一种菠萝采收机器人系统及实现方法与流程

本发明涉及农业装备领域，特别涉及一种菠萝采收机器人系统及实现方法。

背景技术：

菠萝是广受欢迎的热带水果之一，鲜食菠萝目前完全靠人工完成田间采收。由于菠萝果实具有“果上梗下”的大果特点，同时菠萝果实埋伏在宽大的锯齿状的菠萝叶间，采摘转运中的碰伤、擦伤均会使其快速腐烂，现有各类机器人采收方案无法适用。现有技术中，针对菠萝采摘的机械手设计分析以及对菠萝果实的识别定位开展了少量研究，但是缺少机器人采收的整体实现方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种菠萝采收机器人系统及实现方法，实现菠萝果实的自主采收。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种菠萝采收机器人系统，包括高地隙底盘、机械臂和末端执行器，所述高地隙底盘上固定机械臂，机械臂腕部安装末端执行器；所述末端执行器包括可动连接的固定架和直动部件，直动部件下端通过连杆铰链各手指系，直动部件的底端安装深度相机。

上述方案中，所述手指系包括与连杆铰链的指架、指端和力传感器，所述指架末端铰链有指端，所述指端上安装有力传感器。

上述方案中，所述深度相机的工作状态包括识别定位姿态和导航姿态。

上述方案中，所述识别定位姿态为深度相机处于取景方向竖直的俯视状态、且深度相机的水平取景面与高地隙底盘中心线垂直。

上述方案中，所述导航姿态为深度相机的水平取景面与高地隙底盘中心线夹角为深度相机竖直视场的角度范围的1/2。

上述方案中，所述直动部件为末端执行器的直线驱动部件。

一种菠萝采收机器人系统的实现方法，包含以下步骤：

步骤一，菠萝采收机器人到达菠萝田头后，完成系统初始化，末端执行器各手指系处于张开状态；

步骤二，机械臂带动末端执行器使深度相机到达导航姿态，机械臂带动深度相机水平回转，深度相机进行扫描获取菠萝树行信息；

步骤三，根据深度相机、高地隙底盘、菠萝树行之间的坐标关系，将高地隙底盘的位姿调正至跨菠萝树行的正向；

步骤四，机械臂继续运动，将末端执行器送至沿菠萝树行的正前方，使深度相机到达识别定位姿态；

步骤五，高地隙底盘和机械臂带动深度相机以识别定位姿态沿菠萝树行方向前进，直到深度相机的视场内出现果实；

步骤六，机械臂带动末端执行器移动直至竖直对准果实，并由深度相机完成对果实的水平定位和竖直测距；

步骤七，末端执行器根据竖直测距结果竖直下行，各手指系合拢完成对果实的夹持，由指端的浮动贴合适应果实的轮廓，各手指系继续合拢直至各指端的力传感器的数值ni均满足：f1≤ni≤f2，其中i为力传感器的个数，f1为掰断时可靠夹持果实而不滑脱的阈值，f2为快速夹持时避免果实损伤的阈值；

步骤八，机械臂带动末端执行器以腕部o点竖直下方r处的a点为轴心、以r为半径转动，进行果实与茎秆连接部位的掰断动作，直到沿掰折方向靠下方的力传感器检测到的力信号发生跳跃的骤增、同时沿掰折方向靠上方的力传感器检测到的力信号发生跳跃的骤降，表明果实已被成功摘下；

步骤九，机械臂带动末端执行器夹持被摘下的果实放入果箱，进而末端执行器的各手指系打开，机械臂带动末端执行器恢复到沿菠萝树行的正前方，使深度相机到达识别定位姿态；

步骤十，重复步骤五～九，直至深度相机的视场内菠萝树行消失，表明该菠萝树行的采收已经完成；

步骤十一，深度相机重新到达导航姿态，并重复步骤二～十，如此循环，完成菠萝田的果实采收。

本发明具有益效果为：本发明根据菠萝特殊的“果在上”生长结构，基于掌心单深度相机完成导航与果实识别定位，基于多指力信号特征完成夹持掰断，实现菠萝田未知环境下的全程跨行自主决策和采收作业，本发明结构简单、避免了多套视觉系统导航、识别、定位的复杂性，解决了机器人对菠萝切割式采摘的茎秆定位与叶片干涉等问题。

附图说明

图1为菠萝植株结构示意图；

图2为菠萝采收机器人系统结构示意图；

图3为末端执行器结构示意图；

图4为深度相机的不同位姿示意图；

图5为末端执行器掰断采摘菠萝果实示意图，其中图5(a)为夹持状态，图5(b)为掰折动作状态，图5(c)为掰断状态。

图中：1.叶片，2.顶花，3.果实，4.茎秆，5.果箱，6.末端执行器，7.机械臂，8.高地隙底盘，9.指端，10.铰链，11.指架，12.深度相机，13.连杆，14.直动部件，15.固定架，16.力传感器，17.识别定位姿态，18.导航姿态。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，菠萝为多年生单子叶常绿草本植物，矮生，株高为0.5～1m；菠萝具有短茎秆4和多个长叶片1，果实3从茎秆4上方生出，每株1果，果实3具有顶花2，果实3长为20～26cm，均重为1.2～1.3kg。

如图2所示，菠萝采收机器人系统包括高地隙底盘8、机械臂7、末端执行器6和果箱5，机械臂7固定于高地隙底盘8上，末端执行器6安装于机械臂7的腕部，果箱5固定于高地隙底盘8上；由系统控制器控制机械臂7的各个关节实现机械臂7的运动，并由机械臂7的运动将末端执行器6送达预定的位置和姿态。

