一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人及采摘方法
【專利摘要】一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人及采摘方法，包括機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是：所述機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)包括車體、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)、五自由度采摘機(jī)械臂和兩指式末端執(zhí)行器；所述控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、雙目攝像機(jī)、紅外傳感器、壓力傳感器、電氣控制柜及控制電路。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將兩指式末端執(zhí)行器、五自由度采摘機(jī)械臂、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)和傳感器系統(tǒng)集成在一起，將果實(shí)和障礙物的圖像采集和特征提取、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)的智能移動(dòng)、五自由度采摘機(jī)械臂的壁障與果實(shí)定位以及兩指式末端執(zhí)行器的抓取進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了獼猴桃果實(shí)采摘的機(jī)械化、自動(dòng)化，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本、保證了果實(shí)的收獲質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人及采摘方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人及采摘方法。
【背景技術(shù)】
[0002]果蔬收獲是一種勞動(dòng)密集型的工作，在很多國(guó)家，由于人口老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力越來(lái)越缺乏，勞動(dòng)力成本增加。果蔬采摘作業(yè)是目前果蔬生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的環(huán)節(jié)之一，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的加工和儲(chǔ)藏。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍然很低，目前國(guó)內(nèi)水果采摘基本都是人工進(jìn)行。在眾多水果中，獼猴桃因其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值被譽(yù)為“水果之王”。中國(guó)是獼猴桃的原產(chǎn)地，也是世界上獼猴桃栽培面積最大的國(guó)家。但是目前獼猴桃仍依靠人工收獲，由于每個(gè)地域的獼猴桃采摘時(shí)間都相對(duì)集中，采摘時(shí)間短，所以需要投入大量的人力來(lái)從事采摘、分揀、裝箱等勞動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作耗時(shí)而且成本也越來(lái)越高。
[0003]獼猴桃為藤本植物，目前獼猴桃普遍采用棚架式的種植模式，間隔一定距離豎立金屬支柱或水泥支柱，支柱頂部由鐵絲縱橫交叉呈”井”字形網(wǎng)絡(luò)，獼猴桃藤蔓順著鐵絲網(wǎng)生長(zhǎng)。獼猴桃果實(shí)一般垂掛在棚架上，成簇生長(zhǎng)現(xiàn)象較為普遍，果實(shí)生長(zhǎng)分布范圍較廣，幾乎布滿了整個(gè)空間。由于自然生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，在機(jī)器人采摘中，目標(biāo)果實(shí)自動(dòng)識(shí)別存在著背景信息復(fù)雜多樣、果實(shí)部分或全部被遮擋以及光照條件不確定等問(wèn)題，而且由于獼猴桃果實(shí)的嬌嫩易損性，收獲時(shí)容易遭受機(jī)械損傷，對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面協(xié)調(diào)配合有很高的要求。中國(guó)專利CN102187766A公布了 “一種獼猴桃采摘末端執(zhí)行器”，該末端執(zhí)行器由于自身體積的限制，對(duì)毗鄰果的采摘受到限制。因此，研究獼猴桃采摘機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提`供一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人及采摘方法，具體說(shuō)就是針對(duì)自然生長(zhǎng)環(huán)境下采用棚架式的種植模式的獼猴桃進(jìn)行采摘，它解決了人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:
[0006]一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人，包括機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是:
[0007]所述機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)包括車體、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)、五自由度采摘機(jī)械臂和兩指式末端執(zhí)行器；所述車體的結(jié)構(gòu)為柜式，在其底部四個(gè)角的位置上安裝有四個(gè)萬(wàn)向輪，車體內(nèi)部設(shè)置有行進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)通過(guò)螺栓固定在車體上平面，所述的五自由度采摘機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)基座通過(guò)螺栓固定安裝在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)的滑塊上表面，所述的兩指式末端執(zhí)行器安裝在五自由度采摘機(jī)械臂末端，所述的車體的上表面設(shè)置有伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的車體的后側(cè)面設(shè)置有水果采集箱，所述的車體的兩側(cè)面有兩個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與其相連接轉(zhuǎn)動(dòng)的支架平板。
