CN109479522A - 一种水果采摘机器人及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水果采摘机器人，包括移动平台、机械臂和末端执行器，其中，所述移动平台上设有水平旋转台，水平旋转台上固定连接所述机械臂，机械臂的末端连接所述末端执行器，还包括：第一视觉识别装置，用于识别水果位置和水果的大小；第二视觉识别装置，用于识别果梗相对果梗切断槽的位置；压力传感器，用于检测末端执行器与被采摘水果之间的抱紧力，本发明能够对被采摘水果的位置和大小同时进行精确判断后对水果进行精确采摘，采摘时不损伤周围水果，并且采摘效率高，能很好的适应不同工作环境的采摘，不影响植物生长。

Description

一种水果采摘机器人及其采摘方法

技术领域

本发明公开了一种水果采摘机器人，属于采摘机器人领域。

背景技术

中国是一个农业大国，当前中国制造业取得了突飞猛进的发展，但以番茄为代表的水果类收获方式仍主要以人工收获为主，劳动强度大，工作效率低，费时费力。

水果的果皮一般都比较薄，在采摘过程中非常小心，作用力过大或过小都不能很好的完成采摘过程，作用力过大可能会对水果造成不必要的损伤，作用力过小可能无法将水果抱紧而造成的在采摘过程中落地造成损伤。

目前国内外已经研究出了一些水果采摘机器人，但是在采摘过程中出现了很多问题。

现有的采摘机器人的末端执行器很多采用多抓同时进行抓取，这种方式在采摘时很可能因抓多而对目标水果外的水果造成损伤；还有的末端执行器采用夹持果梗的方式进行采摘，这种方式在采摘过程中很可能因为水果过于成熟而与果梗分离落地，造成损伤。

现有采摘机器人的切断装置很多采用扭断果梗或者在末端执行器的上方安装剪刀的方式使水果与果梗分离。扭断的方式很容易对植物造成损伤或使其他的水果因扭拉落地造成损伤；安装剪刀的方式增加了末端执行器的复杂程度，在采摘过程中容易对水果造成损伤。

现有采摘机器人机械臂总长固定，采摘范围小，采摘效率低。

现有采摘机器人的视觉识别装置在竖直方向上的高度固定，使长得过高或过低的水果无法被识别，降低了采摘效率。

现有采摘机器人行走机构很多采用轮胎，这种方式不能很好的适应不同工作环境的采摘，而且因为与地面接触面积小造成对地面的压实，使得土地的透气性很差，影响植物的生长。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种水果采摘机器人，能够对被采摘水果的位置和大小同时进行精确判断后对水果进行精确采摘，采摘时不损伤周围水果，并且采摘效率高，能很好的适应不同工作环境的采摘，不影响植物生长。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：

一种水果采摘机器人，包括移动平台、机械臂和末端执行器，其中，所述移动平台上设有水平旋转台，水平旋转台上固定连接所述机械臂，机械臂的末端连接所述末端执行器，还包括：

