CN111543179A - 一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机，采摘机包括固定机架、行走装置、识别模块、采摘机构和运送收集装置，行走装置带动整个固定机架移动，其中包含转向电机组、减震器和轮毂电机；识别模块包含图像采集模块、图像处理模块与莲蓬识别模块；3组采摘机构根据图像处理与莲蓬识别模块发送的定位数据对莲蓬进行采摘，采摘机构固定在机架上，其包X轴滑动组，由齿轮齿条机构传动，Z轴升降组通过滚珠丝杆传动安装在X轴滑动组上，以及固定在Z轴升降组末端的采摘机械臂，采摘机械臂包括大臂、小臂和夹持剪切装置；运送收集装置包括传输带和收集筐。本发明能够自动化的完成识别、定位、采摘和运送收集莲蓬的工作，改善了人工采摘莲蓬的传统模式，保证效率的同时降低了人工劳动力。

Description

一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机

技术领域

本发明涉及一种农业机械技术领域，特别是一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机及其采摘方法。

背景技术

我国作为农业大国，莲蓬的种植面积广泛，鲜莲子作为一种能起到降血压、调补脾胃、益肾、清热解暑等众多功效的食物，人们对其需求量也在逐渐加大。但由于我国莲蓬自动化采摘机械发展较为落后，主要的采摘方式为人工采摘，又由于莲塘深浅不一，莲蓬分布不均、成熟时间不一致、面积大等原因，不利于一次性大面积收获，因此需要人工进行多次收获，导致采摘工作费时费力，人工成本巨大。

市面上还未出现相关较为成熟的机械，本发明提供一种能够在人为添加光照的情况下不分时段地自动化采摘莲蓬的机械，这种机械能在田间自主移动，通过机器视觉对莲蓬识别后定位，根据定位信息通过机械臂进行自动摘取，然后移送到传输装置上，最后进行统一收集，实现在标准化莲田采摘莲蓬的目的，这样的采摘机器能大幅度提高采摘效率，解放劳动力并提高生产力。

发明内容

为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机及其采摘方法，通过较高的智能化、自动化技术，针对标准化莲田完成莲蓬的识别、采摘和收集作业。

本发明要解决的技术问题采用以下方案来实现：

一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机包括固定机架、行走装置、识别模块、采摘机构和运送收集装置，其中，优选地，所述固定机架由多根矩形钢管搭建而成，其横跨于标准化莲田之上。

优选地，所述行走装置为四驱结构，由四个轮毂电机分别提供驱动力供整个机构前进。为保证机具行驶平稳，在轮毂电机与固定机架连接部分设有减震单元。轮毂电机通过支架，在交叉圆锥滚子轴承的支撑下与转向齿轮箱部分连接，在转向伺服电机的驱动下通过齿轮箱完成转向动作。

优选地，所述识别模块为安装在X轴滑动组下方的双目视觉智能摄像机。

优选地，所述X轴滑动组，由工字钢轮和工字钢作为框架，通过齿轮齿条传动，采用伺服电机精准控制实现水平滑动，Z轴升降组通过滚珠丝杆和滚珠丝杆螺母传动，并用通过光杆和直线轴承约束在X轴滑动组上。

优选地，所述采摘机械臂安装在Z轴升降组末端，由机械臂大臂、机械臂小臂和夹持剪切装置构成，夹持剪切装置能够完成对莲蓬的夹持和剪切动作，并且上方的一个单目相机，对预采摘的莲蓬进行成熟度判别，已确定是否可以采摘。

优选地，所述收集装置平行安装在固定机架内，通过传输带把莲蓬转运到末端的收集筐中。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的采摘方法包括：

第一步骤中，行走装置中的轮毂电机提供驱动力使得固定机架横跨于标准化莲田之上并在多块莲田间移动，

第二步骤中，识别模块采集、处理和识别莲蓬位置并发送待采摘莲蓬的位置信息到采摘机构，

第三步骤中，采摘机构接收到待采摘莲蓬的位置信息，通过多轴联动以及机械臂和其末端的夹持剪切机构完成莲蓬的采摘动作，并将采摘后的莲蓬放在后方的收集装置上，在采摘前还需要对莲蓬的成熟度进行判别，确定可否采摘，

