本实用新型涉及采摘机器人技术领域，具体为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置。
背景技术：
我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国，2015年我国的水果产量已超过2.71亿吨，约占全球产量的17％。但我国目前的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主，采摘作业所用的劳动力占整个生产过程的33％～50％。采摘作业强度大、人工成本高、采摘效率低、危险性高。本项目大大提高了采摘效率，降低了果实的破损率。节省了人工成本，提高了果农的经济效益。且随着农业从业者人数的减少及老龄化趋势不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。
目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主，采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等4大系统组成。近年来，日本在番茄采摘机器人上设计出了具有7个自由度的能够指定采摘姿态的机械手，西班牙科技人员研发出一套由光学视觉系统和机械手组成的柑橘采摘机器人识别柑橘是否成熟。此类产品可有效地代替人力，极大地节约人力成本，但是此类采摘机器人价格昂贵且不易维修，很难在我国小农经济式的果园中推广开。
我国果园采收机械化的研究与应用较晚，但近些年我国采摘机械得到迅速发展，中国农业大学和潍坊学院联合研制了茄子采摘机器人，该机器人由四自由度关节式机械手、DMC运动控制器、数字摄像头以及PC机组成。中国农业大学研制了六自由度圆柱型黄瓜采摘机器人,该机器人拥有六自由度机械臂，各关节均采用步进电机驱动,视觉系统采用基于RGB模型G分量的图像分割算法，分割成功率为70％左右。但该设计采摘精度不高，容易造成果实高损伤率。
目前，采摘机器人研究领域主要存在以下几个问题：(1)果实的识别率不高或定位精度不高。(2)果实损伤率较大。(3)果实的平均采摘周期较长。如采摘机器人收获一个甜瓜约15s。为使机器人实现实用化，提高其作业效率与减少果实损伤率是应解决问题的关键。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置，包括推车、采摘机械手以及水果收集装置，所述推车的车体上端面固定安装有电动伸缩杆，电动伸缩杆顶部固定有基座，基座上安装有采摘机械手，所述采摘机械手采用六自由度串联关节型机械手；所述采摘机械手端部安装有用于剪断果梗的末端执行器；所述水果收集装置包括顶部开口位于末端执行器下方的可伸缩式管道，所述可伸缩式管道的顶部开口外壁与基座固定连接，可伸缩式管道底部连接有倾斜导管，倾斜导管底端伸入车体上端面固定的水果筐内；所述采摘机械手中各个舵机的舵机驱动器、末端执行器以及电动伸缩杆的控制端均与控制板连接。
作为本实用新型进一步的方案：所述可伸缩式管道内部设置多级缓冲装置，所述缓冲装置为四周与可伸缩式管道内壁固定的缓冲垫，缓冲垫中心开设有通孔，缓冲垫上围绕通孔四周分布有V型开口。
作为本实用新型进一步的方案：所述可伸缩式管道为铝箔可伸缩式管道。
作为本实用新型进一步的方案：所述六自由度串联关节型机械手包括安装在基座上的旋转座，旋转座内设置有用于驱动旋转台旋转的舵机，所述旋转台上安装有第一铰接座，第一铰接座端部铰接有第一摆臂，第一铰接座内设置有用于驱动第一摆臂转动的舵机；第一摆臂顶部铰接有第二摆臂，第一摆臂端部设置有用于驱动第二摆臂转动的舵机；第二摆臂端部铰接有第二铰接座，第二摆臂端部设置有用于驱动第二铰接座转动的舵机；第二铰接座上端面旋转安装有转动台，第二铰接座内设置有用于驱动转动台旋转的舵机；所述转动台内的舵机输出轴端通过连接架与末端执行器连接。
作为本实用新型进一步的方案：所述末端执行器包括与连接架固定的执行支架，执行支架上对称安装一组剪臂，所述剪臂包括剪刀片、剪刀摆动臂以及中心轴转动安装在执行支架上的锤片，两个锤片之间通过多个齿头啮合连接，锤片上延伸设置有延伸臂，延伸臂端部与剪刀摆动臂端部铰接，所述剪刀摆动臂中部铰接有与延伸臂平行的中间杆，中间杆另一端与执行支架铰接，所述剪刀片固定在剪刀摆动臂自由端，所述执行支架内安装有用于驱动其中一个锤片转动的执行马达。
作为本实用新型进一步的方案：所述转动台顶部安装有摄像头，所述摄像头通过WIFI模块与控制板连接，控制板上连接有显示屏，控制板通过无线通讯模块与上位机通讯连接，上位机通过模拟器与无线控制手柄连接。
