CN215735834U - 一种果实采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种果实采摘机器人，包括移动底座，所述移动底座的一侧置有主控模块、扩展板和无线网卡，所述移动底座的另一侧设置有支撑架，所述支撑架上固设有机械手，所述扩展板分别与所述主控模块和所述机械手连接；所述机械手的前端还设置有图像传感器，所述图像传感器与所述主控模块连接；所述扩展板还分别连接有扩展板复位电路、机械手复位电路、机械手紧急停止电路、声音报警器电路和LED状态指示灯电路。本实用新型实现了易懂易操作的人机交互功能，能够在采摘机械手出现问题时及时处理，从而减少经济损失。

Description

一种果实采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及农业采摘领域，具体的说，涉及了一种果实采摘机器人。

背景技术

我国是农业大国，随着经济的迅速发展，国民对生活质量的需求逐渐提高，但是农业劳动力呈现日益不足趋势，农业生产质量已对我国社会经济的发展形成直接影响。我国是世界上番茄种植面积最大，消费量最多的国家之一，产量常年在5000万吨以上，且呈正增长态势。采摘是番茄生产过程中最重要的环节之一，番茄生长环境的复杂性和成熟时间的不统一性决定了采摘环节需要投入大量劳动力，其占总劳动力的33%～50%。人工采摘导致采摘的成本越来越高，同时随着农业生产模式逐步迈向规模化、智能化，传统的人工采摘作业已无法适应市场发展的需求。

目前国内外对于果实采摘做了大量研究，但大多数番茄采摘机械手控制系统的设计忽略了人机交互的重要性，采摘机械手的人为控制程度较低，当采摘机械手出现问题时不能及时处理从而造成了不必要的经济损失。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种果实采摘机器人。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种果实采摘机器人，包括移动底座，所述移动底座的一侧置有主控模块、扩展板和无线网卡，所述移动底座的另一侧设置有支撑架，所述支撑架上固设有机械手，所述扩展板分别与所述主控模块和所述机械手连接，用于根据所述主控模块的控制指令驱动所述机械手动作；所述机械手的前端还设置有图像传感器，所述图像传感器与所述主控模块连接，用于将采集的果实图像发送至所述主控模块，以供所述主控模块依据内置深度识别模型定位果实位置，并根据内置路径规划模型生成控制指令并下发给所述扩展板；

所述扩展板还分别连接有扩展板复位电路、机械手复位电路、机械手紧急停止电路、声音报警器电路和LED状态指示灯电路，所述扩展板复位电路用于将所述扩展板复位至初始状态；所述机械手复位电路用于将所述机械手复位至初始状态；所述机械手急停电路用于控制所述机械手紧急停止；所述声音报警器电路用于在所述扩展板复位时和/或所述机械手复位时进行报警；所述LED状态指示灯电路用于观察所述扩展板的工作状态。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型设计的采摘机械手集成了扩展板复位电路、机械手复位电路、机械手紧急停止电路、声音报警器电路和LED状态指示灯电路，实现了易懂易操作的人机交互功能，能够在采摘机械手出现问题时及时处理，从而减少经济损失。

附图说明

图1是本实用新型的原理图。

图2是本实用新型的电路示意图。

图3是本实用新型的工作流程。

图中，1.主控模块 ；2.扩展板；3.无线网卡；4.一号舵机；5.二号舵机；6.三号舵机；7.四号舵机；8.五号舵机；9.六号舵机；10.采摘手；11.图像传感器；12.移动底座；13.支撑架； 14.第一刚性连接杆；15.第二刚性连接杆。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种果实采摘机器人，包括移动底座12，所述移动底座12的一侧置有主控模块1、扩展板2和无线网卡3，所述移动底座12的另一侧设置有支撑架13，所述支撑架13上固设有机械手，所述扩展板2分别与所述主控模块1和所述机械手连接，用于根据所述主控模块1的控制指令驱动所述机械手动作；所述机械手的前端还设置有图像传感器11，所述图像传感器11与所述主控模块1连接，用于将采集的果实图像发送至所述主控模块1，以供所述主控模块1依据内置深度识别模型定位果实位置，并根据内置路径规划模型生成控制指令并下发给所述扩展板2；