第四步骤中，收集装置中的传输带将莲蓬进行单向转运，最后落入收集筐内完成收集。

综上所述，本发明在涉及理念上，机械结构设计上有以下创新点与优势：

通过横跨标准化莲田的固定机架，提高了整机机架的稳定性，防止倾斜，同时尽可能的提高了机器的工作空间，针对整机设计的四驱结构和转向结构，既能实现机器自动采摘作业的目的也能满足机器作业结束后在田间转移的要求，该部分的设计极大的提高了机器在田间作业、转移的灵活程度。采用3组可分别独立作业的采摘机构，在工作尺寸范围内能够采摘任意位置的目标，极大的提高了采摘效率和作业范围。由于设计采用了专门的末端夹持剪切装置，使得莲蓬采摘后依旧保持夹持状态以方便进行转运和收集。

以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其他目的、特征和有点能够后更为明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行实际举例说明。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的结构示意图；

图2是根据本发明一个实例的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的采摘机构示意图；

图3是根据本发明一个实例的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的采摘机械臂示意图；

图4是根据本发明一个实例的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的行走装置示意图；

图5是根据本发明一个实例的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的固定机架示意图。

具体实施方式

下面参照附图更详细地描述本发明的具体实施方式，虽然附图中显示了本发明的具体实施例，但是应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应该被这里阐述的实例所限制，相反，提供这些实例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指特定组件。本领域的技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件，本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分准则；如通篇说明书权利要求书当中所提的“包含”或“包括”为以开放式用语，故应解释为“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实例的理解，下面将结合附图以具体实施为例做进一步解释说明，并且各个附图不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实例的基于标准化莲田的莲蓬自动采摘机的结构示意图，如图所示，一种基于标准化莲田的莲蓬自动采摘机包括固定机架（38-42）、行走装置（5）、识别模块（12）、采摘机构（4）、运送收集装置（1、2）。

在一个实施例中，见图2所述行走装置（5）：四组伺服电机（33）、减速器（34）、转向齿轮组（35）、减震器（37）和轮毂电机（36）构成；转向部分由伺服电机（33）、减速器（34）和转向齿轮组（35）成，通过由两个弹簧减震器（37）构成的减震单元与轮毂电机（36）相连接，通过轮毂电机（36）提供的驱动力实现整机移动。固定机架（38-42）由两根平行纵向排布的矩形钢管（38）、两根工字钢（42）、齿条（41）、四根横向钢管（40）以及四根垂直钢管（39）作为“支腿”搭建而成。

在一个实施例中，用来采集、识别、定位莲蓬目标的双目视觉智能摄像机（12）安装在X轴滑动组（14-18）正下方，仅跟随X轴滑动组水平滑动，当视野出现目标时，采用深度学习方法判断莲蓬目标与其成熟度，如果目标适合采摘，那么将待采摘莲蓬的位置信息反馈给采摘机构（4）进行采摘。

本装置的采摘机构（4）有三组，通过程序控制两两之间的间距以及采摘范围，三组采摘机构同时识别、定位、采摘工作范围内的成熟莲蓬。

在一个实施例中，见图2所述采摘机构（4）包括X轴滑动组（14-18）、Z轴升降组（7-11）以及采摘机械臂（13）。X轴滑动组（14-18）由滑动框架（18）、伺服电机（14）、减速器（16）、齿轮（15）、工字钢轮（17）、滚珠丝杆螺母（11）和线性轴承（10）。X轴滑动组（14-18）由安装在滑动框架（18）上的伺服电机（14）带动减速器（16）转动从而驱动齿轮（15）转动，通过齿轮齿条传动实现直线运动，齿条（41）安装在某侧工字钢（42）的底部。Z轴升降组（7-11）由伺服电机（7）驱动，由滚珠丝杠（8）和安装在X轴滑动框架（18）的丝杠螺母（11）传动，在光杆和线性轴承的约束下，实现Z方向的直线运动。

在一个实施例中，见图3采摘机械臂（13）的组成包括：机械臂大臂：伺服电机（19）、减速器（20）、交叉圆锥滚子轴承（21）和大臂壳体（32）；机械臂小臂：伺服电机（31）、小同步轮（22）、大同步轮（28）、同步带（30）、交叉圆锥滚子轴承（23）、连接轴（29）和小臂壳体（24）；夹持剪切装置：电动夹爪（25）、夹持剪切组（26）等；采摘时，先由X轴滑动组（14-18）对准莲蓬位置，再由Z轴升降组（7-11）调整好采摘高度使得采摘机械臂的采摘高度适宜，继而再由采摘机械臂对目标采摘位置进行微调，再由夹持装置夹持后剪切，剪切后依然保持夹持状态，最后机械臂大臂（32）转动到传输带（1）上方，松开夹爪，莲蓬落入输送带（1）并被转运到收集筐（2）中，完成作业。

