CN102165880A - 一种自主导航的履带式移动水果采摘机器人及水果采摘方法 - Google Patents

Abstract

一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行***和控制***，其特征是：所述机械执行***包括智能移动平台、水果采摘机械臂和两指式采摘机械手，所述智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架、支撑立柱、横梁、减速机等。所述控制***包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、编码器、GPS、单目摄像机组件、双目摄像机、激光测距传感器、控制电路等。本发明将水果采摘机械臂、两指式采摘机械手、智能移动平台和传感器***几个部分集成在一起，将果实的识别、采摘机械臂的运动、末端执行器的抓取和移动平台的自主导航与避障等几个关键技术进行整合，真正实现水果采摘的自动化、无人化。

Description

一种自主导航的履带式移动水果采摘机器人及水果采摘方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种自主导航的履带式水果采摘机器人。

背景技术

我国是水果生产大国，近年水果的年产量在9500万吨左右，约占世界水果总产量的18%。从20世纪70年代至今，果园的种植面积和总产量一直呈现上升的趋势。根据以往调查数据显示，苹果、柑橘、梨是我国水果的主要种植品种，无论是面积还是产量均一直排在前三位，约占整个水果产量的50%左右。

进入21世纪以来，我国人口面临老龄化问题日趋严重，而且随着工业的迅速发展，农业劳动力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力短缺严重且成本逐渐提高。水果采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的环节，其收获又属于劳动密集型作业，水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的50%。而且在水果采摘作业中经常需要借助梯子登高，长时间作业不仅劳动强度大而且具有一定的危险性。以上众多因素给水果的收获带来了极大的困难，因此研究开发一种自动化的水果采摘机器人迫在眉睫。水果采摘机器人不仅能够降低果农的劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本、保证果实及时采收、保证果品质量，而且对于促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。

放眼全球，对农业机器人的研究大概始于20世纪80年代初。目前日本、法国和美国在该领域已成为研究的先锋。相对于这些发达国家，我国在该领域的研究起步较晚，大概始于20世纪90年代中期。目前国内有不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究；浙江大学对番茄收获机械手进行了运动学分析；上海交通大学对黄瓜采摘进行了研究；江苏大学对番茄收获机械手进行相应研究等。此外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发出草莓拣选机器人；赵杰文等研究了基于HIS颜色特征的田间成熟番茄识别技术；梁喜凤等对番茄收获机械手运动学特性进行了分析，并对番茄收获机械手运动学优化与仿真进行了试验。从以上研究可以看出，国内的科研人员在果蔬采摘领域做了大量的工作，但是水果的采摘是个极其复杂的***工程，目前仍有很多难题没有解决。比如以上研究大多是集中在水果采摘机械臂、各种末端执行器、视觉传感器***等几个单方面的研究，几乎没有人将水果采摘机械臂、末端执行器、传感器***和智能移动平台整个***结合在一起深入研究。这就带来一个问题，研究出来的采摘机器人仍然需要人的协助（将采摘机器人固定在车辆上，人工驾驶车辆，不能自主导航）才能完成采摘任务。该问题不仅在国内出现，而且在国外也广泛存在。因此，从本质上讲，水果的采摘还没有真正实现完全自动化，无人化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主导航的履带式水果采摘机器人，本发明就是针对以上研究中存在的问题，将六自由度的采摘机械臂、末端执行器、传感器***和智能移动平台整个***结合在一起，将六自由度的采摘机械臂的运动、末端采摘机械手的抓取和智能移动平台的自主导航等几个关键步骤融合在一起，真正实现了水果采摘的完全自动化，无人化。

本发明的技术方案是：

一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行***和控制***，其特征是：

所述机械执行***包括履带式智能移动平台、六自由度的采摘机械臂和两指式末端采摘机械手；

所述履带式智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架、支撑立柱、横梁、减速机、前箱体和后箱体及侧面挡板，其中两个履带总成通过四根横梁与履带支撑梁焊接，实验设备固定机架和履带式智能移动平台之间通过四根支撑立柱连接，前箱体和后箱体及侧面挡板由支撑立柱上的支架支撑；