如图3所示，末端执行器6由固定架15、直动部件14、三个连杆13、三个指架11、三个指端9、三个铰链10、三个力传感器16、一个深度相机12构成，本发明中，直动部件为末端执行器6的直线驱动部件。末端执行器6通过固定架15安装于机械臂7的腕部，直动部件14与固定架15由移动副联接；直动部件14下端与三个连杆13的一端铰链，连杆13的另一端与指架11上端铰链，指端9通过铰链10与指架11末端连接，指端9上安装有力传感器16，每组指端9、指架11、力传感器16构成一个手指系，三个手指系结构相同并均布设置，直动部件14分别通过三个连杆13带动三个手指系张开和合拢。深度相机12铰接于直动部件14的底端，由电机带动深度相机12以垂直于高地隙底盘8中心线的水平直线为轴线回转，实现识别定位姿态17和导航姿态18之间的切换。如图4所示，其中识别定位姿态17为深度相机12处于取景方向竖直的俯视状态、且深度相机12的水平取景面与高地隙底盘8中心线垂直，导航姿态18为深度相机12的水平取景面与高地隙底盘8中心线夹角为深度相机12竖直视场的角度范围θ0的1/2。

深度相机12通过红外光源的主动发射和漫反射接收，在视场内获得对象的三维深度信息和同步红外反射强度信息其中为水平角坐标，θ为竖直角坐标，为坐标点的对象深度值，为坐标点的对象红外反射强度；深度相机12的有效深度探测范围为[d1，d2]，深度相机12的视场范围：水平视场的角度范围是竖直视场的角度范围是θ0。以realsensed435型深度相机作为本实施例的深度相机12，其水平视场的角度范围和竖直视场的角度范围θ0分别为91.2°和65.5°，深度探测范围为0.2m～10m。

如图5(b)所示，末端执行器6在摘取果实3时，机械臂7的腕部o以o点竖直下方r处的a点为轴心、r为半径转动，进行果实3与茎秆4连接部位的掰折动作；其中r由末端执行器6的长度l(图5(a))增加余量l0构成：

r＝l+l0(1)

本实施例中l0取4cm。

当沿掰折方向(图5(b)的弧形箭头方向)靠下方的指端9的力传感器16检测到的力信号n2发生阶跃的骤增、同时沿掰折方向靠上方的指端9的力传感器16检测到的力信号n1发生阶跃的骤降，表明果实3已被成功摘下(图5(c))。

一种菠萝采收机器人的实现方法，包括以下步骤：

步骤(1)，菠萝采收机器人到达菠萝田头后，完成系统初始化，末端执行器6处于各手指系张开状态；

步骤(2)，机械臂7带动末端执行器6使深度相机12到达导航姿态18，机械臂7带动深度相机12水平回转，深度相机12进行扫描并获得菠萝树行信息；

步骤(3)，根据深度相机12、高地隙底盘8、菠萝树行之间的坐标关系，将高地隙底盘8的位姿调整至跨菠萝树行的正向；

步骤(4)，机械臂7继续运动，将末端执行器6送至沿菠萝树行的正前方，使深度相机12到达识别定位姿态17；

步骤(5)，高地隙底盘8和机械臂7带动深度相机12以识别定位姿态17沿菠萝树行方向前进，直到深度相机12的视场内出现果实3；

步骤(6)，机械臂7带动末端执行器6移动直至竖直对准果实3，并由深度相机12完成对果实3的水平定位和竖直测距；

步骤(7)，根据竖直测距结果，控制机械臂7带动末端执行器6竖直下行，各手指系合拢完成对果实3的夹持，具体为：由指端9的浮动贴合适应果实3的轮廓，各手指系继续合拢直至各指端9的力传感器16的数值ni均满足：

f1≤ni≤f2(i＝1,2,3)(2)

式中，f1为考虑掰断时可靠夹持果实3而不滑脱的力的阈值，本实施例中f1取为0.5g，g为果实的最大重量；f2为快速夹持时避免果实损伤的力的阈值，本实施例中f2取g。

步骤(8)，机械臂7带动末端执行器6以腕部o点竖直下方r处的a点为轴心、以r为半径转动，进行果实3与茎秆4连接部位的掰断动作，直到沿掰折方向靠下方的指端9的力传感器16检测到的力信号发生跳变的骤增、同时沿掰折方向靠上方的指端9的力传感器16检测到的力信号发生跳变的骤降，表明果实3已被成功摘下；实施例中沿掰折方向靠上方的指端9的力传感器16检测到的力信号为n1，沿掰折方向靠下方的指端9的力传感器16检测到的力信号为n2和n3，在1s内当n1下降幅度的超过30％、同时n2和n3上升幅度均超过30％，表明果实3已被成功摘下；

步骤(9)，机械臂7带动末端执行器6夹持被摘下的果实3放入果箱5，进而末端执行器6的各手指系打开，机械臂7带动末端执行器6恢复到沿菠萝树行的正前方，使深度相机12到达识别定位姿态17；

步骤(10)，重复步骤(5)～步骤(9)，直至深度相机12的视场内菠萝树行消失，表明该菠萝树行的采收已经完成；

步骤(11)，深度相机12重新到达导航姿态18，并重复步骤(2)～步骤(10)，如此循环，完成菠萝田的果实采收。

上述所有步骤，均由系统控制器接收深度相机12、相机电机以及各指端9的力传感器16信息，完成各信息的处理和菠萝采收机器人各动作的控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化和修改，并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请实施例中的特征可以任意相互组合。