CN109769479B - 一种防止水果损坏的智能采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止水果损坏的智能采摘机器人，其包括移动单元、摘果单元、探测单元和处理器单元，移动单元包括底盘，摘果单元包括第一底座，第一底座上安装有固定架，固定架顶部和底部分别安装顶板，顶板上固定安装有第一旋转电机和第二旋转电机，摘果单元还包括第一转台和旋转臂，旋转臂包括第二底座，第二底座上安装第一旋臂、第二旋臂、第三旋臂，第三旋臂上安装机械手，探测单元包括第二转台，第二转台上安装直杆，直杆上安装转杆，转杆通过第五旋转电机与直杆铰接，转杆顶部安装视觉传感器，机械手和底盘上均安装有位置传感器。本发明的智能采摘机器人大大提高了采摘效率，同时机械臂可靠性高且体积较小，操作灵活。

Description

一种防止水果损坏的智能采摘机器人

技术领域

本发明是关于农业机器人技术领域，特别是关于一种防止水果损坏的智能采摘机器人。

背景技术

在农业领域中，采摘水果需要耗费相当大的人力物力，在工业生产浪潮下，实现水果采摘机械化已经成为一种趋势。目前在水果采摘领域已经出现了水果采摘机器人，水果采摘机器人作为农业机器人的重要类型，具有很大的发展潜力，采摘机器人是21世纪精确农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向采摘机器人是针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获***，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学，需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面的学科领域知识。

然而，现有的水果采摘机器人在实际应用过程存在一些问题，首先，旋转臂由于长时间工作，可靠性低经常发生故障，而且不够灵活、体积过大，在采摘过程中经常会发生将其他未成熟水果碰掉损坏的现象发生；其次，采摘效率慢，当前采摘机器人通常只设置一组机械臂，而且摄像头通常安装在机械手上，机械手在采摘之前必须先要发现目标果实，效率很慢，往往达不到人工采摘的速度，灵活性教差，从而影响采摘效率。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止水果损坏的智能采摘机器人，以克服现有技术中摘果机器人采摘效率慢、机械臂可靠性低和体积大的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种防止水果损坏的智能采摘机器人，包括移动单元、摘果单元、探测单元和处理器单元，移动单元包括底盘，摘果单元包括第一底座，第一底座安装在底盘上，第一底座上安装有固定架，固定架顶部和底部分别安装有顶板和第一固定凸缘，第一固定凸缘与第一底座紧固连接，顶板上固定安装第一旋转电机和第二旋转电机，第一旋转电机和第二旋转电机分别包括第一转轴和第二转轴，第一转轴底部和第二转轴底部分别安装有大齿轮和小齿轮，顶板上还安装有轴承架，轴承架底部固定安装有第二固定凸缘，第二固定凸缘与顶板紧固，轴承架内腔固定安装有轴承，轴承架顶部连接第一转台，第一转台底部安装第三转轴，第三转轴分别穿过轴承和顶板，轴承底部安装有旋转齿轮，旋转齿轮与大齿轮和小齿轮配合，第一转台顶部安装有旋转臂，旋转臂包括第二底座，第二底座上固定安装第一铰接座和第二铰接座，第一铰接座上安装有第一旋臂，第二铰接座上安装有第一气缸，第一旋臂上安装有第三铰接座和第四旋转电机，第一气缸另一端连接第三铰接座，第一旋臂铰接第二旋臂，第四旋转电机连接第一旋臂和第二旋臂之间的铰接轴并控制铰接轴旋转，第二旋臂连接第三旋臂，第二旋臂和第三旋臂上分别安装第四铰接座和第五铰接座，第四铰接座和第五铰接座上安装第二气缸，第三旋臂连接有机械手，机械手包括第三底座，第三底座与第三旋臂焊接固定，第三底座通过支架固定连接第四底座，第三底座与第四底座之间安装有多个第三旋转电机，第四底座上开设多个引线孔，第四底座上安装爪手台，爪手台侧壁安装多个引线板，引线板一端安装滑轮，爪手台顶部安装多个爪手，爪手包括固定爪手和活动爪手，活动爪手通过铰接轴与固定爪手铰接，第三旋转电机的旋转轴上安装有引线，引线穿过引线板与活动爪手固定连接并与滑轮接触，活动爪手和固定爪手之间安装弹性装置，爪手台上安装有距离传感器；探测单元包括第二转台，第二转台上安装直杆，直杆上安装转杆，转杆通过第五旋转电机与直杆铰接，转杆顶部安装视觉传感器，机械手和底盘上均安装有位置传感器。