第一视觉识别装置，设置在所述移动平台上，用于识别水果位置和水果的大小；

所述末端执行器包括：第一卡爪连架、第二卡爪连架、两个相向布置的主卡爪、以及设置在两个主卡爪中间正上方的一个用于对水果进行二次抱紧的辅助卡爪；

其中，所述第一卡爪连架的后端、辅助卡爪的末端以及第二卡爪连架三者之间通过销钉连接；

第一卡爪连架前部的左、右两侧对称铰接两个所述主卡爪，第一卡爪连架的内部设有滑槽，滑槽内滑动设置有一滑杆，

第一驱动单元与滑杆的一端驱动连接，滑杆另一端伸出第一卡爪连架前端后通过一平面连杆机构与两个主卡爪传动连接；

所述辅助卡爪上设有供果梗穿过的果梗通槽，果梗通槽的槽尾部设有果梗切断槽，果梗切断槽内设有果梗切断机构，所述果梗切断机构包括：

一滑块，滑块上连接有用于对果梗进行切断的刀片；

第二驱动单元，与所述滑块驱动连接，用于驱动滑块在果梗切断槽内来回移动，从而带动刀片将果梗切断；

第二视觉识别装置，设置在所述辅助卡爪上，用于识别果梗相对果梗切断槽的位置；

压力传感器，设置在末端执行器上，用于检测末端执行器与被采摘水果之间的抱紧力；

所述机械臂包括：第一连接臂、第二连接臂以及第三连接臂，第一连接臂的一端与水平旋转台固定连接，第一连接臂和第二连接臂之间、以及第二连接臂和第三连接臂之间均通过舵机单元相连，所述第三连接臂为伸缩臂，伸缩臂的固定部分通过舵机单元与第二连接臂连接，伸缩臂的活动部分与末端执行器连接；

所述第三连接臂上活动部分的末端通过转动副与末端执行器上的第二卡爪连架连接；

控制模块，与所述行走机构、水平旋转台、舵机单元、转动副、第一视觉识别装置、第二视觉识别装置、第一驱动单元以及第二驱动单元信号连接。

所述第一视觉识别装置包括并列设置在移动平台上的两根竖向伸缩杆，每根所述竖向伸缩杆的顶部设有一个第一CCD摄像头；所述第二视觉识别装置包括固定设置在所述辅助卡爪上临近所述果梗通槽处的一个第二CCD摄像头。

所述第一驱动单元为液压驱动单元，液压驱动单元的伸缩轴与所述滑杆一端固定连接；

所述第二驱动单元包括电机和蜗轮蜗杆机构，其中，蜗杆的两端旋转支撑在辅助卡爪上位于果梗切断槽的两侧，电机驱动蜗杆在果梗切断槽内自转，所述涡轮固定连接在滑块的尾端，蜗杆和涡轮传动，带动整个滑块在果梗切断槽内沿蜗杆轴向来回移动。

所述滑块中设有供上述刀片插接的刀片插槽，刀片的一端***所述刀片插槽后通过销钉与滑块连接。

所述移动平台包括底部行走机构和支撑平台，所述底部行走机构为履带式行走机构。

所述移动平台上位于水平旋转台的两侧分别设有一个水果收纳箱。

所述主卡爪、辅助卡爪与水果相接触的部分设有软垫层。

所述辅助卡爪包括辅助卡爪本体以及设置辅助卡爪本体前端的辅助卡爪次爪，所述辅助卡爪次爪与辅助卡爪本体之间铰接。

本发明进一步公开了一种基于所述水果采摘机器人的采摘方法，

作业前，机器人通过第一视觉识别装置采集水果的位置及长势，机械臂和末端执行器之间通过转动副调节好位姿以便采摘；同时末端执行器上相向设置的两个主卡爪张开至最大状态，防止在捕捉水果时主卡爪与水果相撞造成损伤；

通过第一驱动单元驱动滑杆，滑杆带动平面连杆机构以调节两个主卡爪所围成形状的大小，确保水果在采摘时能被抱住；

第二视觉捕捉装置进行精确捕捉果梗的三维坐标，末端执行器通过第二视觉捕捉装置反馈的三维坐标精准的运动使果梗进入果梗切断槽，此时主卡爪和辅助卡爪同时抱紧水果；

压力传感器监测抱紧力的大小并传输到控制器，当控制器检测力达到设定值时，控制器发送信号给第二驱动单元，第二驱动单元驱动滑块和刀片沿着果梗切断槽进行一次往复运动将果梗切断；

最后控制器计算路线并通过机械臂以及各舵机单元精准的将水果送至移动平台上的水果收纳箱中；

一次采摘结束后继续将第一视觉识别装置所识别的水果依次采摘，当采摘完后第一视觉识别装置通过竖向伸缩杆调节第一视觉识别装置的高度进一步采摘不同高度的水果，当一侧的水果全部采摘完后，水平旋转台逆时针转动180度，进行采摘另一侧的水果，同样的采摘结束后，通过移动平台底部的行走机构移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完。