每个所述履带总成包括承重轮、导向轮、张紧轮、驱动轮、履带、履带支撑梁、减速机及减速机固定座，减速机安装在减速机固定座上；

所述采摘机械臂固定在履带式智能移动平台前端的采摘机械臂固定基座上，采摘机械臂的控制柜固定在履带式智能移动平台的后端；

所述双目摄像机位于六自由度的采摘机械臂末端关节的上侧，两个GPS接收机分别位于工控机的前后两侧。伺服电机驱动器及电气柜放置在履带式智能移动平台中部，工控机主机位于电气柜上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内，单目摄像机组件位于工控机上方。

所述控制***包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机、光电编码器、两个GPS接收机、单目摄像机组件、双目摄像机、激光测距传感器、力传感器、滑觉传感器、控制电路、伺服电机驱动器及电气柜。

一种利用自主导航的履带式水果采摘机器人进行水果采摘的方法，其特征在于包括以下步骤：

单目摄像机检测果树的位置；

当检测到视野范围内有果树时，工控机向运动控制卡发送履带式智能移动平台停止前进指令，同时向采摘机械臂的控制器发送指令，使采摘机械臂上的双目摄像机旋转到正对果树方向；

双目立体视觉***采集果树和障碍物的图像信息，对成熟果实及其周围障碍物进行图像识别，然后主控制器工控机解算出果实相对采摘机械臂基坐标的空间位置坐标以及水果抓取所需位姿信息。接下来主控制器工控机再对采摘路径进行规划，确保采摘过程中机械臂不会碰到障碍物。最后两指式末端采摘机械手抓取水果，将水果放入水果收集箱内；

重复执行以上过程，直到采摘范围里的水果全部采摘完毕，履带式智能移动平台继续前进，并重复以上行走和水果采摘过程；

当双目摄像机检测到路面果树行特征丢失，则采摘机器人到达地头，立刻启动转弯程序，当再次检测到果树行特征时，采摘机器人继续跟踪行特征，并重复以上的水果采摘过程。

还包括以下步骤：

如果前进过程中双目摄像机和激光测距传感器检测到移动平台前进方向上有障碍物，工控机就会将双目摄像机检测的障碍物大小信息、激光测距传感器与双目摄像机检测的采摘机器人距离障碍物的深度信息、GPS***检测的采摘机器人当前位姿信息以及路面的环境信息进行综合处理计算；

如果计算结果显示采摘机器人可以避障，则***立刻启动避障程序，如果计算结果显示不能绕过障碍物，采摘机器人就立刻停止在原地并发出警报。

本发明的有益效果是：

本发明的优点是：（1）在水果采摘领域首次将采摘机器人的自主导航***和水果自动采摘***融合在一起，实现了水果采摘完全自动化、无人化；（2）履带式智能移动平台结构简单，重量轻，能适应多种复杂路况，驱动轮和承重轮采用的是高分子材料，在满足强度的前提下减轻了重量，同时还能起到一定的减震作用；（3）整个移动平台由伺服电机和减速机驱动，用编码器来反馈当前位置信息，能够实现精确的位置控制；（4）导航采用的DGPS***，除了基站的接收机以外，智能移动平台上还有两个接收机。该***不仅能获取智能移动平台位置和姿态信息，而且主控制器工控机还能将DGPS获取的导航信息与双目摄像机、激光测距传感器的信息进行融合，这就大大提高了智能移动平台导航精度和避障能力；（5）所述采摘机器人视觉传感器中的双目摄像机采用分时复用方案，避免使用两个双目相机，既满足了使用要求，又节约成本。当智能移动平台需要视觉导航时，六自由度的采摘机械臂旋转至导航所需的初始位姿，进行导航图像信息的采集。当需要采摘水果时，六自由度的采摘机械臂末端关节旋转至正对果树方向，采集果树图像信息，解算水果空间位置坐标，获取水果抓取所需位姿信息；（6）实验设备固定架与采摘机器人的底盘用螺栓联接，方便拆卸，可以做到一机多用，如在非水果收获季节可用作除草、喷药、施肥、播种等多种机器人的智能移动平台；（7）智能移动平台既可以使用直流电源供电也可以使用交流电源供电，这就大大提高了平台的适应性，减少了使用环境的限制；