[0008]所述的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)包括水平運(yùn)動(dòng)單元1、水平運(yùn)動(dòng)單元II和水平運(yùn)動(dòng)單元III，其中:
[0009]所述的水平運(yùn)動(dòng)單元1、I1、III的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，包括水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)、水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組、水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊以及水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器，其中，水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組的一端連接，在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組的兩端各安放一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器，水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊可滑動(dòng)地連接在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組上；
[0010]所述的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組底部有兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板和一塊固定下底板；兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組兩個(gè)對(duì)應(yīng)面?zhèn)缺谙噙B接；固定下底板有螺紋通孔，通過(guò)螺栓將水平運(yùn)動(dòng)單元I固定在機(jī)體上平面，所述的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板表面有與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板相配合的螺紋孔，水平運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板與水平運(yùn)動(dòng)單元I的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板通過(guò)螺栓連接；水平運(yùn)動(dòng)單元III的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板與水平運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板通過(guò)螺栓連接。
[0011]所述的五自由度采摘機(jī)械臂包括轉(zhuǎn)動(dòng)基座、大臂、小臂、三個(gè)直流伺服舵機(jī)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)，其中:
[0012]所述的轉(zhuǎn)動(dòng)基座包括旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)體，旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)通過(guò)螺栓連接安裝在水平運(yùn)動(dòng)單元III的滑塊上。
[0013]所述的兩指式末端執(zhí)行器包括手掌1、手掌I1、手指、手腕、滾珠絲杠、電機(jī)、傳感器系統(tǒng)，其中:
[0014]所述的手腕為矩形方塊，通過(guò)舵機(jī)與小臂相連接，手腕的另一端連接手掌II ；
`[0015]所述的手掌II由一塊中間有通孔的方形平板和一塊仿生弧形面板組成；所述的方形平板的一側(cè)面與手腕連接，另一側(cè)面與仿生弧形面板連接，方形平板下側(cè)面固定一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與通過(guò)方形平板中心孔的滾珠絲杠的圓形端面相連接；所述的滾珠絲杠上附有一滑塊，與絲杠同軸方向有兩個(gè)通孔，兩根光桿一端分別穿過(guò)兩個(gè)通孔固定在手掌II上，滑塊一側(cè)端面通過(guò)螺栓連接固定手掌I，手掌I掌面與手掌II上掌面相垂直；所述的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)附有硅膠材料；
[0016]所述的手掌I為一塊長(zhǎng)方形面板，面板上部固定一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所述的手指端面為半圓形，兩根手指平行，手指末端以一定間距固定安裝在電機(jī)主軸上。
[0017]所述傳感器系統(tǒng)包括壓力傳感器和紅外傳感器；所述壓力傳感器安裝在手掌II的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)；所述的紅外傳感器安裝在手掌I的上部。
[0018]所述控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、雙目攝像機(jī)、紅外傳感器、壓力傳感器、電氣控制柜及控制電路等。
