专利名称：：高架栽培果实智能采收设备及采收方法
技术领域：
：本发明涉及农业机器人
技术领域：
，特别涉及一种高架栽培果实智能采收设备及采收方法。
背景技术：
：草莓、圣女果等是产量较大的小型水果，为保证果实品质，在果实成熟期需要频繁进行采摘作业，因此人工采收的劳动强度较大、成本较高。以草莓为例，传统草莓种植以垄作方式为主，在进行除草、移栽以及采摘作业时，人需要弯腰下蹲姿势进行采收，劳动强度大，不利于人体健康。上世纪末日本开始尝试高架栽培草莓种植模式，并进行了大量推广。目前我国也开始进行草莓高架立体栽培方式，以在减轻人工作业强度的同时，提高农业空间利用效率。目前日本研制的草莓采收设备(Strawberryharvestingrobotforfruitsgrownontabletopculture.2008ASABEAnnualInternationalMeeting.PaperNumber084046)，采用轨道式移动平台作为系统的承载，其运动路径取决于导轨曲线是否相同；采摘机械臂采用直角坐标式结构，来完成对果实的空间定位采摘；基于视觉果实识别系统位置的固定安装方式，采摘作业过程中不可以进行双侧果实识别。采用上述轨道式移动平台的采收设备需要对种植草莓的农业环境进行改造，而且铺设轨道增加使用成本；视觉识别定位系统固定安装方式，只能对一侧果实进行采收，采摘效率低；另一方面其采用直角坐标式采摘机械臂，体积过于庞大，不能满足小型种植环境下的使用要求。
发明内容(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是，如何对采收设备两侧的果实进行采收，提高采收设备对作业环境路面的适应能力；并且减少设备采摘作业所需的空间，提高农业环境空间的利用效率，降低小型高架果实多次采收的劳动强度，提高采收效率，减少收获作业成本。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高架栽培果实智能采收设备，包括移动平台；机械臂，安装在所述移动平台上，所述机械臂的末端安装有末端执行器和双目图像采集装置；控制器，设置在所述移动平台上，与所述机械臂以及双目图像采集装置连接。进一步地，还包括声纳测距装置，设置在所述移动平台上，与所述控制器连接；声纳反射板，设置在果实的栽培架下方。还包括路标识别装置，设置在所述移动平台上，与所述控制器连接。还包括果实箱，通过支撑架设置在所述移动平台上。所述末端执行器包括吸附件；螺杆，其一端与所述吸附件连接；固定块，与所述机械臂末端连接，所述螺杆的另一端从固定块中穿出；驱动部件，位于所述固定块的上方且与固定块连接；两个夹持手指，分别与所述驱动部件连接，位于所述吸附件的上方，在所述驱动部件的控制下开合；切割部件，与两个所述夹持手指连接。其中，所述切割部件包括位于一个所述夹持手指上的固定架，与架设在所述固定架上的加热件，位于另一个所述夹持手指上的切割垫板，所述切割垫板对应于加热件的部分开设有槽。两个夹持手指对合时，所述加热件嵌合在切割垫板的槽中。所述加热件为镍铬加热丝。所述驱动部件为气爪，所述气爪与电磁阀连接，两个所述夹持手指分别与气爪的活动块连接。所述气爪通过螺钉与固定块连接，所述气爪与固定块之间的距离可通过调节螺钉调整。所述吸附件为风琴式吸盘，其一端为吸盘，另一端为连接板，所述连接板与螺杆连接，所述吸附件与真空发生器组件连接。两个所述夹持手指的对端分别设置有夹持垫片。为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种智能采收方法，包括步骤D1、双目图像采集装置随机械臂的运动从不同方位对两侧栽培架上的果实进行动态扫描并采集果实图像，并将采集到的两幅图像发送给所述控制器，所述控制器对两幅所述图像中的目标果实进行空间定位，并根据空间定位的数据控制机械臂运动，使得末端执行器到达果实的位置；步骤D2、控制器启动真空发生器组件为吸附件提供负压，吸附件吸附住待采收的果实；步骤D3、通过控制电磁阀控制气门的活动块活动，从而使得两个夹持手指对合，加热件与切割垫板的槽嵌合，将果柄夹住；步骤D4、接通加热件的电源，高温的加热件与切割垫板将果柄切断。还包括声纳测距装置实时探测栽培架下的声纳反射板与所述移动平台之间的距离，将探测到的信号发送给所述控制器，所述控制器根据接收到的信号控制移动平台的移动并调整移动平台的姿态。