所述扩展板2还分别连接有扩展板复位电路、机械手复位电路、机械手紧急停止电路、声音报警器电路和LED状态指示灯电路，所述扩展板复位电路用于将所述扩展板复位至初始状态；所述机械手复位电路用于将所述机械手复位至初始状态；所述机械手急停电路用于控制所述机械手紧急停止；所述声音报警器电路用于在所述扩展板复位时和/或所述机械手复位时进行报警；所述LED状态指示灯电路用于观察所述扩展板2的工作状态。

在具体实施时，所述主控模块1包括主控板和存储单元，所述存储单元用于为所述主控板提供储存空间，所述主控板内置有深度识别模型和路径规划模型，用于定位果实位置并依据所述果实位置生成所述控制指令。

优选的，所述主控板采用Jetson nano主控板，所述Jetson nano主控板具有ARM处理器，4GB的RAM和一系列外围设备接口，且拥有性能更高的GPU，具有较好的图像处理性能，能够满足果实采摘过程中的图像处理需求，因为图像的处理能力在很大程度上决定识别和定位的精度。

优选的，本实施例中采用YOLO-V5算法为基础进行果实的识别和定位，YOLO-V5是一种深度学习算法，通过对前期对成熟番茄图片数据集的与训练得到番茄检测模型，该番茄检测模型可识别并定位出图像中的成熟番茄。

根据Jetson nano开发手册，Jetson nano支持CSI、V4L2、RTP/RTSP三种类型摄像头，常用到的是CSI类型的树莓派V2摄像头和V4L2类型的USB摄像头，考虑到应用环境复杂，故本设计选用安装方便，易于固定的V4L2类型USB摄像头作为番茄采摘机械臂控制系统的图像传感器。

所述扩展板1采用STM32F103C8T6芯片，STM32是基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，封装体积小，价格与家族其他芯片相比较低，相比主流的51系列控制器拥有更高的运行速度和更丰富的外围接口。

进一步的，所述机械手包括六自由度机械臂和采摘手10，所述六自由度机械臂的各个关节均由舵机进行控制，所述舵机与所述扩展板2连接。

在具体实施时，所述机六自由度机械臂包括底座、第一刚性连接杆14和第二刚性连接杆15，还包括用于控制所述采摘手伸张程度的六号舵机9、用于带动所述采摘手10旋转的五号舵机8、用于带动所述采摘手10在与所述第二刚性连接杆15垂直的平面运动的四号舵机7、用于带动所述第二刚性连接杆15在与所述第一刚性连接杆14垂直的平面运动的三号舵机6、用于带动所述第一刚性连接杆14在与所述底座垂直的平面运动的二号舵机5、以及用于带动所述底座在水平面旋转运动的一号舵机4。

优选的，所述一号舵机至所述六号舵机均采用DS-SY15A型号数字舵机。DS-SY15A型号舵机为串口总线舵机，一条总线上理论上允许挂载256个舵机，且每个舵机都有且只有一个唯一的ID（0-255），所述扩展板可通过ID对指定舵机进行控制和发送数据。所述舵机接收到所述扩展板发送的数字信号后生成偏置电压，偏置电压和基准电压形成电位差，通过电压的正负控制舵机正反转，舵机的控制一般需要20ms的时基脉冲，时基脉冲的高电平部分通常为0.5ms-2.5ms，脉冲宽度决定舵机转动角度。

通过YOLO-V5获得位姿信息后，还需要基于正逆运动学分析规划机械手的运动路径；具体的，依据获得的初始位姿和终止位姿进行过渡插值，得到6组位姿，对6组位姿进行逆解，并判断计算结果是否是多条轨迹，若存在多解则选择最优轨迹，将最优解中各舵机角度传输至机械手执行规划，若只存在一条有效路径解则直接将改解中各舵机角度传输至机械手执行规划。

在具体实施时，所述采摘手10包括螺纹连接在所述六自由度机械臂前端的两指夹持器或多指夹持器。

其中，两指夹持器加持力度大，控制简单，但加持范围小，多指夹持器相对两指夹持器的优点是抓取范围大，抓取稳定，缺点是控制复杂。

因此，对于直径小的果实采用两指夹持器，对于直径大的果实采用多指夹持器。

在具体实施时，如图2所示，所述扩展板复位电路包括按键RESET和电容C11，该电路采用外部低电平复位，通过按键RESET实现所述扩展板2的复位引脚NRST的低电平；其中，电容C11用于实现按键消抖，按键RESET闭合或松开的接触过程会产生大约10ms的抖动，10ms内系统足以执行多次复位动作，由于电容电压不会发生突变，故采用电容滤波，防止抖动引发误动作。