[0019]所述雙目攝像機(jī)位于電氣控制柜上平面的支架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電氣控制柜放置在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)一側(cè)，工控機(jī)主機(jī)位于電氣控制柜上側(cè)，運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡分別插裝在工控機(jī)的PCI插槽內(nèi)。
[0020]一種利用獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人進(jìn)行的果實(shí)采摘方法，包括以下步驟:
[0021]啟動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)航線運(yùn)動(dòng)，雙目攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)左右方向的循環(huán)掃描采集，檢測(cè)獼猴桃果實(shí)的位置；
[0022]當(dāng)檢測(cè)到視野范圍內(nèi)有果實(shí)時(shí)，工控機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送平臺(tái)停止前進(jìn)指令，雙目攝像機(jī)用來(lái)采集果樹(shù)、果實(shí)的圖像信息以及采摘機(jī)械臂采摘路徑中的障礙物圖像信息，然后主控制器工控機(jī)對(duì)成熟果實(shí)圖像及障礙物圖像進(jìn)行識(shí)別，判斷出視野內(nèi)獼猴桃果實(shí)數(shù)量，逐個(gè)識(shí)別出視野內(nèi)的獼猴桃果實(shí)并提取其空間位置及形狀等特征信息，確定采摘順序，求解出果實(shí)相對(duì)機(jī)械臂基坐標(biāo)的空間位置坐標(biāo)，獲取水果抓取所需要的位姿信息，然后工控機(jī)對(duì)采摘路徑進(jìn)行規(guī)劃，并向伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)控制器和采摘機(jī)械臂的控制器發(fā)送指令，當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器送到待摘果實(shí)附近時(shí)，兩指式末端執(zhí)行器的紅外傳感器對(duì)采摘機(jī)械手與獼猴桃果實(shí)的相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到果實(shí)已進(jìn)入兩指式末端執(zhí)行器采摘范圍時(shí)，手掌I上安放的直流伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)手指轉(zhuǎn)動(dòng)，手指夾緊獼猴桃果實(shí)果柄，然后手掌II直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠-滑塊模組運(yùn)動(dòng)，手掌I向手掌II開(kāi)始靠近從而夾持果實(shí)，此時(shí)壓力傳感器檢測(cè)手指和果實(shí)之間的夾持力，并判斷是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)所給出的水果所能承受的閾值力，若達(dá)到閾值力則直流伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，末端執(zhí)行器模擬人工采摘的上抬動(dòng)作，完成果實(shí)與果柄的分離，然后采摘機(jī)械臂動(dòng)作，將末端執(zhí)行器移動(dòng)到水果采集箱的上部，末端執(zhí)行器的手指張開(kāi)，將果實(shí)放入水果采集箱內(nèi)。
[0023]重復(fù)執(zhí)行以上采摘過(guò)程，直到對(duì)采摘范圍里標(biāo)記的的水果全部采摘完畢，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械臂移動(dòng)到平臺(tái)水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)進(jìn)行采集，并執(zhí)行上一步果實(shí)采摘過(guò)程；
[0024]當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器把該位置機(jī)械臂可以采摘到的果實(shí)采集完畢后，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)動(dòng)作，把采摘機(jī)械臂移動(dòng)到平臺(tái)水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)重復(fù)執(zhí)行上述采摘過(guò)程，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械臂聯(lián)合動(dòng)作，直至把該平臺(tái)所在位置的所有果實(shí)采摘完畢后，移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)，重復(fù)以上平臺(tái)行走、伸縮式移動(dòng)平臺(tái)滑動(dòng)和果實(shí)采摘過(guò)程。獼猴桃采摘機(jī)器人平臺(tái)沿著導(dǎo)航線直線向前運(yùn)動(dòng)，兩指式末端執(zhí)行器在伸縮式移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)下S形循環(huán)采摘果實(shí)。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)理念，集成度高，有助于提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和工作效率。整個(gè)機(jī)械臂固定在伸縮式移動(dòng)平臺(tái)上，在工作時(shí)機(jī)械臂可以在伸縮式移動(dòng)平臺(tái)上左右滑動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)平臺(tái)在果園行間行走一次就可以采摘完其兩側(cè)的果實(shí)，整個(gè)智能移動(dòng)平臺(tái)行走的路程可以減半，行走部分可以降低控制難度，提高采摘速度；采摘機(jī)器人視覺(jué)傳感器中的雙目攝像機(jī)采用分時(shí)復(fù)用方案，避免使用兩個(gè)雙目相機(jī)，既滿足了使用要求，又節(jié)約成本；針對(duì)獼猴桃果實(shí)成簇生長(zhǎng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了從果實(shí)下部接近果實(shí)，兩指式采摘的結(jié)構(gòu)`，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高了采摘的速度和可靠性。