为了倡导“节能减排、绿色低碳”的环保理念，在设计中所定的方案在满足使用要求的前提下，结构设计都是力求简单化，轻型化。如传统的伺服***多采用三相380V转三相200V的三相隔离变压器给伺服驱动器供电（这种变压器不仅非常笨重，而且能耗太高，发热量太大）。考虑到以上不良因素，在本设计中我们抛弃了传统的思路，采用最新研制的智能伺服变压器，这就使得采摘机器人总体重量减轻25%，变压器本身成本降低50%，整个机器人能耗也随之降低30%以上。

本发明解决了水果采摘劳动力短缺且成本过高这一问题，降低了果农的劳动强度、提高了劳动生产率、降低了生产成本、保证了果实及时采收、保证了果品质量。

本发明推进了水果采摘技术的革新，对促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有重要意义。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明驱动底盘的伺服电机驱动控制电路图。

图3是本发明的控制***的主要功能模块构成示意图。

图1中，1为两指式末端采摘机械手、2为双目摄像机、3为六自由度的采摘机械臂、4为采摘机械臂固定基座、5为三相隔离变压器6为实验设备固定机架、7为前箱体、8为箱体托架、9为支撑立柱、10为张紧轮、11为履带、12为横梁、13为履带支撑梁、14为减速机、15为减速机固定座、16为驱动轮、17为轴承支撑架、18为承重轮、19为伺服电机、20为导向轮、21为后箱体及侧面挡板、22为六自由度的采摘机械臂控制柜、23为显示器、24为伺服电机驱动器、25为水果收集箱、26为第一GPS接收机、27为工控机、28为单目摄像机组件、29为第二GPS接收机、30为电气柜、31为锂电池***。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1，本实施例的自主导航和自动采摘的移动式水果采摘机器人主要由两指式末端采摘机械手1、双目摄像机2、六自由度的采摘机械臂3、采摘机械臂固定基座4、三相隔离变压器5、实验设备固定机架6、前箱体7、箱体托架8、支撑立柱9、张紧轮10、履带11、横梁12、履带支撑梁13、减速机14、减速机固定座15、驱动轮16、轴承支撑架17、承重轮18、伺服电机19、导向轮20、后箱体及侧面挡板21、六自由度的采摘机械臂控制柜22、显示器23、伺服电机驱动器24、水果收集箱25、GPS接收机Ⅰ26、 工控机27、单目摄像机组件28、GPS接收机Ⅱ29、电气柜30、锂电池***31 等组成。电气柜30的内部有断路器，熔断器，智能伺服变压器；电气柜30的外部有空气开关、漏电保护器等。单目摄像机组件28包括单目摄像机以及配套的云台及其固定支架。

两指式末端采摘机械手1内部有力传感器和滑觉传感器，夹持不同水果时可以设定不同的阈值，以此来适应多种不同种类水果的抓取。双目像机2在其下表面有安装孔和定位孔，双目相机通过工字型固定架与六自由度的采摘机械臂3上的安装孔用螺钉进行联接。采摘水果时双目相机2用来识别苹果，并解算苹果相对于六自由度的采摘机械臂基座的空间位置坐标。采摘机械臂固定基座4用螺栓固定在实验设备固定机架6的前端，具***置可调，以方便采摘机器人在不同行距的果园环境下工作。另外，为了保持整个平台的重量平衡和降低布线时的电磁干扰等问题，将六自由度的采摘机械臂控制柜22布置于实验设备固定机架6的后端。水果收集箱25、电气柜30、工控机27、GPS接收机26和27、单目相机28、伺服电机驱动器24都位于实验设备固定机架6的中部。其中电气柜30直接用螺钉固定在实验设备固定机架6上。电气柜内部的断路器，熔断器，智能伺服变压器均用螺钉固定在绝缘板上。外部的空气开关及漏电保护器则用螺钉固定在电气柜的侧面，这样布置的好处是当采摘机器人遇到突发事件可以立刻停机。工控机主机27位于电气柜30的上方。GPS接收机26与29位于工控机27的前后两侧，单目摄像机组件28则位于工控机27的上面，伺服电机驱动器24安装在采摘机械臂控制柜22和电气柜30之间。工控机27的显示器23位于采摘机械臂控制柜22的上方。用于整个***供电的锂电池***31安装在横梁12上。

