本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化裝備，具體涉及一種農(nóng)業(yè)智能裝備，尤其是一種軌道式智能蘑菇采摘機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、蘑菇是兼具營(yíng)養(yǎng)與功能性的健康食品，其每100克鮮品含2.9克蛋白質(zhì)，粗纖維0.6克，鈣8毫克及人體必需的全部20種氨基酸，其中谷氨酸含量達(dá)1g以上，鮮味氨基酸占比超40%，此外蘑菇還富含鈉、鉀、錳、銅和維生素a、維生素b以及多種氨基酸，成人每天吃25克鮮蘑菇就能基本滿足一天所需要的維生素。隨著人民生活要求日益提高，蘑菇正從傳統(tǒng)食材向功能食品躍遷，需求也將不斷提高。根據(jù)《2023年至2024年度全國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)情況調(diào)研報(bào)告》，我國(guó)食用菌總產(chǎn)量從2014年的3270萬(wàn)噸持續(xù)攀升至2023年的4334.17萬(wàn)噸，總產(chǎn)值增長(zhǎng)至3965.57億元。伴隨蘑菇種植的集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展，對(duì)于相關(guān)配套農(nóng)業(yè)機(jī)械也提出了挑戰(zhàn)。

2、當(dāng)前，蘑菇的工廠化種植迅速發(fā)展，2023年全國(guó)食用菌工廠化總產(chǎn)量為409.16萬(wàn)噸，較2022年的285.67萬(wàn)噸同比增長(zhǎng)43.23%。在工廠化生產(chǎn)體系中，標(biāo)準(zhǔn)層架式栽培模式已得到普遍應(yīng)用，但相較于菌種制備、環(huán)境調(diào)控等自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采收作業(yè)仍主要依賴人工操作。

3、蘑菇采摘流程存在以下突出問(wèn)題：蘑菇出菇階段持續(xù)性的高濕環(huán)境和生物活性特征，采收人員在密閉栽培庫(kù)房?jī)?nèi)長(zhǎng)期暴露于高溫高濕環(huán)境，工作強(qiáng)度大，風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等職業(yè)病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)顯著提升；勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)環(huán)境的雙重壓力，使得采收崗位面臨結(jié)構(gòu)性用工短缺，采摘工人招人困難，采摘階段人工支出占總用人成本比例高達(dá)45%-60%；蘑菇子實(shí)體生長(zhǎng)速度快，其個(gè)體的采摘窗口期較短，時(shí)間不定，人工目測(cè)無(wú)法精準(zhǔn)判斷其生長(zhǎng)情況并及時(shí)進(jìn)行采摘，導(dǎo)致蘑菇產(chǎn)品存在較大差異，經(jīng)驗(yàn)豐富的工人可使合格率達(dá)90%，而新手僅70%左右；鮮蘑菇十分脆弱，人工直接觸碰菇體易造成機(jī)械損傷，規(guī)范化培訓(xùn)可將破損率控制在5%以內(nèi)，但實(shí)際生產(chǎn)中普遍為8-15%。

4、為解決工廠化蘑菇種植中采收階段的問(wèn)題，通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)，充分發(fā)揮機(jī)器人的信息感知能力，對(duì)蘑菇進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別、測(cè)量與定位。針對(duì)工廠化蘑菇種植環(huán)境設(shè)計(jì)研發(fā)機(jī)械臂與采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行蘑菇采收作業(yè)，研制了一種軌道式智能蘑菇采摘機(jī)器人，通過(guò)自主導(dǎo)航、視覺(jué)識(shí)別與精準(zhǔn)執(zhí)行的全流程智能控制，降低了采摘作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，穩(wěn)定了蘑菇的采摘品質(zhì)，極大提升了蘑菇采收階段的生產(chǎn)效率，為我國(guó)推進(jìn)集約的工廠化蘑菇種植提供了標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)層架式高密度蘑菇種植背景下的狹小空間內(nèi)的蘑菇連續(xù)自動(dòng)化采摘，本發(fā)明提出一種軌道式智能蘑菇采摘機(jī)器人，可以適用于現(xiàn)有層架式種植模式下的蘑菇識(shí)別、定位、采摘作業(yè)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種軌道式智能蘑菇采摘機(jī)器人，包括軌道基座、回轉(zhuǎn)機(jī)械臂、機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)、智能采摘機(jī)構(gòu)及h型鋼軌道；

3、軌道基座安裝于h型鋼軌道上，能沿軌道雙向移動(dòng)；

4、回轉(zhuǎn)機(jī)械臂鉸接于軌道基座底部，具有雙自由度水平回轉(zhuǎn)功能；

5、機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)內(nèi)置于回轉(zhuǎn)機(jī)械臂中，通過(guò)電缸-氣缸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)生成負(fù)壓；