作为本实用新型进一步的方案：所述显示屏为OLED显示屏。
作为本实用新型进一步的方案：所述控制板的型号为STM32F103。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、在水果采摘的闭环人机系统中，采用人与机械的交替互助与串口显示屏的结合使用，给予反馈者更为精准的反馈信息大大降低了采摘难度，取代了传统人工采摘模式中高强度，高危险性的采摘行为。同时在果实采摘的精准度上优于现有的纯机械化采摘机器人。本项目中以人作为控制主体，在实际采摘活动中，更能体现系统的灵活性；
2、末端执行器选用剪切式在连接最弱处于果柄，改变了人工剪切的低效行为，扩大了执行器的作业范围和工作能力，提高了效率。同时较与夹持器式摘取方式，剪切式对所摘取水果的种类与果径要求更为宽泛并降低了果实采摘的破损率；
3、共有七个自由度，包括机械手的六自由度和支撑杆的自由度。现有市场上的采摘机械手多为2～3个自由度，相较于此，多自由度控制可扩大采摘范围，灵活变化角度。在实际采摘过程中，对于复杂位置的果实的剪切采取更具优势，增加了果实采净率。
附图说明
图1为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的结构示意图；
图2为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的结构示意图；
图3为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的结构示意图；
图4为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的结构示意图；
图5为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的结构示意图；
图6为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置的系统流程框图；
图7为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中D-H连杆坐标系；
图8为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中D-H模型逆运动学几何表示；
图9为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中采摘机械手工作空间仿真的三维图；
图10为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中采摘机械手工作空间的XOZ坐标图；
图11为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中采摘机械手工作空间的YOZ坐标图；
图12为一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置中采摘机械手工作空间的XOY坐标图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1～5，本实用新型提供一种技术方案：一种基于人机协作的果园智能机械手采摘装置，包括推车1、采摘机械手6以及水果收集装置，所述推车1的车体11下端面四周设置有滚轮12，推车1的车体11上端面固定安装有电动伸缩杆2，电动伸缩杆2顶部固定有基座4，基座4上安装有采摘机械手6，所述采摘机械手6采用六自由度串联关节型机械手；所述采摘机械手6端部安装有用于剪断果梗的末端执行器8；所述水果收集装置包括顶部开口位于末端执行器8下方的可伸缩式管道9，所述可伸缩式管道9的顶部开口外壁与基座4固定连接，可伸缩式管道9底部连接有倾斜导管92，倾斜导管92底端伸入车体11上端面固定的水果筐10内；所述采摘机械手6中各个舵机的舵机驱动器、末端执行器8以及电动伸缩杆2的控制端均与控制板3连接。
其中，所述可伸缩式管道9内部设置多级缓冲装置，所述缓冲装置为四周与可伸缩式管道9内壁固定的缓冲垫91，缓冲垫91中心开设有通孔，缓冲垫91上围绕通孔四周分布有V型开口；所述可伸缩式管道9为铝箔可伸缩式管道。