本发明相对于现有水果采摘机器人，具有以下的有益效果：

第一、作业前，本发明机器人通过第一视觉识别装置采集水果的位置及长势，机械臂和末端执行器之间通过转动副调节好位姿以便采摘；同时末端执行器上相向设置的两个主卡爪张开至最大状态，防止在捕捉水果时主卡爪与水果相撞造成损伤。

第二、通过第一驱动单元以及平面连杆机构调节两个主卡爪所围成形状的大小以便确保水果在采摘时能被抱住；此时辅助卡爪保持水平状态以便采摘水果；

第二视觉捕捉装置进行精确捕捉果梗的三维坐标，末端执行器通过第二视觉捕捉装置反馈的三维坐标精准的运动使果梗进入果梗切断槽，此时主卡爪和辅助卡爪同时抱紧水果；

压力传感器监测抱紧力的大小并传输到控制器，当控制器检测力达到设定值时，第二驱动单元驱动滑块和刀片沿着果梗切断槽进行一次往复运动将果梗切断；

最后控制器计算路线并通过机械臂以及各舵机单元精准的将水果送至移动平台上的水果收纳箱中。

一次采摘结束后继续将第一视觉识别装置所识别的水果依次采摘，当采摘完后第一视觉识别装置通过竖向伸缩杆调节第一视觉识别装置的高度进一步采摘不同高度的水果，当一侧的水果全部采摘完后，水平旋转台逆时针转动180度，进行采摘另一侧的水果，同样的采摘结束后，通过移动平台底部的行走机构移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完。

附图说明

图1为本发明水果采摘机器人的总装图；

其中，1、行走机构；2、水果收纳箱；3、末端执行器；4、第三连接臂上活动部分；5、第三连接臂上固定部分；6、第二连接臂；7、舵机单元；8、第一视觉识别装置；9、水平旋转台；10、竖向伸缩杆；11、支撑平台；

图2为本发明末端执行器的结构示意图；

其中，2-1、第二卡爪连架；2-2、销轴；

图3为辅助卡爪的结构示意图；

其中，2-3、辅助卡爪次爪；2-4、销钉；2-5、果梗通槽；2-6、果梗切断槽；2-7、第二视觉识别装置；2-8、蜗杆；2-9、电机；

图4为主卡爪的结构示意图；

其中，2-10、左侧主卡爪；2-11平面连杆机构；2-12、销钉；2-13、第一卡爪连架；2-14、滑杆；2-15、销钉；2-16销钉；2-17、右侧主卡爪；

图5为滑块和刀片的结构示意图；

其中，12、刀片；13、限位机构；14、滑块；15、销钉；16、涡轮。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施案例：

详见图2至图5，本实施例的水果采摘机器人，包括第二卡爪连架2-1、第一卡爪连架2-13以及辅助卡爪，上述三个部件之间通过销钉连接；

辅助卡爪与辅助卡爪次爪2-3之间通过销钉连接；

滑块14与果梗切断槽之间形成移动副；刀片12、限位机构13与滑块14之间通过销钉连接；

左侧主卡爪2-10、右侧主卡爪2-17和平面连杆机构之间通过销钉连接形成平面四连杆机构；

第一连接臂、第二连接臂以及第三连接臂之间通过舵机单元连接，形成转动副。

末端执行器

针对现有采摘机器人末端执行器的缺陷，本发明末端执行器的设计由辅助卡爪和主卡爪两部分组成。主卡爪由两个弧状爪子组成，通过第一视觉识别装置计算目标水果的大小，从而通过第一驱动单元以及平面连杆机构调节主卡爪的大小。

而且在辅助卡爪中设计了次抓，对水果进行一个二次抱紧。通过这样一个主卡爪与辅助卡爪的配合确保水果被抱紧不会再采摘过程中掉落。

本发明末端执行器的果梗切断采用切断装置切断，切断装置安装在辅助卡爪的果梗切断槽里。这种设计既能有效快速切断果梗，又能避免现有技术中通过扭断果梗的方法而对植物造成的伤害。

