WO2023231354A1 - 山地标准化果园智能采摘机器人 - Google Patents

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吕程
赵立军
李强
黎斌
龚练
刘颖
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重庆文理学院
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    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
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Definitions

  • the main body of the mechanical arm includes a big arm assembly, a small arm assembly, a big arm servo and a small arm servo; both the big arm assembly and the small arm assembly It is a hinged four-bar linkage mechanism.
  • the fixed end of the boom assembly is fixed on the adjustment part of the horizontal adjustment mechanism through a mounting base.
  • the boom steering gear is fixed on one side of the mounting base and drives the boom steering gear.
  • the angle of the arm assembly changes, the small arm assembly and the big arm assembly are articulated and driven, the mechanical claw is installed on the adjustment end of the small arm assembly, and the small arm servo is fixed on a side of the mounting base.
  • it can drive the small arm assembly and the big arm assembly to drive the mechanical claw to perform synchronous actions.
  • the big arm assembly is 0° in the vertical state, and its rotation range is -90 ⁇ 90°; the small arm assembly is 0° in the horizontal state, and its rotation range is It is 0 ⁇ 60°.
  • the present invention provides an intelligent picking robot for standardized orchards in mountainous areas. Its main advantages and effects are:
  • the big arm assembly 200 is 0° in the vertical state, and its rotation range is -90 to 90°; the small arm assembly 201 is 0° in the horizontal state, and its rotation range is 0 to 60°.

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，本发明公开了山地标准化果园智能采摘机器人，包括：行走机构、抓取装置、收集装置和控制系统；抓取装置、收集装置和控制系统均设置在行走机构上；抓取装置能够在行走机构上进行水平旋转并且能够实现角度调节；控制系统的识别部件安装在行走机构的底盘和抓取装置上，通过控制系统控制行走机构、抓取装置和收集装置的协同动作；机器人能够对环境因素进行识别，在行进过程中精准的规避障碍，并通过摄像头观察蔬果的准确位置，实现自动导航；通过控制系统调节机器人与机械臂的相对位置，使其与蔬果位置对应，进行精准采摘，并进行收集和搬运，能够适应复杂的棚室环境，实现蔬果的自动化快速采摘。