在一优选的实施方式中，底盘底部两侧安装履带，履带连接底盘电动机，第一底座通过剪刀式升降架与底盘固定连接，剪刀式升降架分别与第一底座和底盘固定连接。

在一优选的实施方式中，底盘两端分别安装有果篮，果篮内部铺设有海绵层。

在一优选的实施方式中，摘果单元的数量是两个，两个摘果单元在探测单元两侧。

在一优选的实施方式中，第三旋转电机、引线孔、引线板和爪手的数量均为四个。

在一优选的实施方式中，活动爪手和固定爪手的材质均为硅胶，引线的材质为合金钢。

在一优选的实施方式中，弹性装置包括弹簧座和弹簧，弹簧座固定安装在引线板上，弹簧安装在弹簧座上且两端分别与活动爪手和固定爪手。

在一优选的实施方式中，直杆是伸缩杆，直杆包括母杆和子杆，母杆内腔底部安装有第三气缸，子杆***母杆内腔且与第三气缸连接。

在一优选的实施方式中，视觉传感器是具有位置定位功能的摄像头，摄像头用于识别水果成熟度并对水果进行定位，处理器单元包括图像处理器和机器人处理器，图像处理器连接摄像头和机器人处理器，机器人处理器连接距离传感器和多个位置传感器，并能够对机械手的运动轨迹进行规划。

在一优选的实施方式中，机器人处理器还连接第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机、第四旋转电机、第五旋转电机、第一气缸、第二气缸、底盘电动机并根据位置信息发送指令。

与现有技术相比，根据本发明的防止水果损坏的智能采摘机器人具有如下有益效果是：

1、解决了当前采摘机器人采摘效率慢的缺陷，本发明通过在底座上安装两组摘果单元和一组探测单元，在工作时，探测单元上的带有位置定位功能的摄像头首先将影像传输到图像处理器，图像处理器将符合采摘标准的果实(如苹果)的位置信息反馈到机器人处理器，机器人处理器分别控制两组摘果单元进行摘果作业，由于本发明将采摘和探测分开进行，且设置两组摘果单元，大大加快了本发明的采摘效率。

2、本发明所述机械臂可靠性高且体积较小，在当前很多摘果机械臂上安装有旋转电机以使机械臂能够活动，但是电机往往质量较重，而且机械臂仅靠电机提供旋转动力，本发明采用气缸和电机组合的方式，在最下侧的第一旋臂采用气缸进行承重升降，中间的第二旋臂在采摘过程中往往转动最为频繁和要求最为精确，而且承重相对下侧第一旋臂较小，所以采用伺服电机，最上侧第三旋臂往往承担着将水果放入果篮中的责任，往往存在着旋转角度大、频率小的特点，所以采用气缸的方式，本发明所述的机械臂所采用动力装置搭配合理，可使故障率大幅降低。

3、本发明还具有采摘精度高的特点，在采摘过程中，旋转定位是非常关键的，当发现目标果实时，机器人处理器首先控制第一转台旋转到合适的方向，在本发明中，第一转台旋转时通过齿轮控制，齿轮控制具有控制精度高的特点，而且本发明设置有第一旋转电机和第二旋转电机，第一旋转电机上安装大齿轮，第二旋转电机上安装小齿轮，大齿轮和小齿轮均与旋转齿轮连接，当需要一次旋转大角度时，机器人处理器首先控制大齿轮旋转，当旋转角度接近时，机器人处理器控制大齿轮停止旋转，小齿轮开始旋转。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的防止水果损坏的智能采摘机器人的结构示意图。