前箱体7、后箱体及侧面挡板21均由箱体托架8固定在支撑立柱9上。前后箱体上均留有圆孔，其中前箱体上的孔主要用来穿线以减少平台表面布线，使整个平台外观整洁有序。后箱体上除了穿线孔以外还有部分较大的圆孔是通风孔，用于给采摘机械臂控制柜22散热。支撑立柱9与横梁12采用螺栓联接为了方便拆卸和一机多用。横梁12和履带支撑梁13直接焊接在一起。履带11内侧的导向轮20、承重轮18、张紧轮10的支撑轴均焊接在履带支撑梁13上。

伺服电机19与减速机14采用螺栓联接。减速机14及其固定座15固定在底盘的机架上。伺服电机19由工控机27、编码器（图中未画出）及内部的运动控制卡（图中未画出）来实现精确的位置控制。整个机器人的位置控制由伺服电机19上的编码器（图中未画出）进行反馈。第一GPS接收机26和第二GPS接收机27、双目相机2、单目相机28、激光测距传感器、力传感器、滑觉传感器（图中未画出）以及工控机27构成了采摘机器人导航、避障以及水果抓取的环境感知***。

一种利用自主导航的履带式水果采摘机器人进行水果采摘的方法，其特征在于包括以下步骤：

单目摄像机28检测果树的位置；

当检测到视野范围内有果树时，工控机27向运动控制卡发送履带式智能移动平台停止前进指令，同时向采摘机械臂3的控制器发送指令，使采摘机械臂上的双目摄像机2旋转到正对果树方向；

双目立体视觉***采集果树和障碍物的图像信息，对成熟果实及其周围障碍物进行图像识别，然后主控制器工控机27解算出果实相对采摘机械臂3基坐标的空间位置坐标以及水果抓取所需位姿信息。接下来主控制器工控机27再对采摘路径进行规划，确保采摘过程中机械臂不会碰到障碍物。最后两指式末端采摘机械手1抓取水果，将水果放入水果收集箱内；

重复执行以上过程，直到采摘范围里的水果全部采摘完毕，履带式智能移动平台继续前进，并重复以上行走和水果采摘过程；

当双目摄像机2检测到路面果树行特征丢失，则采摘机器人到达地头，立刻启动转弯程序，当再次检测到果树行特征时，采摘机器人继续跟踪行特征，并重复以上的水果采摘过程。

还包括以下步骤：

如果前进过程中双目摄像机2和激光测距传感器检测到移动平台前进方向上有障碍物，工控机27就会将双目摄像机2检测的障碍物大小信息、激光测距传感器与双目摄像机2检测的采摘机器人距离障碍物的深度信息、GPS***检测的采摘机器人当前位姿信息以及路面的环境信息进行综合处理计算；

如果计算结果显示采摘机器人可以避障，则***立刻启动避障程序，如果计算结果显示不能绕过障碍物，采摘机器人就立刻停止在原地并发出警报。

进入21世纪，我国人口面临日益严峻的人口老龄化问题，而且随着工业的迅速发展，农业劳动力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力短缺且劳动成本逐渐增高。水果采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的环节，其收获又属于劳动密集型作业。水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的50%，以上众多因素给水果的收获带来了极大的困难。本发明的采摘机器人就是为了解决以上水果采摘存在的困难，其不仅能够降低果农的劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本、保证果实及时采收、保证果品质量，而且对于促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行***和控制***，其特征是：

