CN112166824A - 一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人 - Google Patents

一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人 Download PDF

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张帆
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牛益达
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Abstract

本发明公开了一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，包括车架、行驶***、工控机、直角坐标式机械臂、图像识别***以及末端执行器等。采用平面直角坐标定位方式对目标果实进行定位采摘，通过将果实图像投影于相应面域内，计算出相应的X、Y、Z轴坐标，再采用直角坐标式机械臂采摘果实，减少机械臂的自由度，使得机械臂采摘路径更为简便，进而使得自动采摘果实的程序算法即简洁又稳定。通过合理的设计直角坐标式机械臂，使得机器人能更加适应采摘任务，进而使得采摘程序算法更加兼容机器人。并且该机器人装有GPS导航***，在果园内作业时能实现全自主导航行驶实现了全自动对果实的采摘作业，工作效率高，结构简单，维修装配方便。

Description

一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人
技术领域
本发明涉及智能农业机器人领域，具体公开了一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人。
背景技术
对于国内果园农户来说，历年来，水果生产中，水果采摘一直是最费力最耗时的环节之一，它所需全部生产过程的大约40％左右的劳动力，而且随着中国城市化进程的加速，农业劳动力越来越短缺，人力成本也不断上涨，为了使更多的果农从复杂的采摘作业中得到充分的解放以及提高果实采摘的效率，一直都有很多国内外的专家以及学者专心投入对采摘机器人的实验和研究。
目前水果采摘机器人，主要存在着下列问题：机械臂的自由度较多，使得机械臂的采摘运动路径与机器人采摘程序算法较为复杂，进而加大了工控机的工作性能需求，使得机器人的复杂果实采摘中工作不稳定，严重时出现工控机宕机现象。加之他们结构也较为复杂，所以生产成本较高，而且维护保养成本也较高，对维护保养人员要求有专业方面一定的知识；其次他们装卸也较为困难，在需要跟换零部件时，不易实现产品模块组装化。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，通过将果实图像投影于相应面域内，计算出相应的X、Y、Z轴坐标，再采用直角坐标式机械臂采摘果实的工作手段，减少机械臂的自由度，使得机械臂采摘路径更为简便，进而使得自动采摘果实的程序算法即简洁又稳定。通过合理的设计直角坐标式机械臂，使得机器人能更加适应采摘任务，进而使得采摘程序算法更加兼容机器人。并且该机器人装有GPS导航***，在果园内作业时能实现全自主导航行驶实现了全自动对果实的采摘作业，减轻了果农劳动强度，提高果园经济效益，它的结构简单并且全自动化，果农易操作控制，它能实现模块化组装，造价成本低廉，易实现批量生产。该水果采摘机器人能全自动对果实进行采摘作业，并且果园作业时能实现全自主导航行驶，它的工作效率高，结构简单，维修装配方便，易实现产品模块组装化。
本发明是这样实现的，构造一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，包括一车架、行驶***、工控机、直角坐标式机械臂、图像识别***以及末端执行器，所述行驶***设置于车架底部，带动机器人行进，所述工控机安装于车架顶部，一对框架通过框架支撑座竖直安装于车架顶部，所述框架被分割成数个面域，所述直角坐标式机械臂有数个，设置于框架的各个面域内侧，所述图像识别***安装于框架中心处，所述末端执行器设置于框架的各个面域内，与直角坐标式机械臂保持连接，所述直角坐标式机械臂带动末端执行器在面域内沿X、Y、Z轴做线性运动，所述工控机与直角坐标式机械臂、图像识别***、末端执行器以及行驶***保持电气连接。