Description

山地标准化果园智能采摘机器人 技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是涉及一种用于棚室内蔬果采摘的智能采摘机器人。
背景技术
在温室大棚的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50％～70％。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作，由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低。
目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例高达33％～50％。
因此，如何提供一种能够实现自动导航且精准采摘水果的采摘机器人是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供山地标准化果园智能采摘机器人，以至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
山地标准化果园智能采摘机器人，包括：行走机构、抓取装置、收集装置和控制系统；所述抓取装置、收集装置和控制系统均设置在所述行走机构上；
所述抓取装置包括机械臂主体、水平调节机构和机械爪，所述水平调节机构固定在所述行走机构的上方，所述机械臂主体连接在所述水平调节机构上，所述机械爪传动连接在所述机械臂主体的端部；
所述收集装置设置在所述行走机构的上方，且处于所述机械臂主体的一侧；
所述控制系统的识别部件安装在所述行走机构的底盘和所述机械臂主体上，通过控制系统控制所述行走机构、所述机械臂主体、所述水平调节机构、所述机械爪和所述收集装置的协同动作。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述行走机构包括底盘、旋转接头支架、旋转接头、车轮、连杆、传动杆、所述转向舵机和行进电机；
所述底盘的底部前方的两侧对称固定有两个所述旋转接头支架，两个所述旋转接头支架的相对侧通过转轴连接，每个所述旋转接头支架的接头连接端均转动连接有旋转接头，两个所述旋转接头的调节端通过连杆传动连接，车轮连接端分别固定有车轮，所述转向舵机固定在车架底部，其输出轴通过传动杆与连杆传动连接，控制前方车轮进行摆动；
所述底盘的底部后方对称固定一对行进电机，每个行进电机的输出轴均连接有车轮，为底盘提供动力。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述机械臂主体包括大臂组件、小臂组件、大臂舵机和小臂舵机；所述大臂组件和所述小臂组件均为铰链四连杆机构，所述大臂组件的固定端通过安装座固定在所述水平调节机构的调节部上，所述大臂舵机固定在所述安装座的一侧，驱动所述大臂组件的进行角度变化，所述小臂组件与所述大臂组件铰接传动，所述机械爪安装在所述小臂组件的调节端，所述小臂舵机固定在所述安装座的一侧，能够驱动小臂组件和大臂组件带动机械爪进行同步动作。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述水平调节机构包括云台和云台舵机，所述云台舵机固定在所述底盘上，所述云台固定在所述云台舵机的输出轴上，所述安装座固定在所述云台上。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述机械爪包括固定座、卡爪一、卡爪二和卡爪舵机；
所述固定座固定在所述小臂组件的调节端，所述固定座的外侧设有水平安装板，所述卡爪一和所述卡爪二的连接端通过转动轴连接在所述水平安装板上，且连接端通过轮齿啮合，所述卡爪舵机与其中一个转动轴连接，驱动所述卡爪一和所述卡爪二执行抓取动作。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述收集装置包括箱体、传动连杆机构、连杆舵机、连底杆和电动推杆；