图2是根据本发明一实施方式的摘果单元的结构示意图。

图3是图2的局部放大图I。

图4是根据本发明一实施方式的机械手的结构示意图。

图5是图4的局部放大图II。

主要附图标记说明：

1、底盘；2、履带；3、第一底座；4、固定架；5、顶板；6、第一固定凸缘；7、第一旋转电机；8、第二旋转电机；9、大齿轮；10、小齿轮；11、轴承架；12、第二固定凸缘；13、第一转台；14、第三转轴；15、旋转齿轮；16、第二底座；17、第一铰接座；18、第一旋臂；19、第一气缸；20、第三铰接座；21、第四旋转电机；22、第二旋臂；23、第三旋臂；24、第四铰接座；25、第五铰接座；26、第二气缸；27、第三底座；28、支架；29、第四底座；30、第三旋转电机；31、引线孔；32、爪手台；33、引线板；34、滑轮；35、固定爪手；36、活动爪手；37、引线；38、第二转台；39、转杆；40、第五旋转电机；41、剪刀式升降架；42、弹簧座；43、弹簧；44、母杆；45、子杆；46、第三气缸；47、果篮；48、第二铰接座；49、视觉传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

本发明的一种防止水果损坏的智能采摘机器人，包括移动单元、摘果单元、探测单元和处理器单元，移动单元包括底盘1，摘果单元包括第一底座3，第一底座3安装在底盘1上，第一底座3上安装固定架4，固定架4顶部和底部分别安装顶板5和第一固定凸缘6，第一固定凸缘6通过螺栓螺母与第一底座3紧固连接，顶板5上固定安装第一旋转电机7和第二旋转电机8，第一旋转电机7和第二旋转电机8分别包括第一转轴和第二转轴，第一转轴底部和第二转轴底部分别安装大齿轮9和小齿轮10，顶板5顶部还安装有轴承架11，轴承架11底部固定安装有第二固定凸缘12，第二固定凸缘12通过螺栓螺母与顶板5紧固，轴承架11内腔固定安装有轴承，轴承架11顶部连接第一转台13，第一转台13底部安装第三转轴14，第三转轴14分别穿过轴承和顶板5，轴承底部安装旋转齿轮15，旋转齿轮15与大齿轮9和小齿轮10配合，第一转台13顶部安装旋转臂，旋转臂包括第二底座16，第二底座16通过螺栓螺母与第一转台13紧固，第二底座16上固定安装第一铰接座17和第二铰接座48，第一铰接座17上安装有第一旋臂18，第二铰接座48上安装第一气缸19，第一旋臂18上安装有第三铰接座20和第四旋转电机21，第一气缸19另一端连接第三铰接座20，第一旋臂18铰接第二旋臂22，第四旋转电机21连接第一旋臂18和第二旋臂22之间的铰接轴并控制铰接轴旋转，第二旋臂22连接第三旋臂23，第二旋臂22和第三旋臂23上分别安装第四铰接座24和第五铰接座25，第四铰接座24和第五铰接座25上安装第二气缸26，第三旋臂23连接有机械手，机械手包括第三底座27，第三底座27与第三旋臂23焊接固定，第三底座27通过支架28固定连接第四底座29，第三底座27与第四底座29之间安装多个第三旋转电机30，第四底座29上开设多个引线孔31，第四底座29上安装有爪手台32，爪手台32侧壁安装有多个引线板33，引线板33一端安装滑轮34，爪手台32顶部安装多个爪手，爪手包括固定爪手35和活动爪手36，活动爪手36通过铰接轴与固定爪手35铰接，第三旋转电机30的旋转轴上安装引线37，引线37穿过引线板33与活动爪手36固定连接并与滑轮34接触，活动爪手36和固定爪手35之间安装有弹性装置，爪手台32上安装有距离传感器；探测单元包括第二转台38，第二转台38上安装直杆，直杆上安装转杆39，转杆39通过第五旋转电机40与直杆铰接，转杆39顶部安装视觉传感器49，机械手和底盘1上均安装有位置传感器。

实施例2

在一优选实施方式中，视觉传感器49是具有位置定位功能的摄像头，摄像头用于进行视觉识别，处理器单元包括图像处理器和机器人处理器，图像处理器连接摄像头和机器人处理器，机器人处理器连接距离传感器和多个位置传感器。摘果单元的数量是两个，两个摘果单元在探测单元两侧。

在一优选实施方式中，机器人处理器还连接第一旋转电机7、第二旋转电机8、第三旋转电机30、第四旋转电机21、第五旋转电机40、第一气缸19、第二气缸26、底盘电动机并根据位置信息发送指令。

实施例3

在一优选实施方式中，底盘1底部两侧安装履带2，履带2连接底盘电动机，第一底座3通过剪刀式升降架41与所述底盘1固定连接，剪刀式升降架41分别与第一底座3和底盘1固定连接。