进一步的，所述直角坐标式机械臂包括框架各个面域内相邻两侧面的电机以及与电机转轴连接的滚珠丝杠，所述电机与框架保持固定连接，所述滚珠丝杠与电机保持转动连接。
进一步的，所述直角坐标式机械臂还包括一对光轴以及一滑块，所述一对光轴在相应面域内异面垂直与滚珠丝杠滑动连接，所述滑块开有两通孔，所述通孔方向呈异面垂直，所述光轴穿过通孔，所述光轴与滑块滑动连接，所述机械臂的伸缩机构安装于滑块外侧面，末端执行器安装于伸缩机构末端。
进一步的，所述滑块通孔内设置一直线轴承，所述光轴***通孔并穿过直线轴承。
进一步的，所述滚珠丝杠外套一滚珠丝杠螺母，所述滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹连接，所述滚珠丝杠螺母上还设置一螺母座，所述螺母座与滚珠丝杠螺母保持固定连接，所述光轴与螺母座保持固定连接。
进一步的，所述行驶***包含履带轮以及驱动装置，所述履带轮设置于车架两侧，驱动装置设置于履带轮内侧，与车架保持连接，驱动履带轮转动，带动机器人行进。
进一步的，所述驱动装置包括电动机、电机控制器、以及传动机构。
进一步的，所述末端执行器由抓手和割刀组成。
进一步的，所述工控机通过连接相应的硬件，再应用相应的软件，进而实现该机器人自动完成相应的工作任务。
进一步的，所述图像识别***包括照明、镜头、相机、图像采集卡、视觉处理器。
通过电机驱动履带轮的行进方式，便于机器人在地形复杂的林地行进，适用地形范围广。
光轴通过螺钉安装在螺母座上，滑块的两只内孔中分别装有直线轴承，再将直线轴承内孔套与光轴，使得光轴带动滑块的运动的摩擦阻力小，运动效率高。
本发明提供的技术方案带来的有益效果：
本发明提供的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，通过将果实图像投影于相应面域内，计算出相应的X、Y、Z轴坐标，再采用直角坐标式机械臂采摘果实的技术手段，使得机械臂自动采摘果实的程序算法即简洁又稳定。并且该机器人装有GPS导航***，在果园内作业时能实现全自主导航行驶实现了全自动对果实的采摘作业，减轻了果农劳动强度，提高果园经济效益，它的结构简单并且全自动化，果农易操作控制，它能实现模块化组装，造价成本低廉，易实现批量生产。通过合理的设计直角坐标式机械臂，使得机器人能更加适应采摘任务，进而使得采摘程序算法更加兼容机器人。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的右视图；
图3为本发明装置的后视图；
图4为本发明装置的俯视图；
图5为图2中A区域的局部放大示意图；
图6为本发明装置的直角坐标式机械臂采摘示意图；
图7为本发明装置的直角坐标式机械臂示意图；
图8为本发明的硬件***结构框图；
图9为本发明的软件***结构框图；
图中：1、框架；2、履带轮；3、车架；4、工控机；5、末端执行器；6、图像识别***；7、光轴；8、滚珠丝杠；9、框架支撑座；10、电机；11、直角坐标机械臂；12、行驶***；13滑块；14、多级伸缩机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明，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。
请参考图1、图2、图3、图4、图5，为了降低机机器人执行采摘任务的难度以及简化机器人采摘果实的程序算法，本发明在此提供一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，如图1、图2、图3、图4、图5所示，本实施例提供的水果采摘机器人包括：
一车架3、行驶***12、工控机4、直角坐标式机械臂11、图像识别***6以及末端执行器5，所述行驶***设置于车架3底部，带动机器人行进，所述工控机4安装于车架3顶部，一对框架1通过框架支撑座9竖直安装于车架3顶部，所述框架1被分割成数个面域，所述直角坐标式机械臂11有数个，设置于框架1的各个面域内侧，所述图像识别***6安装于框架1中心处，所述末端执行器5设置于框架1的各个面域内，与直角坐标式机械臂11保持连接，所述直角坐标式机械臂11带动末端执行器5根据工控机4程序命令在相应面域内沿X、Y、Z轴做线性运动。