所述箱体为顶部开口的收集箱，且一侧为底部铰接的开合板，所述连杆舵机设置在所述箱体的外壁，其输出轴穿入所述箱体内，所述传动连杆机构的一端与连杆舵机的输出轴固定，另一端与所述开合板铰接，所述连底杆的一端与所述箱体的底部一端铰接，另一端固定在所述底盘上，所述电动推杆铰接在所述箱体底部和所述底盘上，与所述连底杆相对，驱动电动推杆能够带动所述箱体倾斜卸料。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述控制系统包括控制器、电池、激光雷达和摄像头，所述激光雷达、所述电池和所述控制器均固定在所述底盘上，所述摄像头固定在所述固定座上，所述控制器分别与所述激光雷达、所述摄像头、所述行进电机、所述转向舵机、所述大臂舵机、所述小臂舵机、所述云台舵机、所述卡爪舵机、所述连杆舵机和所述电动推杆电信号连接，所述电池为以上机构供电。
优选的，在上述的山地标准化果园智能采摘机器人中，所述大臂组件在垂直状态为0°，其旋转范围是-90～90°；小臂组件在水平状态为0°，其旋转的范围是0～60°。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了山地标准化果园智能采摘机器人，其主要优点及效果在于：
机器人能够对环境因素进行识别，在行进过程中精准的规避障碍，并通过摄像头观察蔬果的准确位置，实现自动导航；
通过控制系统调节机器人与机械臂的相对位置，使其与蔬果位置对应，进行精准采摘，并进行收集和搬运，能够适应复杂的棚室环境，实现蔬果的自动化快速采摘。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中底盘的结构示意图；
图3为本发明行走机构中转向部分的结构示意图；
图4为本发明中旋转结构支架的结构示意图；
图5为本发明中抓取装置的结构示意图；
图6为本发明中收集装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅附图1为本发明的山地标准化果园智能采摘机器人，包括：行走机构1、抓取装置2、收集装置3和控制系统；抓取装置2、收集装置3和控制系统均设置在行走机构1上；
抓取装置2包括机械臂主体20、水平调节机构21和机械爪22，水平调节机构21固定在行走机构1的上方，机械臂主体20连接在水平调节机构21上，机械爪22传动连接在机械臂主体20的端部；
收集装置3设置在行走机构1的上方，且处于机械臂主体20的一侧；
控制系统的识别部件安装在行走机构1的底盘10和机械臂主体20上，通过控制系统控制行走机构1、机械臂主体20、水平调节机构21、机械爪22和收集装置3的协同动作。
参照附图2-4，行走机构1包括底盘10、旋转接头支架11、旋转接头12、车轮13、连杆14、传动杆15、转向舵机16和行进电机17；
两个旋转接头支架11通过顶部的连接部固定在底盘10的底部前方，并在其相对侧设有轴孔，通过转轴18穿设连接，每个旋转接头支架11的接头连接端均为U型连接部，将L型的旋转接头12的中部通过销轴转动连接，两个旋转接头12的调节端通过连杆14传动连接，形成平行四边形的铰链四连杆机构，车轮连接端分别固定有车轮13，转向舵机16固定在车架底部，其输出轴通过传动杆15与连杆14传动连接，控制前方车轮13进行摆动；
底盘10的底部后方对称固定一对行进电机17，每个行进电机17的输出轴均连接有车轮13，为底盘10提供动力。
参照附图5，机械臂主体20包括大臂组件200、小臂组件201、大臂舵机202和小臂舵机203；大臂组件200和小臂组件201均为铰链四连杆机构，安装座为U型架，底部固定在水平调节机构上，大臂组件200为平行四边形结构，其的固定端通过转动轴转动连接在安装座的内侧，调节端延伸形成支撑部，大臂舵机202固定在安装座204的一侧，其输出轴与转动轴连接，能够大臂组件的进行角度变化，小臂组件201为弯折状态的四连杆机构，连杆一与安装座铰接，并通过小臂舵机进行调节，连杆二铰接在大臂组件的一条杆壁上，连杆四同时与连杆三和大臂组件的支撑部铰接，驱动连杆一转动，连杆二起到杠杆的作用，拉动连杆三，使连杆四绕支撑部进行角度调节，机械爪22安装在连杆四的端部，随小臂组件进行同步动作。
为了进一步优化上述技术方案，水平调节机构21包括云台210和云台舵机211，云台舵机211固定在底盘10上，云台210固定在云台舵机211的输出轴上，安装座204固定在云台210上。
为了进一步优化上述技术方案，机械爪22包括固定座220、卡爪一221、卡爪二222和卡爪舵机223；
固定座220为纵向布置的板状结构，垂直固定在小臂组件201的调节端，固定座220的外侧设有水平安装板，卡爪一221和卡爪二222的连接端通过转动轴连接在水平安装板上，且连接端通过轮齿啮合，卡爪舵机223与其中一个转动轴连接，驱动卡爪一221和卡爪二222执行抓取动作。
参照附图6，收集装置3包括箱体30、传动连杆机构31、连杆舵机32、连底杆33和电动推杆34；