其中，所述六自由度串联关节型机械手包括安装在基座4上的旋转座5，旋转座5内设置有用于驱动旋转台旋转的舵机，所述旋转台上安装有第一铰接座65，第一铰接座65端部铰接有第一摆臂61，第一铰接座65内设置有用于驱动第一摆臂61转动的舵机；第一摆臂61顶部铰接有第二摆臂62，第一摆臂61端部设置有用于驱动第二摆臂62转动的舵机；第二摆臂62端部铰接有第二铰接座63，第二摆臂62端部设置有用于驱动第二铰接座63转动的舵机；第二铰接座63上端面旋转安装有转动台64，第二铰接座63内设置有用于驱动转动台64旋转的舵机；所述转动台64内的舵机输出轴端通过连接架87与末端执行器8连接。
可优选地，所述末端执行器8包括与连接架87固定的执行支架86，执行支架86上对称安装一组剪臂，所述剪臂包括剪刀片81、剪刀摆动臂82以及中心轴转动安装在执行支架86上的锤片85，两个锤片85之间通过多个齿头啮合连接，锤片85上延伸设置有延伸臂84，延伸臂84端部与剪刀摆动臂82端部铰接，所述剪刀摆动臂82中部铰接有与延伸臂84平行的中间杆83，中间杆83另一端与执行支架86铰接，所述剪刀片81固定在剪刀摆动臂82自由端，所述执行支架86内安装有用于驱动其中一个锤片85转动的执行马达。
所述转动台64顶部安装有摄像头7，所述摄像头7通过WIFI模块与控制板3连接，控制板3上连接有显示屏，控制板3通过无线通讯模块与上位机通讯连接，上位机通过模拟器与无线控制手柄连接；所述显示屏为OLED显示屏；所述控制板3的型号为STM32F103。
为适应多变的开放式的果园地面环境，选用平板式的推车作为采摘机械手6在果园内作业的移动平台，电动伸缩杆2作为采摘机械手6底部的伸缩装置。采摘机械手6的各关节的转动均采用舵机作为驱动源，在采摘机械手6末端装有末端执行器8与摄像头7，其中末端执行器8用于剪切果梗，水果从与其下端相连的可伸缩式管道9落下，通过其内部的多级缓冲装置进入水果筐。
请参阅图5，本实用新型实施例中的本装置采用电动伸缩杆2实现末端执行器8的升降，电动伸缩杆2由永磁直流电机驱动，最长可伸达25555mm，推力可达1000N。其可由行程控制开关调换伸缩方向，并在任意位置停止自锁。此推杆增大采摘范围，提高采摘作业的安全性与效率。
请参阅图4，本实用新型实施例中，在采摘机械手6底端接上一长约3.5米的铝箔可伸缩式管道，管道内部设置多级缓冲装置。当末端执行器8完成对果梗剪切后，此装置可减少水果通过下落管道落到水果筐时的撞击力。
请参阅图2，采摘机械手6为六自由度串联关节型机械手。通过无线控制手柄装置控制舵机在工作空间任意转向与自由度伸长。末端执行器8由两锤片85构成，根据控制指令，其可对于目标果实果梗处进行剪切。
电控结构：
本设计主要采用人在回路方式，通过摄像头7实时传输的位置监测工作空间的环境信息，判断采摘机械手6的路径规划完成各个舵机速度转向的选择。上位机通过无线控制手柄控制STM32F103芯片实现机械手臂的运作，并使末端执行器到达目标点完成对目标果实的定位与抓取。
(1)主控计算机
采摘机器人控制系统采用STM32F103为核心控制板，实现对机械臂关节舵机驱动器的控制、传感器信息的处理及显示等功能。
(2)上位机操作系统
本系统采用labVIEW编写上位机操作界面并由无线手柄利用串口完成上位机与下位机之间的通信即控制舵机的选择、转向、速度。
(3)监测系统
本系统采用微型摄像头与OLED显示屏监测控制舵机的运行。通过摄像头无线WiFi传输，在上位机实时监测。在空间位置确定后，可监测显示屏完成舵机的选取与转向角度的确立。且在夜间模式下，可实现无光夜视5M效果，增大工作时间选择的灵活性。
程序功能描述
请参阅图6，通过DH建立以基座为原点的空间坐标系，由按键K1，K2进行ABC模式与XYZ模式的选择。引入速度式PID调速与位置式PID精准测量位置信息与目标位置。开启OLED显示屏，实时监测测量目标值与实际值的位置信息。
D-H模型正运动模型建立
请参阅图7，为在机器人的各个构件上固结相应的坐标系。本设计采用Denavit-Hartenberg模型对采摘机械手中连杆与关节进行建模。利用4×4的齐次变换来描述各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系，从而导出末端执行器的坐标系相对于参考系的等价齐次变换矩阵，最终建立操作臂的运动学方程。由建立的连杆D-H参数坐标系与D-H参数。设任意相邻两杆之间的变换矩阵为Tii-1，指定Z轴位于按右手规则旋转方向，X轴方向沿公法线方向。则可以得到末杆相对于固定坐标系的表达。
由建立的连杆一参数坐标系与一参数(机械臂连杆参数值见表1)。可推导出连杆的一坐标变换矩阵为：
末端执行器的姿态方程：
D-H模型逆运动模型建立