进一步的，所述行驶***12包含履带轮2以及驱动装置，所述履带轮2设置于车架3两侧，驱动装置设置于履带轮3内侧，与车架1保持连接，驱动履带轮2转动，带动机器人行进，通过驱动装置驱动履带轮2的行进方式，便于机器人在地形复杂的林地行进，适用地形范围广。通过电机驱动履带的行进方式，便于机器人在地形复杂的林地行进，适用地形范围广。
进一步的，所述驱动装置包括电动机、电机控制器、以及传动机构。
进一步的，所述图像识别***6包括照明、镜头、相机、图像采集卡、视觉处理器。摄像头采集果树上的果实图像信息。摄像头所采集到的图像信息传输到工控机，工控机将摄像头收集到的果树的位置坐标以及障碍物的位置坐标信息进行求解，进而使工控机编译出相应的采摘程序，来控制机械臂实现果实采摘作业。
进一步的，请参考图6，直角坐标式机械臂11由电动机10，滚珠丝杠8，光轴7，机械臂基座滑块13，多级伸缩机构14，末端执行器5组成。所述电动机10与滚珠丝杠8做转动连接，所述滚珠丝杠的螺母座与光轴7做固定连接，所述光轴7与机械臂基座滑块13做滑动连接，所述机械臂的基座滑块13与多级伸缩机构14做固定连接，所述末端执行器5安装在多级伸缩机构14末端，机械臂的电动机10的转动带动丝杠8转动，再通过滚珠丝杠上的螺母座带动光轴7进行直线运动，进而实现机械臂的基座滑块在相应面域移动，使机械臂的基座锁定相应面域内果实的(X、Y)位置坐标，多级伸缩机构14的再沿果实的(Z)向坐标把末端执行器5送到果实所在位置，进而使末端执行器5在正确的位置作业。
进一步的，所述直角坐标式机械臂11包括设置于框架1各个面域内相邻两侧面的电机10以及与电机10转轴连接的滚珠丝杠8，所述电机10与框架1保持固定连接，所述末端执行器5与滚珠丝杠8柔性连接，所述滚珠丝杠8与框架1保持转动连接，电机10工作，滚珠丝杠8转动，末端执行器5在面域范围内线性运动，通过滚珠丝杠传动，提高传动机构的自锁效果。
进一步的，所述直角坐标式机械臂还包括一对光轴7以及一滑块，所述光轴7十字交叉与滚珠丝杠8柔性连接，所述光轴7与框架1滑动连接，所述滑块13开有两通孔，所述通孔方向相互垂直，所述光轴7穿过通孔，所述光轴7与滑块滑动连接，所述末端执行器5安装于滑块外侧面，通过光轴对末端执行器5的线性运动进行导向，避免末端执行器在位移过程中发生偏移，提高了位移的精度。
进一步的，所述滑块通孔内设置一直线轴承，所述光轴7***通孔并穿过直线轴承，使得光轴带动机械臂基座滑块的运动的摩擦阻力小，运动效率高。
进一步的，所述滚珠丝杠8外套一滚珠丝杠螺母，所述滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹连接，所述滚珠丝杠螺母上还设置一螺母座，所述螺母座与滚珠丝杠螺母保持固定连接，所述光轴与螺母座保持固定连接，末端执行器5停止运动后，可自锁，并停止运动，提高了末端执行器的运动精度。
光轴7通过螺钉安装在螺母座上，滑块的两只内孔中分别装有直线轴承，再将直线轴承内孔套与光轴7，使得光轴7带动滑块的运动的摩擦阻力小，运动效率高。
请参考图8以及图9，如图8所示：工控机4与直角坐标式机械臂11、摄像头、末端执行器5以及行驶***12保持电气连接。工控机4通过串口1以及转接卡输入的信息，来自行编写程序用以控制驱动装置行进，使得水果采摘机器人能在果园自主行驶。行到采摘点后，摄像头采集果树上的果实图像信息，并将所采集到的图像信息通过转接卡传输到工控机4，工控机4将摄像头收集到的图像信息进行处理和分析，计算出果实在相应面域内的位置坐标(X、Y、Z)，工控机根据算得到的位置坐标自行编译程序，用于控制机械臂与末端执行器的采摘动作，对果实进行采摘。
请参考图9，该机器人的软件***在VC++中开发完成，其程序流程图如图9所示，程序简述如下所述：
各***设备初始化。
工控机首先通过串口1采集GPS的位置坐标及航向信息，通过转接卡采集摄像机拍摄的路面图像信息，然后再由上位机对所采集数据进行决策分析计算，生成导航控制程序，进而实现行驶***的自主导航。
工控机通过转接卡采集摄像机拍摄的果树图像，对果实进行识别和定位，并保存果实中心点坐标。然后再由工控机根据果实坐标位置信息进行求解，并以果实坐标求解结果，进行自动编程，用以控制机械臂的运动。
当机械臂运动至目标位置后，工控通过串口3向末端执行器控制器发送指令，使末端执行器抓取果实，直到机械臂采摘范围内的果实采摘完毕。
机械臂回到导航初始位置时，并重复以上自主导航和自主采摘过程。当***检测到GPS坐标值到达终点时，整个采摘任务结束。