機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模擬人工采摘的上臺(tái)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果枝的分離，這樣設(shè)計(jì)就是為了避免采摘機(jī)械手上增加復(fù)雜的果實(shí)分離裝置，簡(jiǎn)化了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，減低了機(jī)械臂末端的重量。本發(fā)明解決了水果采摘?jiǎng)趧?dòng)力短缺且成本過(guò)高這一問(wèn)題，降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本、保證了果實(shí)及時(shí)采收、保證了果實(shí)質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0028]圖3為本發(fā)明的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖4為本發(fā)明的五自由度采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖。[0030]圖5為本發(fā)明的兩指式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖6為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的主要功能模塊構(gòu)成示意圖。
[0032]附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1-車體、2-采集箱、3-伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)、4-雙目攝像機(jī)、5-工控機(jī)、6-兩指式末端執(zhí)行器、7-五自由度的采摘機(jī)械臂、8-導(dǎo)軌支撐板、9-平臺(tái)支撐板、10-平臺(tái)支撐架、11-轉(zhuǎn)動(dòng)輪、12-伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、13-直流伺服舵機(jī)1、14_直流伺服舵機(jī)I1、15-直流伺服舵機(jī)II1、16-電氣控制柜、17-水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)、18-水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組、19-水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器、20-水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊、21-基座旋轉(zhuǎn)電機(jī)、22-轉(zhuǎn)動(dòng)基座、23-大臂、24-小臂、25-手腕、26-絲杠旋轉(zhuǎn)電機(jī)、27-手掌I1、28-手指旋轉(zhuǎn)電機(jī)、29-手指、30-手掌1、31-紅外傳感器、32-滾珠絲杠、33-滑塊、34-光桿。
【具體實(shí)施方式】
[0033]參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5,—種稱猴桃果實(shí)米摘機(jī)器人,包括機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是:
[0034]所述機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)包括車體1、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3、五自由度的采摘機(jī)械臂7和兩指式末端執(zhí)行器6 ;所述車體I的結(jié)構(gòu)為柜式，在其底部四個(gè)角的位置上通過(guò)螺栓連接安裝有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪11，車體內(nèi)部設(shè)置有行進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3通過(guò)螺栓固定在機(jī)體I上平面上，所述的五自由度的采摘機(jī)械臂7的轉(zhuǎn)動(dòng)基座22通過(guò)螺栓固定安裝在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20上表面，所述的兩指式末端執(zhí)行器6安裝在五自由度的采摘機(jī)械臂7末端，所述的車體I的后側(cè)面上設(shè)置有水果采集箱2，所述的車體I的兩側(cè)面有兩個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與其相連接轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)支撐架10 ；