请参阅图8，本采摘机械手运动学反解采用几何方法通过末端位置的姿态求取各关节姿态即相应关节变量θ1、θ2、θ3。且为简化模型求解，去掉下方云台的旋转关节，在二维平面上进行运动学分析。其中θ1，θ2，θ3是个关节角度，P(x,y,α)是末端执行器的姿态表示，x和y是在0XY平面坐标，α是末端执行器的朝向。
已知末端执行器位置为
x＝l0 cosθ1+l1 cos(θ1+θ2)+l2 cos α (3)
y＝l0 sinθ1+l1 sin(θ1+θ2)+l2 sin α (4)
可得：
l1＝[l0 cosθ1+l2 cosα-x]2+[sinθ1+l2 sinα-y]2 (5)
其中，
a＝(l2 cosα-x)2+(l2 sinα-y)2
工作原理
在采摘过程中，初始值设置好的控制板，通过PWM波控制舵机的转动，寻找适合的位置操控末端执行器。在运行过程中，人眼通过与控制板相连的串口显示屏和放置在末端执行器上的摄像头观察水果的位置，不断操控手柄改变上位机的当前值，反馈给控制板。
无线手柄控制
手柄采用24G无线技术，遥控距离可达15米左右。在速度方面，可通过1,2按键对速度在3-30档位内进行选择。在模式控制方面分为ABC与XYZ模式。前者可通过手柄按键对机械手臂单个舵机分别控制其运动。后者通过建立DH逆运动协调舵机间运动控制其在X，Y轴上的直线运动与末端执行器的朝向。
PC端监测控制
本机械臂在空间坐标系的运动可由上位机中minibalance实时监控，设置串口波特率为115200b/s，各舵机初始位置为750。与上位机通信数据帧长固定为4N+1，UI刷新速率取决于PC的图形、计算性能及通讯链的连接。扩展功能分为3D立方体、平地仪、3D图表与通道独立显示。可用于观察物体的立体姿态、姿态角、三维运动轨迹与数据直方图。
蒙特卡罗仿真
蒙特卡罗方法实质上就是对关节变量通过均匀分布赋以一定数量的符合关节变化要求的随机量，并对各关节变量进行组合[6]，通过上述Denavit-Hartenberg原理计算出机械手末端杆件端点的坐标值，从而求取机械手的工作空间。本文利用Matlab对装置机械手部分的工作空间进行仿真分析。此机械手共有六个自由度，受结构和工作条件限制，其中：各关节长度为；夹持器整体为；控制角范围为夹持器张角为50mm。以下是matlab对机械手工作空间仿真结果，图9为工作空间的三维图形，图10-12为在XOZ、YOZ、XOY坐标轴上投影。
由上综述可得，本机械手在XOY平面上最长可达327mm，Z轴正半轴可达349mm，Z轴负半轴可达246mm。
实验结果
2017年9月15日，在果园内进行了室外苹果与石榴的采摘实验。本实验采摘的水果都处于较理想的情况，例如：无大面积枝叶对目标的遮挡、果实处于静止状态无扰动。
采摘实验过程：针对苹果、石榴树上的果实，视觉系统先进行图像的实时传输，形成“人在回路”的闭环处理系统，通过手柄无线遥控机械手到达目标果实，进行采摘。部分水果采摘时间见表2。
表2对采摘机器人进行苹果、石榴采摘实验的采摘时间进行统计，针对实验结果数据进行分析，影响采摘时间的主要原因有：(1)目标果实在树上的位置及其周围树叶的疏密情况；(2)果梗的直径与长度影响末端执行器剪切动作完成的时间。(3)机械手在执行采摘时与树枝碰撞造成目标扰动，使得采摘时对目标剪切有误差。
经过测试，采摘一个苹果的平均时间为5.02s，采摘一个石榴的平均时间为5.73s。
应用与前景
在水果采摘行业中，采摘的水果质量直接影响果农的经济效益。本项目采用人机协作方式相对于传统采摘方式与纯机械化采摘，此装置有以下三个优势：
(1)采摘效率高。现有的采摘过程中所用劳动力占33％～50％,本装置减少了适用劳动力的数量。且在夜间段也可进行作业。增大了作业时间选择的灵活性。
(2)果实破损率低。普通夹持式执行末端与人工采摘由于可控力度的不易控制与，导致果实破损率高，本装置末端执行器采用剪切式，将果实破损率降低至10％左右。
(3)提高果实采摘精准度。实验结果表明:该采摘机器人采摘错误率低至5％,增大了采摘机器人的可靠性。而我国纯机械化采摘机器人普遍采用CCD摄像机和光电传感器识别果实，错误率可达25％。
进入21世纪，世界各国均面临老龄化问题，劳动力成本高，经济效率低下等问题。该设计先进实用，可以提高个人采摘效率，机器人每小时能约摘500斤苹果，是人手的3-4倍，较普通机械化采摘效率提高27％-34％。据专家分析，人机结合采摘方式每亩可提高经济效益约50万。且较传统机械化采摘，本项目成本更加低廉，灵活性强。此装置还可以采摘梨、桃等果梗较长类水果。其推广开将会带来显著的经济效益和社会效益。
表1：机械臂连杆参数值
表2：部分水果采摘时间