在一优选实施方式中，底盘1两端分别安装有果篮47，果篮47内部铺设有海绵层。

实施例4

在一优选实施方式中，第三旋转电机30、引线孔31、引线板33和爪手的数量均为四个。活动爪手36和固定爪手35的材质均为硅胶，所述引线37的材质为合金钢。

在一优选实施方式中，弹性装置包括弹簧座42和弹簧43，弹簧座42固定安装在引线板33上，弹簧43安装在弹簧座42上且两端分别与活动爪手36和固定爪手35。

直杆是伸缩杆，直杆包括母杆44和子杆45，母杆44内腔底部安装有第三气缸46，子杆45***母杆44内腔且与第三气缸46连接。

实施例5

本发明主要用于采摘苹果等较硬的球形类水果，本发明底座上安装两组摘果单元和一组探测单元，在工作时，探测单元上的带有位置定位功能的摄像头首先将影像传输到图像处理器，图像处理器将符合采摘标准的果实(如苹果)的位置信息反馈到机器人处理器，机器人处理器分别控制两组摘果单元进行摘果作业，由于本发明将采摘和探测分开进行，且设置两组摘果单元，大大加快了本发明的效率。本发明所述机械臂可靠性高且体积较小，在当前很多摘果机械臂上安装有旋转电机以使机械臂能够活动，但是电机往往质量较重，而且机械臂仅靠电机提供旋转动力，本发明采用气缸和电机组合的方式，在最下侧第一旋臂18采用第一气缸19进行承重升降，中间的第二旋臂22在采摘过程中往往转动往往最为频繁和要求最为精确，而且承重相对下侧第一旋臂18较小，所以采用伺服电机，最上侧第三旋臂23往往承担着将水果放入果篮47中的责任，往往存在着旋转角度大、频率小的特点，所以采用第二气缸26的方式，本发明所述的机械臂所采用动力装置搭配合理，可使故障率大幅降低。本发明还具有采摘精度高的特点，在采摘过程中，旋转定位是非常关键的，当发现目标果实时，机器人处理器首先控制第一转台13旋转到合适的方向，在本发明中，第一转台13旋转时通过齿轮控制，齿轮控制具有控制精度高的特点，而且本发明设置有第一旋转电机7和第二旋转电机8，第一旋转电机7上安装大齿轮9，第二旋转电机8上安装小齿轮10，大齿轮9和小齿轮10均与旋转齿轮15连接，当需要一次旋转大角度时，机器人处理器首先控制大齿轮9旋转，当旋转角度接近时，机器人处理器控制大齿轮9停止旋转，小齿轮10开始旋转。

本发明的机械手在工作时，当机械手到达目标水果时，机器人处理器控制多个第三旋转电机30同时正转，多条引线37同时拉动活动爪手36向外侧旋转，活动爪手36在向外侧移动式会压缩弹簧43，当多个爪手将水果抓取后，机器人处理器根据距离传感器发送的信号控制多个第三旋转电机30同时反转，使活动爪手36在引线37和弹簧43的同时控制下缓慢向内侧移动。

