CN216058333U - 一种智能移动水果采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能移动水果采摘机器人，包括：轮式移动装置，水果收集箱，主控制器，GPS信号接收机，单目摄像机，采摘机械臂，管道传输装置，RGB‑D相机，末端执行器，通过对单目摄像机和GPS信号接收机的数据分析使机器人沿着一定的路线行走，实现智能移动，行走至目标果树位置时，采摘机械臂旋转使RGB‑D相机进行全方位果实图像的采集，主控制器对成熟果实进行识别和定位，并向末端执行器发送控制指令，采摘的果实通过管道传输装置传送至水果收集箱。

Description

一种智能移动水果采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体涉及一种智能移动水果采摘机器人。

背景技术

我国作为世界第一大水果生产国与消费国，水果资源丰富，水果产业市场有着很好的前景。水果市场虽然庞大，但机械化程度不高，很多环节的机械化技术还处于实验室和试验示范阶段，没有得到实际应用，特别是种植在丘陵山区的水果，基本都依靠农民手工采摘。水果生产是典型的劳动密集型产业，需要耗费大量的劳动力，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还具有一定的危险性。

随着小康生活的不断完善，人们对于水果的要求越来越高，水果成熟后需要及时采摘，而且对收获的果实有一定要求，尤其是难采摘和脆弱的果实，稍有不慎就会对果实造成损伤，这不仅对工人提出更高要求，增加了劳动强度，人工采摘还有可能出现危险。因此在水果采摘中，一种智能移动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，还对于促进我国农业科技进步，跟踪世界农业新技术、加速我国农业现代化进程有着重大的现实意义。

发明内容

为解决水果成熟时需要人工一个个采摘收集问题，现提出一种智能移动水果采摘机器人。

本实用新型采用的技术方案如下：包括轮式移动装置、水果收集箱、主控制器、GPS信号接收机、单目摄像机、采摘机械臂、管道传输装置、RGB-D相机、末端执行器；其中主控制器以单片机为主控芯片，通过对GPS信号接收机和单目摄像机的数据信息进行处理，发送特定指令至轮式移动装置，使轮子沿着一定的路线传输，实现采摘机器人的智能移动；当***检测到机器人行走到目标果树位置时，主控制器向采摘机械臂发送移动指令，采摘机械臂依次旋转至各个图像采集位置，RGB-D相机采集果树各部分的图像，主控制器对成熟果实进行识别和定位，并根据果实的坐标对采摘机械臂进行路径的规划和运动分析；当采摘机械臂运动到特定位置时，主控制器向末端执行器发送剪切指令，末端执行器开始剪切果蒂，采摘的果实通过管道传输装置传送到水果收集箱中；目标范围内的果实采摘完毕后，采摘机械臂自动旋转至初始位置，继续执行以上智能移动和果实自主采摘作业。

为了获取准确的行驶路径和障碍物距离等信息，单目摄像机采集图像时应尽量保持稳定，而轮式移动装置具有支撑面积大、不易打滑、稳定性强等优点，还可以搭载摄像头、实现原地转动。橡胶轮式是一种在橡胶带中嵌有一定数量的金属及钢丝帘线轮式式行走部件，重量较轻，对果园地面几乎没有破坏，因此轮式移动装置采用橡胶材质。

机器人在果园移动时，单目摄像机将不断的采集果树行间路面的情况，并对采集的图像进行处理，识别出导航的路径，在通过GPS信号接收机接收机器人的位置信息，视觉导航信息和GPS位置信息相结合共同作用，实现采摘机器人在果园中的智能移动。

采摘机械臂的结构采用4个自由度的关节型。水果大部分是一种悬挂于半空中的作物，果实位置不确定，树枝和果实具有一定的距离，障碍物较多，采摘不太容易。因此，利用关节型机械臂的三个自由度确定目标果实的位置，在腕关节处的一个自由度，使末端执行器在采摘过程中能保持水平。采摘机械臂的基座包含了腰部、大臂和小臂三个部分，腰关节、肩关节、肘关节决定了执行器的末端位置，腕关节用来确定末端执行器的空间位姿，这样采摘机器人工作的空间较大，运动灵活。

果园中的果实会出现被遮挡的现象，而且大多数果实是不规则的，采用RGB-D相机采集果树的图像，通过应用R-G的颜色阈值，从果树的点云分割果实区域，识别出成熟果实以及该果实所在的位置。末端执行器的前端为剪刀并带有限位开关，当果蒂进入剪刀口，并且触碰到限位开关时，直流电机驱动传动机构控制剪刀运动剪断果蒂，果实直接落入剪刀下方的网格中，再通过软管道传送到水果收集箱中。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：一种智能移动水果采摘机器人，能够实现在果园中智能移动、果实识别和定位、果实剪切、果实装箱等动作的智能协调控制。当果实成熟时，该机器人进行水果的采摘，管道传输加快水果的收集，减轻了果农的劳动强度，使水果能够及时的采集，减少水果的浪费，保证果实的品质。