本发明末端执行器在辅助卡爪上安装了第二视觉捕捉装置，对果梗的三维坐标进行识别计算，进而确保果梗进入果梗切断槽。这种设计有效提高了识别采摘效率。

本发明末端执行器的尾端与机械臂的连接处形成转动副使末端执行器可以360度转动以改善因水果长势所导致的问题。

机械臂

本发明机械臂上第三连接臂为伸缩臂，通过液压传动使机械臂可以自由伸缩，改善了采摘距离远的问题，提高了采摘效率。

视觉识别装置

本发明第一视觉识别装置的底部通过竖向伸缩杆安装在水平旋转台上，使第一视觉识别装置可以自由的在竖直方向移动，改善了水果在竖直方向的识别范围问题，提高了采摘效率。

本发明水平旋转台与机体形成一个转动副，水平旋转台可以360度转动，这样就可以在同一个位置对机器人两侧的水果进行采摘，提高了采摘效率。

本发明的行走机构采用履带，这样机器人与地面的接触面积相对轮胎大很多，减小了对土地的压实作用，而且履带能适应很多不同地形的采摘作业。

利用本发明一种水果采摘机器人进行水果采摘的采摘方法是：

作业前，本发明机器人通过第一视觉识别装置采集水果的位置及长势，机械臂和末端执行器之间通过转动副调节好位姿以便采摘；同时末端执行器上相向设置的两个主卡爪张开至最大状态，防止在捕捉水果时主卡爪与水果相撞造成损伤。

通过第一驱动单元以及平面连杆机构调节两个主卡爪所围成形状的大小以便确保水果在采摘时能被抱住；此时辅助卡爪保持水平状态以便采摘水果；

第二视觉捕捉装置进行精确捕捉果梗的三维坐标，末端执行器通过第二视觉捕捉装置反馈的三维坐标精准的运动使果梗进入果梗切断槽，此时主卡爪和辅助卡爪同时抱紧水果；

压力传感器监测抱紧力的大小并传输到控制器，当控制器检测力达到设定值时，第二驱动单元驱动滑块和刀片沿着果梗切断槽进行一次往复运动将果梗切断；

最后控制器计算路线并通过机械臂以及各舵机单元精准的将水果送至移动平台上的水果收纳箱中。

一次采摘结束后继续将第一视觉识别装置所识别的水果依次采摘，当采摘完后第一视觉识别装置通过竖向伸缩杆调节第一视觉识别装置的高度进一步采摘不同高度的水果，当一侧的水果全部采摘完后，水平旋转台逆时针转动180度，进行采摘另一侧的水果，同样的采摘结束后，通过移动平台底部的行走机构移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完。

Claims (9)

1.一种水果采摘机器人，包括移动平台、机械臂和末端执行器，其中，所述移动平台上设有水平旋转台，水平旋转台上固定连接所述机械臂，机械臂的末端连接所述末端执行器，其特征在于，还包括：