[0035]所述的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3通過(guò)螺栓固定在車體I上平面，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3機(jī)構(gòu)包括水平運(yùn)動(dòng)單元1、水平運(yùn)動(dòng)單元II和水平運(yùn)動(dòng)單元III,其中:`[0036]所述的水平運(yùn)動(dòng)單元1、I1、III的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，包括水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)16、水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18、水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20以及水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器19，其中，水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)16通過(guò)聯(lián)軸器與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18的一端連接，在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18的兩段各安放一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器19，水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20可滑動(dòng)地連接在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18上；
[0037]所述的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18底部有兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板8和一塊固定下底板；兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板8通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18兩個(gè)對(duì)應(yīng)面?zhèn)缺谙噙B接；固定下底板有螺紋通孔，通過(guò)螺栓將水平運(yùn)動(dòng)單元I固定在車體I上平面，所述的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20上平板表面有與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18下底板相配合的螺紋孔，水平運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18下平板與水平運(yùn)動(dòng)單元I的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20上平板通過(guò)螺栓連接，將水平運(yùn)動(dòng)單元II固定在水平運(yùn)動(dòng)單元I上，水平運(yùn)動(dòng)單元III的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組18下平板與水平運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊20上平板通過(guò)螺栓連接，將水平運(yùn)動(dòng)單元III固定在水平運(yùn)動(dòng)單元11上。
[0038]所述的五自由度采摘機(jī)械臂7包括轉(zhuǎn)動(dòng)基座22、大臂23、小臂24、直流伺服舵機(jī)113、直流伺服舵機(jī)1114、直流伺服舵機(jī)III15和一個(gè)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)21，其中:
[0039]所述的轉(zhuǎn)動(dòng)基座包括旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)21和旋轉(zhuǎn)機(jī)體22，旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)21通過(guò)螺栓連接安裝在水平運(yùn)動(dòng)單元III的滑塊20上。
[0040]所述的兩指式末端執(zhí)行器包括手掌130、手掌1127、手指29、手腕25、滾珠絲杠32、絲杠旋轉(zhuǎn)電機(jī)26、手指旋轉(zhuǎn)電機(jī)28、滑塊33和傳感器系統(tǒng)，其中:
[0041]所述的手腕25為矩形方塊，通過(guò)直流伺服舵機(jī)III15與小臂24相連接，手腕的另一端連接手掌1127 ；
[0042]所述的手掌1127由一塊中間有通孔的方形平板和一塊仿生弧形面板組成；所述的方形平板的一側(cè)面與手腕連接，另一側(cè)面與仿生弧形面板連接，方形平板下側(cè)面固定一個(gè)絲杠旋轉(zhuǎn)電機(jī)26，絲杠旋轉(zhuǎn)電機(jī)26通過(guò)聯(lián)軸器與通過(guò)方形平板中心孔的滾珠絲杠32的圓形端面相連接；所述的滾珠絲杠32上附有一滑塊33，與滾珠絲杠32同軸方向有兩個(gè)通孔，兩根光桿34 —端分別穿過(guò)兩個(gè)通孔固定在手掌1127上，滑塊33 —側(cè)端面通過(guò)螺栓連接固定手掌130，手掌130掌面與手掌1127上掌面相垂直；所述的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)附有硅膠材料；
[0043]所述的手掌130為一塊長(zhǎng)方形面板，面板上部固定一個(gè)手指旋轉(zhuǎn)電機(jī)28，所述的手指29端面為半圓形，兩根手指29平行，手指29末端以一定間距固定安裝在手指旋轉(zhuǎn)電機(jī)28主軸上。
[0044]所述傳感器系統(tǒng)包括壓力傳感器和紅外開(kāi)關(guān)傳感器31 ;所述壓力傳感器安裝在手掌Π27的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)；所述的超聲波傳感器31安裝在手掌130的上部。
[0045]所述控制系統(tǒng)包括工控機(jī)5、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12、光電編碼器、雙目攝像機(jī)4、紅外傳感器31、壓力傳感器、電氣控制柜16及控制電路組成。`
[0046]所述雙目攝像機(jī)4位于電氣控制柜16上平面的支架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12及電氣控制柜16放置在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3 —側(cè)，工控機(jī)5位于電氣控制柜16上側(cè)，運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡分別插裝在工控機(jī)5的PCI插槽內(nèi)。