本发明实施时，工控机4控制电机带动履带轮2转动，机器人行进，图像识别***6对果园果树行间的路面图像信息以及果树上的果实图像信息进行采集，并将所采集到的图像信息传输到工控机4，工控机4将智能摄像头收集到的图像信息进行处理和分析，来控制水果采摘机器人在果园内的自主导航。行到采摘点后，工控机4给出信号，电机10动作，末端执行器在框架1面域内线性运动到坐标点，开始采摘动作，对果实进行采摘。
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，在其它实施例中实现。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 (10)

1.一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其结构特征在于：包括
一车架(3)；
一行驶***(12)，设置于车架(3)底部，带动机器人行进；
一工控机(4)，安装于车架(3)顶部；
一对框架(1)，通过框架支撑座(9)竖直安装于车架(1)顶部，所述框架(1)被分割成数个面域；
数个直角坐标式机械臂(11)，设置于框架(1)的各个面域内侧；
图像识别***(6)，安装于框架(1)中心处；
末端执行器(5)，末端执行器安装于各个直角坐标式机械臂(11)的端部；
所述直角坐标式机械臂(11)动作在面域内沿X、Y、Z轴做线性运动；
所述工控机(4)与直角坐标式机械臂(11)、图像识别***(6)、末端执行器(5)以及行驶***保持电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述直角坐标式机械臂(11)包括框架(1)各个面域内相邻两侧面的电机(10)以及与电机(10)转轴连接的滚珠丝杠(8)，所述电机(10)与框架(1)保持固定连接，所述滚珠丝杠(8)与电机(10)保持转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述直角坐标式机械臂(11)还包括一对光轴(7)以及一滑块(13)，所述一对光轴(7)在相应面域内异面相互垂直且与滚珠丝杠(8)滑动连接，所述滑块(13)开有两通孔，所述通孔方向呈异面相互垂直，所述光轴(7)穿过通孔，所述光轴(7)与滑块(13)滑动连接，所述机械臂的多级伸缩机构(14)安装于滑块外侧面，末端执行器(5)安装于多级伸缩机构(14)末端。
4.根据权利要求3所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述滑块(13)通孔内设置一直线轴承，所述光轴(7)***通孔并穿过直线轴承。
5.根据权利要求2所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述滚珠丝杠(8)外套一滚珠丝杠螺母，所述滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹连接，所述滚珠丝杠螺母上还设置一螺母座，所述螺母座与滚珠丝杠螺母保持固定连接，所述光轴与螺母座保持固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述行驶***(12)包含履带轮(2)以及驱动装置，所述履带轮(2)设置于车架(3)两侧，驱动装置设置于履带轮(3)内侧，与车架(1)保持连接，驱动履带轮(2)转动，带动机器人行进。
7.根据权利要求6所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述驱动装置包括电动机、电机控制器、以及传动机构。
8.根据权利要求1所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述末端执行器(5)由抓手和割刀组成。
9.根据权利要求1所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述工控机(4)通过连接相应的硬件，再应用相应的软件，进而实现该机器人自动完成相应的工作任务。
10.根据权利要求1所述的一种基于直角坐标式机械臂的水果采摘机器人，其特征在于：所述图像识别***(6)包括照明、镜头、相机、图像采集卡、视觉处理器。
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