6、智能采摘機(jī)構(gòu)安裝于回轉(zhuǎn)機(jī)械臂末端，通過(guò)氣管與機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)相連，擁有一個(gè)水平扭轉(zhuǎn)與一個(gè)垂直位移自由度，集成深度視覺(jué)識(shí)別模塊，完成對(duì)蘑菇的成熟度識(shí)別、三維位置定位，并通過(guò)自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)和根部切斷器對(duì)蘑菇進(jìn)行吸附剝離與根部剪切，實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘、根部切除以及收集作業(yè)。

7、進(jìn)一步，所述軌道基座包括伺服電機(jī)、輸出齒輪、基座主動(dòng)輪、側(cè)向限位輪、主動(dòng)側(cè)連接板、基座底板、基座預(yù)緊輪、從動(dòng)輪，伺服電機(jī)安裝于主動(dòng)側(cè)連接中間，并通過(guò)輸出齒輪與兩側(cè)基座主動(dòng)輪的齒輪部分嚙合，帶動(dòng)其同向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)軌道基座移動(dòng)；基座底板安裝于軌道基座底部，固定兩側(cè)的主動(dòng)側(cè)連接與從動(dòng)側(cè)連接板，并為回轉(zhuǎn)機(jī)械臂提供安裝接口；基座預(yù)緊輪與h型鋼軌道下表面接觸提供預(yù)緊力；四組側(cè)向限位輪分別安裝于主動(dòng)側(cè)連接板和從動(dòng)側(cè)連接板兩端，限制垂直及軌道方向偏移。

8、進(jìn)一步，兩個(gè)基座主動(dòng)輪內(nèi)置滾珠軸承，通過(guò)銷(xiāo)軸與主動(dòng)側(cè)連接連接，其滾動(dòng)輪體部分與h型鋼軌道一側(cè)凹槽的下表面接觸，作為主動(dòng)端驅(qū)動(dòng)軌道基座整體移動(dòng)，另一側(cè)的基座從動(dòng)輪作為平衡支點(diǎn)，以同樣的方式與從動(dòng)側(cè)連接板連接。

9、進(jìn)一步，所述回轉(zhuǎn)機(jī)械臂包括第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)、第一臂桿、第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)、第二臂桿，第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一臂桿實(shí)現(xiàn)0-360°水平回轉(zhuǎn)；第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二臂桿實(shí)現(xiàn)0-270°水平回轉(zhuǎn)；通過(guò)雙自由度協(xié)同運(yùn)動(dòng)使機(jī)械臂末端在扇形區(qū)域內(nèi)精準(zhǔn)定位。

10、進(jìn)一步，所述機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)包括負(fù)壓發(fā)生氣缸、伺服電缸(304)、進(jìn)氣單向閥、出氣單向閥、自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)，伺服電缸通過(guò)電-氣缸聯(lián)動(dòng)板同步控制三個(gè)負(fù)壓發(fā)生氣缸的活塞運(yùn)動(dòng)；進(jìn)氣單向閥與出氣單向閥配合，通過(guò)氣缸循環(huán)伸縮產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)壓；負(fù)壓輸出口連接至自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)。

11、進(jìn)一步，伺服電缸固定端通過(guò)電缸固定銷(xiāo)與電缸固定座鉸連接固定，電缸固定座與氣缸固定座通過(guò)螺釘固定在機(jī)器人第一臂桿內(nèi)部底面；三個(gè)負(fù)壓發(fā)生氣缸缸體前端通過(guò)氣缸固定螺母分別與氣缸固定座固定；三個(gè)氣缸活塞桿與電缸輸出推桿一同固定于電-氣缸聯(lián)動(dòng)板一側(cè)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；?三個(gè)氣缸接頭分別安裝于三個(gè)負(fù)壓發(fā)生氣缸的無(wú)桿端，并通過(guò)連接氣管與五通氣動(dòng)接頭中部的三個(gè)接頭連接；?五通氣動(dòng)接頭兩端的垂直接頭各連接進(jìn)氣單向閥與出氣單向閥，出氣單向閥另一端連接消音器，進(jìn)氣單向閥另一端為負(fù)壓輸出口。

12、進(jìn)一步，所述智能采摘機(jī)構(gòu)包括扭轉(zhuǎn)舵機(jī)、舵機(jī)輸出支架、滑臺(tái)絲杠、直線滑塊、深度相機(jī)、根部切斷器、剪切連桿、微型電推桿，扭轉(zhuǎn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)輸出支架實(shí)現(xiàn)0-180°扭轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)滑臺(tái)絲杠控制直線滑塊垂直移動(dòng)；深度相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉蘑菇三維坐標(biāo)，反饋至控制系統(tǒng)；微型電推桿通過(guò)剪切連桿驅(qū)動(dòng)根部切斷器完成剪切動(dòng)作。