[0047]一種利用獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人進(jìn)行的果實(shí)采摘方法，包括以下步驟:
[0048]啟動(dòng)獼猴桃采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)航線運(yùn)動(dòng)，雙目攝像機(jī)4進(jìn)行實(shí)時(shí)左右方向的循環(huán)掃描采集，檢測(cè)獼猴桃果實(shí)的位置。
[0049]當(dāng)檢測(cè)到視野范圍內(nèi)有果實(shí)時(shí)，工控機(jī)5向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送平臺(tái)停止前進(jìn)指令，雙目攝像機(jī)4用來(lái)采集果樹(shù)、果實(shí)的圖像信息以及五自由度的采摘機(jī)械臂7采摘路徑中的障礙物圖像信息，接下來(lái)主控制器工控機(jī)5對(duì)成熟果實(shí)圖像及障礙物圖像進(jìn)行識(shí)別，判斷出視野內(nèi)獼猴桃果實(shí)數(shù)量，逐個(gè)識(shí)別出視野內(nèi)的獼猴桃果實(shí)并提取其空間位置及形狀等特征信息，確定采摘順序，求解出果實(shí)相對(duì)機(jī)械臂基坐標(biāo)的空間位置坐標(biāo)，獲取水果抓取所需要的位姿信息，然后工控機(jī)5對(duì)采摘路徑進(jìn)行規(guī)劃，并向伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3控制器和五自由度采摘機(jī)械臂7的控制器發(fā)送指令，當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器6送到待摘果實(shí)附近時(shí)，兩指式末端執(zhí)行器6的紅外傳感器31對(duì)兩指式末端執(zhí)行器6與獼猴桃果實(shí)的相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到果實(shí)已進(jìn)入兩指式末端執(zhí)行器6采摘范圍時(shí)，手掌130上安放的直流伺服電機(jī)28正向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)手指29轉(zhuǎn)動(dòng)，手指29夾緊獼猴桃果實(shí)果柄，然后手掌1127直流伺服電機(jī)26旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠-滑塊模組運(yùn)動(dòng)，手掌130向手掌1127開(kāi)始靠近從而夾持果實(shí)，此時(shí)壓力傳感器檢測(cè)手指29和果實(shí)之間的夾持力，并判斷是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)所給出的水果所能承受的閾值力，若達(dá)到閾值力則直流伺服電機(jī)28停止轉(zhuǎn)動(dòng)，兩指式末端執(zhí)行器6模擬人工采摘的上抬動(dòng)作，完成果實(shí)與果柄的分離，然后五自由度采摘機(jī)械臂7動(dòng)作，將兩指式末端執(zhí)行器6移動(dòng)到水果采集箱2的上部，末端執(zhí)行器6的手29指張開(kāi)，將果實(shí)放入水果采集箱2內(nèi)。
[0050]重復(fù)執(zhí)行以上采摘過(guò)程，直到對(duì)采摘范圍里標(biāo)記的的水果全部采摘完畢，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)五自由度采摘機(jī)械臂7移動(dòng)到伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)進(jìn)行采集，并執(zhí)行上一步果實(shí)采摘過(guò)程。
[0051]當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器6把該位置五自由度采摘機(jī)械臂7可以采摘到的果實(shí)采集完畢后，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3繼續(xù)動(dòng)作，把五自由度采摘機(jī)械臂7移動(dòng)到伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)重復(fù)執(zhí)行上述采摘過(guò)程，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)3和五自由度采摘機(jī)械臂7聯(lián)合動(dòng)作，直至把該平臺(tái)所在位置的所有果實(shí)采摘完畢后，移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)，重復(fù)以上平臺(tái)行走、伸縮式移動(dòng)平臺(tái)滑動(dòng)和果實(shí)采摘過(guò)程。獼猴桃采摘機(jī)器人平臺(tái)沿著導(dǎo)航線直線向前運(yùn)動(dòng)，兩指式末端執(zhí)行器在伸縮式移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)下S形循環(huán)采摘果實(shí)。
[0052]獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人解決了人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)獼猴桃采摘作業(yè)的機(jī)械化、自`動(dòng)化和智能化。
【權(quán)利要求】