所述步骤D4之后还包括步骤D5、所述控制器控制机械臂活动，使得所述末端执行器移动到果实箱的位置，所述控制器控制两个夹持手指张开，果实落入果实箱中。还包括当所述双目图像采集装置的视场里没有成熟果实时，所述控制器控制移动平台前行，当所述移动平台前行到栽培架终点时，路标识别装置采集路标图像并将采集到的图像发送给控制器，所述控制器识别该图像是否为拐弯图像，是则控制所述移动平台转弯至与路标图像指示的方向对应的一排栽培架内继续进行采摘，若所述控制器识别该图像为停止图像，则控制所述移动平台停止行走，结束采摘作业。(三)有益效果上述技术方案具有如下有益效果1、采用声纳测距以及视觉路标识别相结合的方法，实现智能采收设备在农业环境下自主行走，无需导轨等辅助装置，降低了成本，易于实现；且提高了对路面环境的适应能力；2、将果实目标识别定位双目视觉相机安装于机械臂之上，可随机械臂运动，从而便于对两侧栽培架进行果实图像的提取，方便设备对两侧的果实进行采摘；3、采用柔性末端执行器对果实进行无损操作，由于采用关节型采摘机械臂，其所需作业空间较小；4、采用远程遥操作以及语音提示相结合的人机交互方式，无需人工现场干预，采收作业全系列工序全自主作业，节省了大量人力物力，且本设备对环境的适应性强、作业效率高、容易操作，具有重要社会和经济价值。图1是本发明实施例的高架栽培果实智能采收设备的结构示意图；图2是本发明实施例的高架栽培果实智能采收设备的另一结构示意图；图3是本发明实施例的末端执行器的结构示意图；图4是本发明实施例的末端执行器的另一结构示意图；图5是本发明实施例的智能采收方法的流程图。其中，1移动平台；2声纳测距装置；3路标识别装置；4机械臂；5双目图像采集装置；6末端执行器；7支撑架；8控制器；9果实箱；11栽培架；12声纳反射板；61吸附件；611吸盘；612连接板；62螺杆；63固定块；64气爪；65夹持垫片；66夹持手指；67加热件；68固定架；69切割垫板；691槽；610调节螺钉；13果实。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1、2所示，本发明实施例提供的高架栽培果实智能采收设备包括移动平台1、声纳测距装置2、路标识别装置3、机械臂4、双目图像采集装置5、末端执行器6、控制器8以及果实箱9。其中，移动平台1为轮式四驱自主移动小车，移动平台1上的一端安装有声纳测距装置2以及路标识别装置3。草莓栽培架11的下方，对应于声纳测距装置2的位置安装有声纳反射板12，声纳测距装置2用于实时探测声纳反射板12与智能采收设备之间的距离，从而调整移动平台1的姿态，保证智能采收设备沿直线行走。6每排草莓栽培架11的末端都放置有路标(未示出)，包括转弯路标和停止路标。路标识别装置3用于在移动平台1行走到栽培架11终点采集路标图像并将图像发送给控制器8。移动平台4上还固定有关节型机械臂2，能够在控制器8的控制下运动。机械臂2的末端关节处安装有有双目图像采集装置5，末端安装有柔性末端执行器6，双目图像采集装置5具体为双目相机，可随机械臂2的运动从不同方位对两侧栽培架上的果实进行动态扫描并采集目标果实图像，并对提取到的目标果实图像进行空间定位，将空间定位数据发送给控制器8，控制器8根据该空间定位数据控制机械臂2的末端执行器6到达目标果实的位置，并控制末端执行器6采收目标果实，将果实13放入果实箱9。移动平台1的另一端安装有支撑架7，支撑架7的上部为果实箱9，用于盛放采收到的果实，下部为控制器8，用于负责移动平台1的导航控制、果实采摘信息的获取、机械臂的控制等，协调各功能模块实现采摘作业。再如图3、4所示，本发明实施例的末端执行器包括吸附件61、螺杆62、固定块63、作为驱动部件的气爪64、夹持垫片65和夹持手指66，以及用于将果柄切割的加热件67，固定架68和切割垫板69。其中，吸附件61具体为风琴式吸盘，其一端为吸附端，即吸盘611，另一端为连接板612，连接板612与螺杆62连接，螺杆62穿过固定块63并穿出，穿出的一端与真空发生器组件(未示出)连接，通过调节螺杆62能够调整吸附件61伸出固定块63的长度，以适应大小不同的果实、不同果柄长度的果实的采摘要求。其中固定块63与机械臂4的末端连接。气爪64通过调节螺钉610固定在固定块63的上方，通过调节螺钉610能够调节吸附件61与夹持手指66之间的距离。