所述机械执行***包括履带式智能移动平台、六自由度的采摘机械臂和两指式末端采摘机械手；

所述履带式智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架（6）、支撑立柱（9）、横梁（12）、减速机（14）、前箱体（7）和后箱体及侧面挡板（21），其中两个履带总成通过四根横梁（12）与履带支撑梁（13）焊接，实验设备固定机架（6）和履带式智能移动平台之间通过四根支撑立柱（9）连接，前箱体（7）和后箱体及侧面挡板（21）由支撑立柱（9）上的支架支撑；

每个所述履带总成包括承重轮（19）、导向轮（20）、张紧轮（10）、驱动轮（16）、履带（11）、履带支撑梁（13）、减速机（14）及减速机固定座（15），减速机（14）安装在减速机固定座（15）上；

所述采摘机械臂（3）固定在履带式智能移动平台前端的采摘机械臂固定基座（4）上，采摘机械臂（3）的控制柜（22）固定在履带式智能移动平台的后端。

2.根据权利要求1所述的自主导航的履带式水果采摘机器人，其特征在于所述双目摄像机（2）位于六自由度的采摘机械臂（3）末端关节的上侧，两个GPS接收机分别位于工控机（27）的前后两侧；伺服电机驱动器（24）及电气柜（30）放置在履带式智能移动平台中部，工控机（27）主机位于电气柜（30）上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内，单目摄像机组件（28）位于工控机（27）上方。

3.根据权利要求1所述的自主导航的履带式水果采摘机器人，其特征在于所述控制***包括工控机（27）、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机（19）、光电编码器、两个GPS接收机、单目摄像机组件（28）、双目摄像机（2）、激光测距传感器、力传感器、滑觉传感器、控制电路、伺服电机驱动器（24）及电气柜（30）。

4.一种利用如权利要求2所述的自主导航的履带式水果采摘机器人进行水果采摘的方法，其特征在于包括以下步骤：

    单目摄像机（28）检测果树的位置；

    当检测到视野范围内出现果树时，工控机（27）向运动控制卡发送履带式智能移动平台停止前进指令，同时向采摘机械臂（3）的控制器发送指令，使采摘机械臂上的双目摄像机（2）旋转到正对果树方向；

双目立体视觉***采集果树和障碍物的图像信息，对成熟果实及其周围障碍物进行图像识别，然后主控制器工控机（27）解算出果实相对采摘机械臂（3）基坐标的空间位置坐标以及水果抓取所需位姿信息；

接下来主控制器工控机（27）再对采摘路径进行规划，确保采摘过程中机械臂不会碰到障碍物；

最后两指式末端采摘机械手（1）抓取水果，将水果放入水果收集箱内；

    重复执行以上过程，直到采摘范围里的水果全部采摘完毕，履带式智能移动平台继续前进，并重复以上行走和水果采摘过程；

    当双目摄像机（2）检测到路面果树行特征丢失，则采摘机器人到达地头，立刻启动转弯程序，当再次检测到果树行特征时，采摘机器人继续跟踪行特征，并重复以上的水果采摘过程。

5.根据权利要求4所述的水果采摘的方法，其特征在于还包括以下步骤：

    如果前进过程中双目摄像机（2）和激光测距传感器检测到移动平台的前进方向上有障碍物，工控机（27）就会将双目摄像机（2）检测的障碍物大小信息、激光测距传感器与双目摄像机（2）检测的采摘机器人距离障碍物的深度信息、GPS***检测的采摘机器人当前位姿信息以及路面的环境信息进行综合处理计算；

    如果计算结果显示采摘机器人可以避障，则***立刻启动避障程序，如果计算结果显示不能绕过障碍物，采摘机器人就立刻停止在原地并发出警报。

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