摘苹果，节省了时间、减轻了劳动强度。

2)本实用新型采用空气开关和热继电器双重保障，当电流过大时自动断电，保护机械臂主体。

3)本实用新型的机械臂控制器还连接有服务器，可通过可移动设备进行远程控制，方便快捷。

附图说明

图1为本实用新型的一种工作状态示意图；

图2为本实用新型的结构连接关系示意图；

其中，1-电源转换模块A，2-电源转换模块B，3-空气开关，4-双目视觉摄像头，5-机械臂控制器，6-上位机连接器，7-热继电器，8-机械臂主体，9-机器视觉处理器。

具体实施方式：

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本实用新型未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种苹果采摘机械臂，如图1-2所示，包括机械臂主体8、机械臂控制器5、双目视觉摄像头4、机器视觉处理器9和电源，机械臂主体上8设置有用于采摘苹果的电爪，双目视觉摄像头4固定安装于机械臂主体8的前部下方；

电源为220V交流电，电源与机械臂主体8连接，电源通过电源转换模块A 1与双目视觉摄像头4连接，电源通过电源转换模块B 2与机械臂控制器5连接，机械臂主体8通过一上位机连接器6与机械臂控制器5连接，双目视觉摄像头4和机械臂控制器5均通过无线通讯方式与机器视觉处理器9连接。

实施例2：

一种苹果采摘机械臂，如实施例1所述，所不同的是，机械臂控制器5与上位机连接器6之间通过232/ttl信号线连接，上位机连接器6与机械臂主体8之间采用内部总线连接。

实施例3：

一种苹果采摘机械臂，如实施例1所述，所不同的是，电源与机械臂主体8之间还依次连接有空气开关3和热继电器7。

实施例4：

一种苹果采摘机械臂，如实施例3所述，所不同的是，空气开关3采用德力西(芜湖)网络科技有限公司的HDBE-63系列，热继电器7采用乐清震康电器科技有限公司的震康JR28系列。

实施例5：

一种苹果采摘机械臂，如实施例4所述，所不同的是，电源转换模块A 1、电源转换模块B 2、机械臂控制器5、上位机连接器6、空气开关3、热继电器7均位于一箱体内，箱体固定在移动小车上。

实施例6：

一种苹果采摘机械臂，如实施例1所述，所不同的是，机械臂主体8采用南京种子智能科技有限公司的S6H4机械臂，机械臂控制器5采用MCGS昆仑通态触摸屏TPC7062Ti，双目视觉摄像头采用Stereolabs公司的ZED立体相机，机器视觉处理器的型号为NVIDIA JetsonTX2，上位机连接器的型号为COM_S6H4D。

实施例7：

一种苹果采摘机械臂，如实施例1所述，所不同的是，机械臂控制器5连接服务器，服务器通过无线通讯或有线通讯连接可移动设备，如手机、iPad、计算机等，能够实现远程控制，可以在可移动设备上进行操作控制机械臂控制器，显示机械臂状态等，方便快捷。

以上所述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所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种苹果采摘机械臂，其特征在于，包括机械臂主体、机械臂控制器、双目视觉摄像头、机器视觉处理器和电源，所述机械臂主体上设置有用于采摘苹果的电爪，所述双目视觉摄像头固定安装于机械臂主体的前部下方；

所述电源为220V交流电，所述电源与机械臂主体连接，所述电源通过电源转换模块A与双目视觉摄像头连接，所述电源通过电源转换模块B与机械臂控制器连接，所述机械臂主体通过一上位机连接器与机械臂控制器连接，所述双目视觉摄像头和机械臂控制器均通过无线通讯方式与机器视觉处理器连接。

2.根据权利要求1所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述机械臂控制器与上位机连接器之间通过232/ttl信号线连接，所述上位机连接器与机械臂主体之间采用内部总线连接。

3.根据权利要求1所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述电源与机械臂主体之间还依次连接有空气开关和热继电器。

4.根据权利要求3所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述热继电器采用乐清震康电器科技有限公司的震康JR28系列。

5.根据权利要求4所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述电源转换模块A、电源转换模块B、机械臂控制器、上位机连接器、空气开关、热继电器均位于一箱体内，所述箱体固定在移动小车上。

6.根据权利要求1所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述机械臂主体采用南京种子智能科技有限公司的S6H4机械臂，所述机械臂控制器采用MCGS昆仑通态触摸屏TPC7062Ti，所述双目视觉摄像头采用Stereolabs公司的ZED立体相机，所述机器视觉处理器的型号为NVIDIA Jetson TX2。

7.根据权利要求1所述的苹果采摘机械臂，其特征在于，所述机械臂控制器连接服务器，所述服务器通过无线通讯或有线通讯连接可移动设备。

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