需要说明的是，第一旋转电机7、第二旋转电机8、第三旋转电机30和第四旋转电机21、第五旋转电机40均是伺服电机，伺服电机具有信息化控制精度高的特点。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种防止水果损坏的智能采摘机器人，包括移动单元、摘果单元、探测单元和处理器单元，其特征在于：所述移动单元包括底盘（1），所述摘果单元包括第一底座（3），所述第一底座（3）安装在所述底盘（1）上，所述第一底座（3）上安装有固定架（4），所述固定架（4）顶部和底部分别安装有顶板（5）和第一固定凸缘（6），所述第一固定凸缘（6）与所述第一底座（3）紧固连接，所述顶板（5）上固定安装第一旋转电机（7）和第二旋转电机（8），所述第一旋转电机（7）和第二旋转电机（8）分别包括第一转轴和第二转轴，第一转轴底部和第二转轴底部分别安装有大齿轮（9）和小齿轮（10），所述顶板（5）上还安装有轴承架（11），所述轴承架（11）底部固定安装有第二固定凸缘（12），所述第二固定凸缘（12）与所述顶板（5）紧固，轴承架（11）内腔固定安装有轴承，轴承架（11）顶部连接第一转台（13），所述第一转台（13）底部安装第三转轴（14），所述第三转轴（14）分别穿过轴承和所述顶板（5），轴承底部安装有旋转齿轮（15），所述旋转齿轮（15）与所述大齿轮（9）和小齿轮（10）配合，所述第一转台（13）顶部安装有旋转臂，所述旋转臂包括第二底座（16），所述第二底座（16）上固定安装第一铰接座（17）和第二铰接座（48），所述第一铰接座（17）上安装有第一旋臂（18），所述第二铰接座（48）上安装有第一气缸（19），所述第一旋臂（18）上安装有第三铰接座（20）和第四旋转电机（21），所述第一气缸（19）另一端连接第三铰接座（20），所述第一旋臂（18）铰接第二旋臂（22），所述第四旋转电机（21）连接所述第一旋臂（18）和第二旋臂（22）之间的铰接轴并控制铰接轴旋转，所述第二旋臂（22）连接第三旋臂（23），所述第二旋臂（22）和所述第三旋臂（23）上分别安装第四铰接座（24）和第五铰接座（25），所述第四铰接座（24）和第五铰接座（25）上安装第二气缸（26），所述第三旋臂（23）连接有机械手，所述机械手包括第三底座（27），所述第三底座（27）与所述第三旋臂（23）焊接固定，所述第三底座（27）通过支架（28）固定连接第四底座（29），第三底座（27）与第四底座（29）之间安装有多个第三旋转电机（30），所述第四底座（29）上开设多个引线孔（31），所述第四底座（29）上安装爪手台（32），所述爪手台（32）侧壁安装多个引线板（33），所述引线板（33）一端安装滑轮（34），所述爪手台（32）顶部安装多个爪手，所述爪手包括固定爪手（35）和活动爪手（36），所述活动爪手（36）通过铰接轴与所述固定爪手（35）铰接，所述第三旋转电机（30）的旋转轴上安装有引线（37），所述引线（37）穿过所述引线板（33）与所述活动爪手（36）固定连接并与所述滑轮（34）接触，所述活动爪手（36）和所述固定爪手（35）之间安装弹性装置，所述爪手台（32）上安装有距离传感器；所述探测单元包括第二转台（38），第二转台（38）上安装直杆，所述直杆上安装转杆（39），所述转杆（39）通过第五旋转电机（40）与所述直杆铰接，所述转杆（39）顶部安装视觉传感器（49），所述机械手和所述底盘（1）上均安装有位置传感器。

2.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：底盘（1）底部两侧安装履带（2），所述履带（2）连接底盘电动机，所述第一底座（3）通过剪刀式升降架（41）与所述底盘（1）固定连接，所述剪刀式升降架（41）分别与所述第一底座（3）和所述底盘（1）固定连接。

3.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述底盘（1）两端分别安装有果篮（47），所述果篮（47）内部铺设有海绵层。

4.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述摘果单元的数量是两个，两个所述摘果单元在探测单元两侧。

5.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述第三旋转电机（30）、引线孔（31）、引线板（33）和爪手的数量均为四个。

6.根据权利要求5所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述活动爪手（36）和固定爪手（35）的材质均为硅胶，所述引线（37）的材质为合金钢。

7.根据权利要求6所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述弹性装置包括弹簧座（42）和弹簧（43），所述弹簧座（42）固定安装在引线板（33）上，弹簧（43）安装在弹簧座（42）上且两端分别与活动爪手（36）和固定爪手（35）相连接。

8.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述直杆是伸缩杆，所述直杆包括母杆（44）和子杆（45），所述母杆（44）内腔底部安装有第三气缸（46），所述子杆（45）***母杆（44）内腔且与所述第三气缸（46）连接。

9.根据权利要求1所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述视觉传感器（49）是具有位置定位功能的摄像头，所述摄像头用于识别水果成熟度并对所述水果进行定位，所述处理器单元包括图像处理器和机器人处理器，所述图像处理器连接所述摄像头和机器人处理器，所述机器人处理器连接所述距离传感器和多个位置传感器，并能够对所述机械手的运动轨迹进行规划。

10.根据权利要求9所述的防止水果损坏的智能采摘机器人，其特征在于：所述机器人处理器还连接第一旋转电机（7）、第二旋转电机（8）、第三旋转电机（30）、第四旋转电机（21）、第五旋转电机（40）、第一气缸（19）、第二气缸（26）、底盘电动机并根据位置信息发送指令。

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