在一个实施例中，见图1，收集装置的组成包括：传输带装置（1）和收集筐（2），其中传输带装置（1）安装在固定机架（38-42）上，向收集筐（2）方向单向传输，实现莲蓬果实的统一收集工作。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机的采摘方法的步骤包括：

第一步骤（F1）中，行走装置中的轮毂电机提供驱动力使得固定机架横跨标准化莲田移动，

第二步骤（F2）中，识别模块采集、识别并发送待采摘莲蓬的位置信息到采摘机构，

第三步骤（F3）中，采摘机构接收到待采莲蓬的位置信息后，通过多轴联动以及机械臂及其末端的夹持剪切机构完成莲蓬的采摘并将采摘后的莲蓬运送到后方的收集装置上，

第四步骤（F4）中，运送收集装置中的传输带将莲蓬进行单向输送并最后落入收集筐内完成收集动作。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种基于标准化莲田的自动莲蓬采摘机，其包括行走装置、固定机架、识别模块、采摘机构和运送收集装置，其中，行走装置包括：转向电机组，其带动轮毂电机水平旋转以改变整机移动方向，实现整机在不同莲田间的转换，轮毂电机通过减震单元连接在行走装置上，为整机在田间直线移动提供动力；固定机架：其横跨于标准化莲田之上；识别模块包含图像采集模块、图像处理模块与莲蓬识别模块；采摘机构包括X轴滑动组，其通过齿轮齿条传动安装在固定机架上；Z轴升降组通过滚珠丝杆传动安装在X轴滑动组上；采摘机械臂固定在Z轴升降组末端，其包括大臂、小臂和夹持剪切装置；运送收集装置包括平行安装于固定机架上的传输带和安装在传输带末端的收集筐。

2.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述固定机架包括多根矩形方管搭建而成。

3.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述行走装置有四套分别独立的转向和驱动***组成，所述转向***由驱动电机和转向齿轮箱组成，转向齿轮箱输出轴连接在减震单元上。

4.根据权利要求3所述的驱动***，其特征在于：所述驱动***由连接在转向齿轮箱下方的减震单元和轮毂电机组成，轮毂电机连接在减震单元上。

5.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述识别模块包括安装在X轴滑动组下方的双目视觉智能摄像机。

6.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述采摘机构包括：X轴滑动组由齿轮齿条传动，采用工字钢轮与工字钢组合的形式安装在机架上实现水平滑动，Z轴升降组应用光杆和直线轴承约束在X轴滑动组上，并通过滚珠丝杆和滚珠丝杆螺母传动实现Z轴升降组相对于X轴滑动组的升降运动。

7.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述采摘机构还包括安装在Z轴升降组末端的采摘机械臂，其中，采摘机械臂由机械臂大臂、小臂以及末端的夹持剪切装置组成，并作为执行机构完成莲蓬剪切夹持动作，再把采集的莲蓬运送至运送收集装置。

8.根据权利要求1所述的自动莲蓬采摘机，其特征在于：所述运送收集装置安装在固定机架内，由纵向传输的输送带和输送带末端的收集筐组成，输送带的两侧安装有挡板，防止莲蓬从输送带上脱落。

9.一种利用权利要求1-9中任一项所述的自动莲蓬采摘机的采摘方法，其步骤包括：

第一步骤（F1）中，行走装置中的轮毂电机提供驱动力使得固定机架横跨规定宽度的莲田前后移动，

第二步骤（F2）中，识别模块采集、识别莲蓬位置并发送待采摘莲蓬的位置数据到采摘机构，

第三步骤（F3）中，采摘机构接收到莲蓬的位置数据，通过多轴联动以及机械臂和末端的夹持剪切机构完成莲蓬的采摘并将采摘后的莲蓬输送到后方的运送收集装置上，在末端的夹持剪切机构上安装有一个单目相机，该相机采集莲蓬图像，并识别其成熟度，

第四步骤（F4）中，收集装置中的传输带将莲蓬进行单向输送并最后落入收集筐内完成收集动作。

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