1.一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人，包括機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是: 所述機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)包括車體、伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)、五自由度采摘機(jī)械臂和兩指式末端執(zhí)行器； 所述的車體結(jié)構(gòu)為柜式，在其底部四個(gè)角的位置上安裝有四個(gè)萬(wàn)向輪，車體內(nèi)部設(shè)置有行進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)通過(guò)螺栓固定在車體上平面，五自由度采摘機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)基座通過(guò)螺栓固定安裝在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)的滑塊上表面，兩指式末端執(zhí)行器安裝在五自由度采摘機(jī)械臂末端，車體的上表面設(shè)置有伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，車體的后側(cè)面設(shè)置有水果采集箱，車體的兩側(cè)面有兩個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與其相連接轉(zhuǎn)動(dòng)的支架平板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人，其特征在于所述的伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)包括水平運(yùn)動(dòng)單元1、水平運(yùn)動(dòng)單元II和水平運(yùn)動(dòng)單元III，其中: 所述的水平運(yùn)動(dòng)單元1、I1、III的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，包括水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)、水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組、水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊以及水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器，其中，水平運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組的一端連接，在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組的兩端各安放一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)單元接觸傳感器，水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊可滑動(dòng)地連接在水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組上； 所述的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組底部有兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板和一塊固定下底板；兩塊可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌支撐板通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組兩個(gè)對(duì)應(yīng)面?zhèn)缺谙噙B接；固定下底板有螺紋通孔，通過(guò)螺栓將水平運(yùn)動(dòng)單元I固定在機(jī)體上平面； 所述的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板表面有與水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板相配合的螺紋孔，水平 運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板與水平運(yùn)動(dòng)單元I的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板通過(guò)螺栓連接；水平運(yùn)動(dòng)單元III的水平運(yùn)動(dòng)單元導(dǎo)軌-絲杠模組下底板與水平運(yùn)動(dòng)單元II的水平運(yùn)動(dòng)單元滑塊上平板通過(guò)螺栓連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人，其特征在于所述的五自由度采摘機(jī)械臂包括轉(zhuǎn)動(dòng)基座、大臂、小臂、三個(gè)直流伺服舵機(jī)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)，其中: 所述的轉(zhuǎn)動(dòng)基座包括旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)體，旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)通過(guò)螺栓連接安裝在水平運(yùn)動(dòng)單元III的滑塊上； 所述的兩指式末端執(zhí)行器包括手掌1、手掌I1、手指、手腕、滾珠絲杠、電機(jī)、傳感器系統(tǒng)，其中: 所述的手腕為矩形方塊，通過(guò)舵機(jī)與小臂相連接，手腕的另一端連接手掌II; 所述的手掌II由一塊中間有通孔的方形平板和一塊仿生弧形面板組成；所述的方形平板的一側(cè)面與手腕連接，另一側(cè)面與仿生弧形面板連接，方形平板下側(cè)面固定一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與通過(guò)方形平板中心孔的滾珠絲杠的圓形端面相連接；所述的滾珠絲杠上附有一滑塊，與絲杠同軸方向有兩個(gè)通孔，兩根光桿一端分別穿過(guò)兩個(gè)通孔固定在手掌II上，滑塊一側(cè)端面通過(guò)螺栓連接固定手掌I，手掌I掌面與手掌II上掌面相垂直；所述的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)附有硅膠材料； 所述的手掌I為一塊長(zhǎng)方形面板，面板上部固定一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所述的手指端面為半圓形，兩根手指平行，手指末端以一定間距固定安裝在電機(jī)主軸上； 