第一视觉识别装置，设置在所述移动平台上，用于识别水果位置和水果的大小；

所述末端执行器包括：第一卡爪连架、第二卡爪连架、两个相向布置的主卡爪、以及设置在两个主卡爪中间正上方的一个用于对水果进行二次抱紧的辅助卡爪；

其中，所述第一卡爪连架的后端、辅助卡爪的末端以及第二卡爪连架三者之间通过销钉连接；

第一卡爪连架前部的左、右两侧对称铰接两个所述主卡爪，第一卡爪连架的内部设有滑槽，滑槽内滑动设置有一滑杆，

第一驱动单元与滑杆的一端驱动连接，滑杆另一端伸出第一卡爪连架前端后通过一平面连杆机构与两个主卡爪传动连接；

所述辅助卡爪上设有供果梗穿过的果梗通槽，果梗通槽的槽尾部设有果梗切断槽，果梗切断槽内设有果梗切断机构，所述果梗切断机构包括：

一滑块，滑块上连接有用于对果梗进行切断的刀片；

第二驱动单元，与所述滑块驱动连接，用于驱动滑块在果梗切断槽内来回移动，从而带动刀片将果梗切断；

第二视觉识别装置，设置在所述辅助卡爪上，用于识别果梗相对果梗切断槽的位置；

压力传感器，设置在末端执行器上，用于检测末端执行器与被采摘水果之间的抱紧力；

所述机械臂包括：第一连接臂、第二连接臂以及第三连接臂，第一连接臂的一端与水平旋转台固定连接，第一连接臂和第二连接臂之间、以及第二连接臂和第三连接臂之间均通过舵机单元相连，所述第三连接臂为伸缩臂，伸缩臂的固定部分通过舵机单元与第二连接臂连接，伸缩臂的活动部分与末端执行器连接；

所述第三连接臂上活动部分的末端通过转动副与末端执行器上的第二卡爪连架连接；

控制模块，与所述行走机构、水平旋转台、舵机单元、转动副、第一视觉识别装置、第二视觉识别装置、第一驱动单元以及第二驱动单元信号连接。

2.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述第一视觉识别装置包括并列设置在移动平台上的两根竖向伸缩杆，每根所述竖向伸缩杆的顶部设有一个第一CCD摄像头；所述第二视觉识别装置包括固定设置在所述辅助卡爪上临近所述果梗通槽处的一个第二CCD摄像头。

3.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述第一驱动单元为液压驱动单元，液压驱动单元的伸缩轴与所述滑杆一端固定连接；

所述第二驱动单元包括电机和蜗轮蜗杆机构，其中，蜗杆的两端旋转支撑在辅助卡爪上位于果梗切断槽的两侧，电机驱动蜗杆在果梗切断槽内自转，所述涡轮固定连接在滑块的尾端，蜗杆和涡轮传动，带动整个滑块在果梗切断槽内沿蜗杆轴向来回移动。

4.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述滑块中设有供上述刀片插接的刀片插槽，刀片的一端***所述刀片插槽后通过销钉与滑块连接。

5.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述移动平台包括底部行走机构和支撑平台，所述底部行走机构为履带式行走机构。

6.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述移动平台上位于水平旋转台的两侧分别设有一个水果收纳箱。

7.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述主卡爪、辅助卡爪与水果相接触的部分设有软垫层。

8.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于，所述辅助卡爪包括辅助卡爪本体以及设置辅助卡爪本体前端的辅助卡爪次爪，所述辅助卡爪次爪与辅助卡爪本体之间铰接。

9.一种基于权利要求1～8中任一所述水果采摘机器人的采摘方法，其特征在于，

作业前，机器人通过第一视觉识别装置采集水果的位置及长势，机械臂和末端执行器之间通过转动副调节好位姿以便采摘；同时末端执行器上相向设置的两个主卡爪张开至最大状态，防止在捕捉水果时主卡爪与水果相撞造成损伤；

通过第一驱动单元驱动滑杆，滑杆带动平面连杆机构以调节两个主卡爪所围成形状的大小，确保水果在采摘时能被抱住；

第二视觉捕捉装置进行精确捕捉果梗的三维坐标，末端执行器通过第二视觉捕捉装置反馈的三维坐标精准的运动使果梗进入果梗切断槽，此时主卡爪和辅助卡爪同时抱紧水果；

压力传感器监测抱紧力的大小并传输到控制器，当控制器检测力达到设定值时，控制器发送信号给第二驱动单元，第二驱动单元驱动滑块和刀片沿着果梗切断槽进行一次往复运动将果梗切断；

最后控制器计算路线并通过机械臂以及各舵机单元精准的将水果送至移动平台上的水果收纳箱中；

一次采摘结束后继续将第一视觉识别装置所识别的水果依次采摘，当采摘完后第一视觉识别装置通过竖向伸缩杆调节第一视觉识别装置的高度进一步采摘不同高度的水果，当一侧的水果全部采摘完后，水平旋转台逆时针转动180度，进行采摘另一侧的水果，同样的采摘结束后，通过移动平台底部的行走机构移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完。