附图说明

图1为本实用新型所述一种智能移动水果采摘机器人结构图；

图2为一种智能移动水果采摘机器人整体框架图；

图3为一种智能移动水果采摘机器人RGB-D原理图；

图中：1-轮式移动装置；2-水果收集箱；3-主控制器；4-GPS信号接收机；5-单目摄像机；6-采摘机械臂；7-管道传输装置，，8-RGB-D相机；9-末端执行器；10-机械手；11动力执行机构；12-机械臂各关节控制器；13-视觉***；14-彩色相机和TOF相机；15-RGB-D视觉融合；16-目标检测网络。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1所示，为了使采摘机器人在果园中行走时更加稳定，对果园地面影响较小，采用轮式移动装置1。单目摄像机5负责采集路面图像，将采集到的路面图像传输到主控制器3，在主控制器中采用导航路径识别算法对导航图像进行处理，并提取出导航参数，GPS信号接收机4对采摘机器人的位置进行实时定位，二者共同作用完成水果采摘机器人的智能移动。采摘机械臂6的结构形式和自由度直接影响末端执行器的作业空间、运动精度以及灵活性，采摘水果时应减少对果树的破坏，所以采用4个自由度的关节型机械臂，使水果采摘机器人结构尽量的简单、紧凑。当机器人行至目标果树位置时，采摘机械臂6将进行不同程度的旋转，使RGB-D相机8充分采集果树各部分的图像，使果实图片最大化的被采集，主控制器3对采集的图像进行一定的运算，识别出成熟果实以及该果实所在的位置，根据果实的坐标对采摘机械臂6进行路径的规划和运动分析。在驱动器的驱动下，采摘机械臂6按照主控制器3设定的路径进行移动，达到设定的位置时，主控制器3向末端执行器9发送剪切指令，末端执行器9采用果蒂剪切方式剪切果实，剪切的果实掉落到末端执行器9下方的网格线中，网格中的果实经过管道传输装置7传送到水果收集箱2，为了减少传输过程中对果实的破环，管道传输装置7采用软管道且有一点弧度，水果采集箱四周铺设泡沫网垫，对果实进一步保护。目标范围内的果实采摘完毕后，采摘机械臂6自动旋转至初始位置，继续执行以上智能移动和果实自主采摘作业，当水果收集箱2内的水果达到一定高度，水果采摘机器人返回初始点。

如图2所示，采摘机器人本体主要包括机械手10、动力执行机构11和机械臂各关节控制器12，视觉***13用于识别和检测目标果实，通过视觉感知***进行目标果实的识别和抓取点位置的提取，并将抓取点位置转换到机械手基准坐标系中从而确定果实的空间位置，然后将位置信息通过串行通信传给运动规划***。运动规划***接收目标果实的位置信息后，将其转换到机器人基准坐标系中，进行逆运动学计算，运动规划、插补运算等，然后将规划的关节位置指令通过CAN总线通信发送到机械臂各关节控制器12，控制相应关节电机转动到指定位置，待机械手10移动到目标果实位置后，通过CAN总线向运动规划控制***发送到达目标点指令，运动控制***接收到指令后，向末端执行器发送剪切控制命令，使末端执行器完成果实的剪切任务。

如图3所示，RGB-D相机8包括彩色相机和TOF相机14，TOF相机有较高的测量精度，能精确测得10m以内物体的深度信息，但TOF相机获得的深度图分辨率比较低，而水果成熟度的识别和定位需要用到相对较高分辨率的图像，因此用彩色相机和TOF相机共同作用，通过RGB-D视觉融合15将高分辨率的彩色图片和低分辨率的深度图片进行融合获得高分辨率的水果深度图，目标检测网络16先对原始拍摄的水果图片做图像金字塔操作，使算法能适应于检测不同大小位置的水果。在每一张拍摄的图像上选取固定大小的像素块，获得水果在彩色图片的位置，再通过语义分割确定该水果表面的法向量，得到目标水果的姿态。

Claims (5)

1.一种智能移动水果采摘机器人，其特征在于：包括轮式移动装置(1)、水果收集箱(2)、主控制器(3)、GPS信号接收机(4)、单目摄像机(5)、采摘机械臂(6)、管道传输装置(7)、RGB-D相机(8)、末端执行器(9)；其中主控制器(3)以单片机为主控芯片，GPS信号接收机(4)和单目摄像机(5)给主控制器(3)发送数据信息，主控制器(3)控制轮式移动装置(1)工作；当***检测到机器人行走到目标果树位置时，主控制器(3)向采摘机械臂(6)传输移动数据，采摘机械臂(6)旋转至图像采集位置，RGB-D相机(8)采集果树各部分的图像，主控制器(3)对成熟果实进行识别和定位，并对采摘机械臂(6)进行运动分析；当采摘机械臂(6)运动到特定位置时，主控制器(3)向末端执行器(9)发送剪切指令，末端执行器(9)开始剪切果蒂，采摘的果实通过管道传输装置(7)传送到水果收集箱(2)中；目标范围内的果实采摘完毕后，采摘机械臂(6)自动旋转至初始位置，继续执行以上智能移动和果实自主采摘作业。

2.根据权利要求1所述一种智能移动水果采摘机器人，其特征在于：所述采摘机器人的本体包括机械手(10)、动力执行机构(11)、机械臂各关节控制器(12)，机械手(10)包含采摘机械臂(6)和末端执行器(9)，机械手(10)采用关节型。

3.根据权利要求1所述一种智能移动水果采摘机器人，其特征在于：所述RGB-D相机(8)包括彩色相机和TOF相机(14)。

4.根据权利要求1所述一种智能移动水果采摘机器人，其特征在于：所述管道传输装置(7)采用软管道。

5.根据权利要求1所述一种智能移动水果采摘机器人，其特征在于：所述末端执行器(9)采用果蒂剪切方式。

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