所述声音报警电路包括三极管Q1和无源蜂鸣器，以根据所述扩展板2的指令进行报警。

所述机械手急停电路和所述机械手复位电路均通过按键来输入相应指令，其中，按键K1为机械手复位键，连接所述扩展板2和GND引脚，按下K1键可向所述扩展板2发送机械手复位指令，以供所述扩展板2向所述舵机发送复位指令，使所述舵机复位，实现所述机械手回归初始状态；按键K2为机械手急停键，连接所述扩展板2和GND引脚，按下K2键可向所述扩展板2发送机械手急停指令，以供所述扩展板2向所述舵机发送急停指令，关闭所述舵机的扭矩，使所述机械手紧急停止。

所述LED状态指示灯电路包括5个LED，其中，LED1连接所述扩展板2的MUC引脚，为扩展板状态指示灯，所述扩展板正常运行时按规律闪烁；LED2连接所述扩展板的Servo引脚，为机械手供电指示灯，所述机械手正常供电时常亮； LED4连接所述扩展板2的WIFI引脚，为主控模块联网状态指示灯，连接网络时常亮，未连接网络时常熄；LED5连接所述扩展板的RX引脚，为microUSB接口数据传输状态指示灯，有数据传输时按规律闪烁；LED6连接所述扩展板2的GND引脚，为扩展板5V供电指示灯，5V供电正常时常亮。

如图3所示为本实施例的果实采摘机械手的作业流程。果实采摘机械手进行采摘作业时，首先通过所述USB摄像头采集果实图像，然后由所述主控模块1基于YOLOv5算法程序对成熟果实进行识别和定位，得到位置坐标，然后对所述果实采摘机械手进行正逆运动学分析，做出轨迹规划，再计算出所述果实采摘机械手各个关节舵机的运动角度，并将数据发送给所述扩展板2以驱动所述果实采摘机械手运动，直至所述采摘手10到达目标位置并执行夹持和旋转动作，完成采摘作业。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种果实采摘机器人，其特征在于：包括移动底座，所述移动底座的一侧置有主控模块、扩展板和无线网卡，所述移动底座的另一侧设置有支撑架，所述支撑架上固设有机械手，所述扩展板分别与所述主控模块和所述机械手连接，用于根据所述主控模块的控制指令驱动所述机械手动作；所述机械手的前端还设置有图像传感器，所述图像传感器与所述主控模块连接，用于将采集的果实图像发送至所述主控模块，以供所述主控模块依据内置深度识别模型定位果实位置，并根据内置路径规划模型生成控制指令并下发给所述扩展板；

所述扩展板还分别连接有扩展板复位电路、机械手复位电路、机械手紧急停止电路、声音报警器电路和LED状态指示灯电路，所述扩展板复位电路用于将所述扩展板复位至初始状态；所述机械手复位电路用于将所述机械手复位至初始状态；所述机械手急停电路用于控制所述机械手紧急停止；所述声音报警器电路用于在所述扩展板复位时和/或所述机械手复位时进行报警；所述LED状态指示灯电路用于观察所述扩展板的工作状态。

2.根据权利要求1所述的果实采摘机器人，其特征在于：所述机械手包括六自由度机械臂和采摘手，所述六自由度机械臂的各个关节均由舵机进行控制，所述舵机与所述扩展板连接。

3.根据权利要求2所述的果实采摘机器人，其特征在于：所述采摘手包括螺纹连接在所述六自由度机械臂前端的两指夹持器或多指夹持器。

4.根据权利要求2所述的果实采摘机器人，其特征在于：所述主控模块包括主控板和存储单元，所述存储单元用于为所述主控板提供储存空间，所述主控板内置有深度识别模型和路径规划模型，用于定位果实位置并依据所述果实位置生成所述控制指令。

5.根据权利要求4所述的果实采摘机器人，其特征在于：所述扩展板采用STM32F103C8T6芯片，所述主控板采用Jetson nano主控板，所述舵机采用DS-SY15A型号数字舵机；所述图像传感器采用USB摄像头。

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