本实施例的气爪64具体为平行开闭型气爪，气爪64的开启闭合由电磁阀(未示出)控制。在其对应于吸附件61的一端，气爪64的活动块(未示出)通过螺钉或螺栓连接有两个夹持手指66，当两个夹持手指66靠近时其端部对合，能够组合成U型，用于夹住待采摘果实613。一个夹持手指66的端部上方设置有固定架68，固定架68上设置有加热件67。该固定架68可以为U型，其开口端被作为加热件67的镍铬电热丝连接，另一个夹持手指66上设置有切割垫板69，切割垫板69上对应于加热件67的位置设置有槽691，该槽691的形状与加热件67的形状相适应，当两个夹持手指66对合，加热件67就嵌合在切割垫板69的槽691中。固定架68和切割垫板69都伸出夹持手指66的端面，因此夹持手指66的端面还设置有夹持垫片65，用于缩短两个夹持手指66端部的距离，以便更牢固的夹住果实13的果柄。本实施例中，镍铬电热丝、电磁阀以及真空发生器组件均采用同一直流电源供电，其各自状态由控制器通过继电器控制。本发明提供的高架栽培果实智能采收设备采用直流铅酸电池以及外界交流电源两种供电模式，根据作业环境的不同可相互切换。再如图5所示，为本发明实施例的智能采收方法的流程图，及智能采收设备的工作流程，如下步骤Si、声纳测距装置实时探测声纳反射板与移动平台之间的距离，将探测到的信号发送给控制器，控制器根据接收到的信号控制移动平台的移动调整移动平台的姿态，保证智能采收设备沿直线行走；步骤S2、双目图像采集装置随机械臂的运动从不同方位对两侧栽培架上的果实进行动态扫描并采集目标果实图像，并将采集到的两幅图像发送给控制器，控制器对两幅图像进行识别，提取目标果实图像并进行空间定位，得到果实的空间坐标数据，根据该空间坐标数据控制机械臂运动，使得末端执行器到达目标果实的位置；步骤S3、控制器启动真空发生器组件为吸附件提供负压，吸附件吸附住待采收的果实；步骤S4、通过控制电磁阀控制气门的活动块活动，从而使得两个夹持手指对合，加热件与切割垫板的槽嵌合，将果柄夹住；步骤S5、接通加热件的电源，高温的加热件与切割垫板将果柄切断；步骤S6、控制器控制机械臂活动，使得末端执行器移动到果实箱的位置，控制器控制两个夹持手指张开，果实落入果实箱中；步骤S7、当双目图像采集装置的视场里没有成熟果实时，控制器控制移动平台前行，当移动平台前行到栽培架终点时，路标识别装置采集路标图像并将图像发送给控制器，控制器识别该图像是否为拐弯图像，是则控制采收设备转弯至与路标图像指示的方向对应的一排栽培架内继续进行采摘，若控制器识别该图像为停止图像，则控制移动平台停止行走，结束采摘作业。本发明提供的智能采收设备可以采用遥控操作人机交互方式，通过系统语音提示与遥控手柄相结合完成操作者对设备的远程操作，以满足在植物工厂化生产环境卫生条件要求，同时降低操作难度，促进产品推广应用。由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的高架栽培果实智能采收设备及采收方法具有如下有益效果1、采用声纳测距以及视觉路标识别相结合的方法，实现智能采收设备在农业环境下自主行走，无需导轨等辅助装置，降低了成本，易于实现；且提高了对路面环境的适应能力；2、将果实目标识别定位双目视觉相机安装于机械臂之上，可随机械臂运动，从而便于对两侧栽培架进行果实图像的提取，方便设备对两侧的果实进行采摘；3、采用柔性末端执行器对果实进行无损操作，由于采用关节型采摘机械臂，其所需作业空间较小；4、采用远程遥操作以及语音提示相结合的人机交互方式，无需人工现场干预，采收作业全系列工序全自主作业，节省了大量人力物力，且本设备对环境的适应性强、作业效率高、容易操作，具有重要社会和经济价值。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。权利要求1.高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，包括移动平台；机械臂，安装在所述移动平台上，所述机械臂的末端安装有末端执行器和双目图像采集装置；控制器，设置在所述移动平台上，与所述机械臂以及双目图像采集装置连接。2.如权利要求1所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，还包括声纳测距装置，设置在所述移动平台上，与所述控制器连接；声纳反射板，设置在果实的栽培架下方。3.