箱体30为顶部开口的收集箱，且一端壁板为底部铰接的开合板300，开合板的一侧壁板开有通孔，连杆舵机32设置在箱体30的外壁，其输出轴通过通孔穿入箱体30内，传动连杆机构31为中部铰接的双连杆机构，其的一端与连杆舵机32的输出轴固定，另一端通过铰接座与开合板300的板面铰接，连底杆33的一端通过铰接座与箱体30的底部一端铰接，另一端固定在底盘10上，电动推杆34的两端分别通过铰接座铰接在箱体30底部和底盘10上，与连底杆33相对，驱动电动推杆34能够带动箱体30倾斜卸料。
为了进一步优化上述技术方案，控制系统包括控制器、电池、激光雷达和摄像头4，激光雷达、电池和控制器均固定在底盘10上，摄像头4固定在固定座220上，控制器分别与激光雷达、摄像头4、行进电机17、转向舵机16、大臂舵机202、小臂舵机203、云台舵机211、卡爪舵机223、连杆舵机32和电动推杆34电信号连接，电池为以上机构供电。
为了进一步优化上述技术方案，大臂组件200在垂直状态为0°，其旋转范围是-90～90°；小臂组件201在水平状态为0°，其旋转的范围是0～60°。
为了进一步优化上述技术方案，本装置中激光雷达运用SLAM激光雷达导航技术。通过激光雷达构建棚室的地图，能够实现在垄间直线行走，定点转弯，通过机械臂上的摄像头，能够让小车在垄道行进过程中精准采摘蔬果。
为了进一步优化上述技术方案，所述控制器采用jetson nano控制器，
具体的，本发明的使用原理为：
jetson nano控制器通过激光雷达对周围环境进行全方位扫描测距检测，获得当前温室大棚垄道信息，当机器人启动后，激光雷达扫描当前环境，待环境检测完成后，jetson nano控制器启动行进电机，驱动行走机构前进，此时机器人的机械臂主体朝向为植株一侧，当摄像头检测到蔬果时，jetson nano控制器控制行进电机停止，机器人的摄像头通过视觉识别算法定位果实，对机器人的底盘进行前进后退的调整，以使得机械臂主体的工作范围能够摘取到果蔬，随后jetson nano控制器控制大臂舵机旋转以前伸大臂组件，此时摄像头继续判别果蔬的中心位置，对底盘进一步进行前进后退调整，当果蔬位于摄像头传输图像的中心点后，jetson nano控制器控制小臂舵机带动小臂进行前伸，当机械爪到达抓取位置后，jetson nano控制器控制机械爪舵机进行抓取工作，当抓取完成后，摄像头判别工作是否完成，若果蔬抓取完毕，则机器人旋转水平调节机构，将果蔬放置于后面的收集装置进行储存，随后机器人继续行走，进行下一次的采摘工作，若未完成采摘，则jetson nano控制器对大臂舵机和小臂舵机进行角度微调以调整多次工作造成的舵机角度误差，随后再次进行上述采摘工作。
当机器人即将进入到激光雷达传输的地图信息的拐弯处时，jetson nano控制器按照预设的程序开始规划转弯路径，随后jetson nano控制器控制转向舵机，来进行左转向或右转向，当完成整个棚室的采摘工作后，机器人在预设结束位置行进电机停止转动，小车停止行走，jetson nano控制收集装置中的连杆舵机转动，通过传动连杆机构，打开开合板，随后电动推杆启动，将箱体的一端顶起，形成箱体倾斜，以使箱体内的蔬果倒出，当结束倾倒果蔬工作后，电动推杆恢复原位，连杆舵机转动将关闭开合板，并结束工作。
jetson nano控制器可拓展遥控器，当通过遥控器控制时，可在棚室范围内对机器人的大臂小臂，以及前进后退转弯进行操控，在棚室环境较复杂，对环境建模要求较高时，可通过遥控器进行远程操控
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

  1. 山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，包括：行走机构(1)、抓取装置(2)、收集装置(3)和控制系统；所述抓取装置(2)、收集装置(3)和控制系统均设置在所述行走机构(1)上；
    所述抓取装置(2)包括机械臂主体(20)、水平调节机构(21)和机械爪(22)，所述水平调节机构(21)固定在所述行走机构(1)的上方，所述机械臂主体(20)连接在所述水平调节机构(21)上，所述机械爪(22)传动连接在所述机械臂主体(20)的端部；
    所述收集装置(3)设置在所述行走机构(1)的上方，且处于所述机械臂主体(20)的一侧；
    所述控制系统的识别部件安装在所述行走机构(1)的底盘(10)和所述机械臂主体(20)上，通过控制系统控制所述行走机构(1)、所述机械臂主体(20)、所述水平调节机构(21)、所述机械爪(22)和所述收集装置(3)的协同动作。