13、進(jìn)一步，扭轉(zhuǎn)舵機(jī)通過(guò)螺釘固定在機(jī)械臂末端連接板上，其輸出盤(pán)連接舵機(jī)輸出支架；滑臺(tái)底座與舵機(jī)輸出支架連接，直線滑軌通過(guò)螺釘垂直安裝與其內(nèi)側(cè)，深度相機(jī)安裝在其底端；?滑臺(tái)底座的上部通過(guò)步進(jìn)電機(jī)座安裝步進(jìn)電機(jī)(415；滑臺(tái)絲杠為步進(jìn)電機(jī)輸出軸，直線滑塊安裝于直線滑軌上，并與滑臺(tái)絲杠配合實(shí)現(xiàn)垂直方向移動(dòng)；末端固定塊與直線滑塊通過(guò)螺釘連接，其內(nèi)側(cè)安裝自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)，負(fù)壓吸盤(pán)通過(guò)由回轉(zhuǎn)機(jī)械臂內(nèi)部引出的吸盤(pán)氣管與機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)連接；末端固定塊外側(cè)安裝根部切斷器，同時(shí)安裝微型電推桿作為根部切斷器動(dòng)力源；并通過(guò)連桿固定板與剪切連桿組成的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。

14、一種采用軌道式智能蘑菇采摘機(jī)器人的采摘方法，其步驟為：當(dāng)深度相機(jī)捕捉到成熟標(biāo)準(zhǔn)的蘑菇后，讀取其三維坐標(biāo)，反饋給上位機(jī)，上位機(jī)控制回轉(zhuǎn)機(jī)械臂運(yùn)行，使智能采摘機(jī)構(gòu)參考點(diǎn)到達(dá)該蘑菇坐標(biāo)點(diǎn)的正上方；隨后控制步進(jìn)電機(jī)使直線滑塊及其連接的末端固定塊向下運(yùn)動(dòng)，直到自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)貼合蘑菇傘蓋上表面，并啟動(dòng)機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)在自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)產(chǎn)生負(fù)壓，以吸合蘑菇傘蓋；接著控制扭轉(zhuǎn)舵機(jī)做180度扭轉(zhuǎn)，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)反向抬升自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)；待蘑菇被完全拔出培養(yǎng)基質(zhì)后，控制微型電推桿向上運(yùn)動(dòng)，使根部切斷器切斷蘑菇根部；最后控制回轉(zhuǎn)機(jī)械臂移出智能采摘機(jī)構(gòu)，命令各機(jī)構(gòu)歸位并將蘑菇放入收集框，完成蘑菇采摘流程。

15、進(jìn)一步，在軌道基座與回轉(zhuǎn)機(jī)械臂的共同作用下控制智能采摘機(jī)構(gòu)中的深度相機(jī)對(duì)所有蘑菇種植層架進(jìn)行不間斷巡視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)到達(dá)成熟標(biāo)準(zhǔn)的蘑菇后，記錄其坐標(biāo)，并采用智能算法自動(dòng)規(guī)劃最快采摘路徑，完成蘑菇采收任務(wù)。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

17、1、本發(fā)明采用預(yù)置h型鋼單軌道+移動(dòng)基座的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)，相較于輪式底盤(pán)或是雙軌道移動(dòng)機(jī)器人，單軌系統(tǒng)存在獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，具有工程適配性好，容許誤差大，部署速度快，改造成本低，重復(fù)精度高，移動(dòng)速度快，基座體積小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，負(fù)載力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)剛度好，能量效率高等優(yōu)點(diǎn)。在工廠層架式栽培的狹小空間與潮濕環(huán)境下具有更好的工作效果與壽命表現(xiàn)。

18、2、采用自適應(yīng)負(fù)壓吸盤(pán)與末端扭轉(zhuǎn)的采摘方式，相較于機(jī)械夾爪直接采摘，自適應(yīng)負(fù)壓吸可以更輕柔地貼合蘑菇表面，通過(guò)扭轉(zhuǎn)而不是拉拔的施力方式，避免了蘑菇桿部的撕裂風(fēng)險(xiǎn)，顯著降低采摘流程對(duì)于蘑菇造成的機(jī)械損傷。

19、3、內(nèi)置機(jī)載負(fù)壓系統(tǒng)，采用電缸-氣缸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)單向閥組合產(chǎn)生負(fù)壓，無(wú)需額外連接氣管使用。對(duì)比傳統(tǒng)真空泵具有氣壓調(diào)整精度高、無(wú)機(jī)械振動(dòng)、低噪音、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。顯著提升能量轉(zhuǎn)化效率，且無(wú)需潤(rùn)滑油維護(hù)，在潮濕環(huán)境有更長(zhǎng)的使用壽命。