如权利要求1所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，还包括路标识别装置，设置在所述移动平台上，与所述控制器连接。4.如权利要求1所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，还包括果实箱，通过支撑架设置在所述移动平台上。5.如权利要求1所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，所述末端执行器包括吸附件；螺杆，其一端与所述吸附件连接；固定块，与所述机械臂末端连接，所述螺杆的另一端从固定块中穿出；驱动部件，位于所述固定块的上方且与固定块连接；两个夹持手指，分别与所述驱动部件连接，位于所述吸附件的上方，在所述驱动部件的控制下开合；切割部件，与两个所述夹持手指连接。6.如权利要求5所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，所述切割部件包括位于一个所述夹持手指上的固定架，与架设在所述固定架上的加热件，位于另一个所述夹持手指上的切割垫板，所述切割垫板对应于加热件的部分开设有槽。7.如权利要求6所述的高架栽培果实智能采收设备，其特征在于，两个夹持手指对合时，所述加热件嵌合在切割垫板的槽中。8.如权利要求6所述的果实采收末端执行器，其特征在于，所述加热件为镍铬加热丝。9.如权利要求5所述的果实采收末端执行器，其特征在于，所述驱动部件为气爪，所述气爪与电磁阀连接，两个所述夹持手指分别与气爪的活动块连接。10.如权利要求9所述的果实采收末端执行器，其特征在于，所述气爪通过螺钉与固定块连接，所述气爪与固定块之间的距离可通过调节螺钉调整。11.如权利要求5所述的果实采收末端执行器，其特征在于，所述吸附件为风琴式吸盘，其一端为吸盘，另一端为连接板，所述连接板与螺杆连接，所述吸附件与真空发生器组件连接。12.如权利要求5所述的果实采收末端执行器，其特征在于，两个所述夹持手指的对端分别设置有夹持垫片。13.智能采收方法，其特征在于，包括步骤D1、双目图像采集装置随机械臂的运动从不同方位对两侧栽培架上的果实进行动态扫描并采集果实图像，并将采集到的两幅图像发送给所述控制器，所述控制器对两幅所述图像中的目标果实进行空间定位，并根据空间定位的数据控制机械臂运动，使得末端执行器到达果实的位置；步骤D2、控制器启动真空发生器组件为吸附件提供负压，吸附件吸附住待采收的果实；步骤D3、通过控制电磁阀控制气门的活动块活动，从而使得两个夹持手指对合，加热件与切割垫板的槽嵌合，将果柄夹住；步骤D4、接通加热件的电源，高温的加热件与切割垫板将果柄切断。14.如权利要求13所述的智能采收方法，其特征在于，还包括声纳测距装置实时探测栽培架下的声纳反射板与所述移动平台之间的距离，将探测到的信号发送给所述控制器，所述控制器根据接收到的信号控制移动平台的移动并调整移动平台的姿态。15.如权利要求13所述的智能采收方法，其特征在于，所述步骤D4之后还包括步骤D5、所述控制器控制机械臂活动，使得所述末端执行器移动到果实箱的位置，所述控制器控制两个夹持手指张开，果实落入果实箱中。16.如权利要求13所述的智能采收方法，其特征在于，还包括当所述双目图像采集装置的视场里没有成熟果实时，所述控制器控制移动平台前行，当所述移动平台前行到栽培架终点时，路标识别装置采集路标图像并将采集到的图像发送给控制器，所述控制器识别该图像是否为拐弯图像，是则控制所述移动平台转弯至与路标图像指示的方向对应的一排栽培架内继续进行采摘，若所述控制器识别该图像为停止图像，则控制所述移动平台停止行走，结束采摘作业。全文摘要本发明涉及农业机器人领域，具体公开了一种高架栽培果实智能采收设备及采收方法。该设备包括移动平台；机械臂，安装在所述移动平台上，所述机械臂的末端安装有末端执行器和双目图像采集装置；控制器，设置在所述移动平台上，与所述机械臂以及双目图像采集装置连接。本发明节省了大量人力物力，降低了成本，且对环境的适应性强、作业效率高、适于对小型果实进行高效无损的采摘作业。文档编号A01D46/00GK102227972SQ20111010818公开日2011年11月2日申请日期2011年4月28日优先权日2011年4月28日发明者丘权,冯青春,姜凯,孙刚,赵春江,郭瑞申请人:北京农业智能装备技术研究中心