  2. 根据权利要求1所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述行走机构(1)包括底盘(10)、旋转接头支架(11)、旋转接头(12)、车轮(13)、连杆(14)、传动杆(15)、所述转向舵机(16)和行进电机(17)；
    所述底盘(10)的底部前方的两侧对称固定有两个所述旋转接头支架(11)，两个所述旋转接头支架(11)的相对侧通过转轴(18)连接，每个所述旋转接头支架(11)的接头连接端均转动连接有旋转接头(12)，两个所述旋转接头(12)的调节端通过连杆(14)传动连接，车轮连接端分别固定有车轮(13)，所述转向舵机(16)固定在车架底部，其输出轴通过传动杆(15)与连杆(14)传动连接，控制前方车轮(13)进行摆动；
    所述底盘(10)的底部后方对称固定一对行进电机(17)，每个行进电机(17)的输出轴均连接有车轮(13)，为底盘(10)提供动力。
  3. 根据权利要求2所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述机械臂主体(20)包括大臂组件(200)、小臂组件(201)、大臂舵机(202)和小臂舵机(203)；所述大臂组件(200)和所述小臂组件(201)均为铰链四连杆机构，所述大臂组件(200)的固定端通过安装座(204)固 定在所述水平调节机构(21)的调节部上，所述大臂舵机(202)固定在所述安装座(204)的一侧，驱动所述大臂组件的进行角度变化，所述小臂组件(201)与所述大臂组件(200)铰接传动，所述机械爪(22)安装在所述小臂组件(201)的调节端，所述小臂舵机(203)固定在所述安装座(204)的一侧，能够驱动小臂组件(201)和大臂组件(200)带动机械爪(22)进行同步动作。
  4. 根据权利要求3所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述水平调节机构(21)包括云台(210)和云台舵机(211)，所述云台舵机(211)固定在所述底盘(10)上，所述云台(210)固定在所述云台舵机(211)的输出轴上，所述安装座(204)固定在所述云台(210)上。
  5. 根据权利要求4所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述机械爪(22)包括固定座(220)、卡爪一(221)、卡爪二(222)和卡爪舵机(223)；
    所述固定座(220)固定在所述小臂组件(201)的调节端，所述固定座(220)的外侧设有水平安装板，所述卡爪一(221)和所述卡爪二(222)的连接端通过转动轴连接在所述水平安装板上，且连接端通过轮齿啮合，所述卡爪舵机(223)与其中一个转动轴连接，驱动所述卡爪一(221)和所述卡爪二(222)执行抓取动作。
  6. 根据权利要求5所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述收集装置(3)包括箱体(30)、传动连杆机构(31)、连杆舵机(32)、连底杆(33)和电动推杆(34)；
    所述箱体(30)为顶部开口的收集箱，且一侧为底部铰接的开合板(300)，所述连杆舵机(32)设置在所述箱体(30)的外壁，其输出轴穿入所述箱体(30)内，所述传动连杆机构(31)的一端与连杆舵机(32)的输出轴固定，另一端与所述开合板(300)铰接，所述连底杆(33)的一端与所述箱体(30)的底部一端铰接，另一端固定在所述底盘(10)上，所述电动推杆(34)铰接在所述箱体(30)底部和所述底盘(10)上，与所述连底杆(33)相对，驱动电动推杆(34)能够带动所述箱体(30)倾斜卸料。
  7. 根据权利要求6所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述控制系统包括控制器、电池、激光雷达和摄像头(4)，所述激光雷达、 所述电池和所述控制器均固定在所述底盘(10)上，所述摄像头(4)固定在所述固定座(220)上，所述控制器分别与所述激光雷达、所述摄像头(4)、所述行进电机(17)、所述转向舵机(16)、所述大臂舵机(202)、所述小臂舵机(203)、所述云台舵机(211)、所述卡爪舵机(223)、所述连杆舵机(32)和所述电动推杆(34)电信号连接，所述电池为以上机构供电。
  8. 根据权利要求7所述的山地标准化果园智能采摘机器人，其特征在于，所述大臂组件(200)在垂直状态为0°，其旋转范围是-90～90°；小臂组件(201)在水平状态为0°，其旋转的范围是0～60°。
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