所述傳感器系統(tǒng)包括壓力傳感器和紅外傳感器；所述壓力傳感器安裝在手掌II的仿生弧形面板內(nèi)側(cè)；所述的紅外傳感器安裝在手掌I的上部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人，其特征在于所述控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、雙目攝像機(jī)、紅外傳感器、壓力傳感器、電氣控制柜及控制電路等； 所述雙目攝像機(jī)位于電氣控制柜上平面的支架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電氣控制柜放置在伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)一側(cè)，工控機(jī)主機(jī)位于電氣控制柜上側(cè)，運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、圖像采集卡分別插裝在工控機(jī)的PCI插槽內(nèi)。
5.一種利用如權(quán)利要求1所述的一種獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人進(jìn)行果實(shí)采摘的方法，其特征在于包括以下步驟: 啟動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)航線運(yùn)動(dòng)，雙目攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)左右方向的循環(huán)掃描采集，檢測(cè)獼猴桃果實(shí)的位置； 當(dāng)檢測(cè)到視野范圍內(nèi)有果實(shí)時(shí)，工控機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送平臺(tái)停止前進(jìn)指令，雙目攝像機(jī)用來(lái)采集果樹(shù)、果實(shí)的圖像信息以及采摘機(jī)械臂采摘路徑中的障礙物圖像信息，然后主控制器工控機(jī)對(duì)成熟果實(shí)圖像及障礙物圖像進(jìn)行識(shí)別，判斷出視野內(nèi)獼猴桃果實(shí)數(shù)量，逐個(gè)識(shí)別出視野內(nèi)的獼猴桃果實(shí)并提取其空間位置及形狀等特征信息，確定采摘順序，求解出果實(shí)相對(duì)機(jī)械臂基坐標(biāo)的空間位置坐標(biāo)，獲取水果抓取所需要的位姿信息，然后工控機(jī)對(duì)采摘路徑進(jìn)行規(guī)劃，并向伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)控制器和采摘機(jī)械臂的控制器發(fā)送指令，當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器送到待摘果實(shí)附近時(shí)，兩指式末端執(zhí)行器的紅外傳感器對(duì)采摘機(jī)械手與獼猴桃果實(shí)的相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到果實(shí)已進(jìn)入兩指式末端執(zhí)行器采摘范圍時(shí)，手掌I上安放的直流伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)手指轉(zhuǎn)動(dòng)，手指夾緊獼猴桃果實(shí)果柄，然后手掌II直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠-滑塊模組運(yùn)動(dòng)，手掌I向手掌II開(kāi)始靠近從而夾持果實(shí)，此時(shí)壓力傳感器檢測(cè)手指和果實(shí)之間的夾持`力，并判斷是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)所給出的水果所能承受的閾值力，若達(dá)到閾值力則直流伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，末端執(zhí)行器模擬人工采摘的上抬動(dòng)作，完成果實(shí)與果柄的分離，然后采摘機(jī)械臂動(dòng)作，將末端執(zhí)行器移動(dòng)到水果采集箱的上部，末端執(zhí)行器的手指張開(kāi)，將果實(shí)放入水果采集箱內(nèi)； 重復(fù)執(zhí)行以上采摘過(guò)程，直到對(duì)采摘范圍里標(biāo)記的的水果全部采摘完畢，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械臂移動(dòng)到平臺(tái)水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)進(jìn)行采集，并執(zhí)行上一步果實(shí)米摘過(guò)程； 當(dāng)兩指式末端執(zhí)行器把該位置機(jī)械臂可以采摘到的果實(shí)采集完畢后，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)動(dòng)作，把采摘機(jī)械臂移動(dòng)到平臺(tái)水平位置的下一果實(shí)采集區(qū)重復(fù)執(zhí)行上述采摘過(guò)程，伸縮式滑動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械臂聯(lián)合動(dòng)作，直至把該平臺(tái)所在位置的所有果實(shí)采摘完畢后，移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)，重復(fù)以上平臺(tái)行走、伸縮式移動(dòng)平臺(tái)滑動(dòng)和果實(shí)采摘過(guò)程。獼猴桃采摘機(jī)器人平臺(tái)沿著導(dǎo)航線直線向前運(yùn)動(dòng)，兩指式末端執(zhí)行器在伸縮式移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)下S形循環(huán)采摘果實(shí)。
【文檔編號(hào)】A01D46/30GK103749094SQ201310719150
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】崔永杰, 陳同, 張發(fā)年, 李楨, 余偉芬, 李少華 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)