本发明涉及水果自动采摘领域，尤其涉及一种全自动菠萝采摘方法。
背景技术：
众所周知，菠萝采摘作业是菠萝生产链中最耗时、最费力的一个环节。菠萝采摘作业季节性强、劳动强度大、采摘环境炎热、人工成本高，并且菠萝毛刺尖锐导致存在安全隐患等问题，菠萝自动化采摘机器应运而生，但目前已有的自动化专利设计存在以下问题：1.未能有效进行成熟度判断，2.控制方案复杂。因此我们亟需开发一种全自动菠萝采摘方法，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种全自动菠萝采摘方法，能有效判别菠萝成熟度、控制方案较简单，能有效应用于果农作业中，具有良好的市场前景。
本发明所采用的技术方案：一种全自动菠萝采摘方法，包括车体(28)，所述车体(28)上设有转盘(30)，所述转盘上设有若干空位(36)，所述空位内设有压力传感器(32)，所述转盘(30)上设有采摘执行机构，所述采摘执行机构上设有控制系统(1)，所述车体(28)前端设有相机支架(27)，所述相机支架上方设有视觉采集系统，所述视觉采集系统包括第一相机(25)和第二相机(26)。
优选的，所述采摘执行机构的前端部设有夹持手指系统，所述夹持手指系统包括夹持手指支撑架(9)，所述夹持手指支撑架(9)上设有夹持步进电机(21)，所述夹持步进电机(21)的夹持电机输出轴(22)连接高聚物丝绳盘轮(15)，所述高聚物丝绳盘轮(15)上设有高聚物丝绳(34)，所述高聚物丝绳盘轮(15)前端设有手指基座(19)，所述手指基座(19)上设有中关节(16)，所述中关节(16)连接有末关节(17)，所述末关节(17)上设有橡胶卡槽(18)，所述橡胶卡槽(18)上设有橡胶，所述夹持手指系统上还设有超声波传感器(8)。
优选的，所述采摘执行机构的主体结构为机械臂，所述机械臂包括机架(12)，所述机架(12)下端设有主轴旋转步进电机(33)，所述机架(12)上方一侧设有升降用步进电机(13)所述升降用步进电机(13)上连接升降杆(11)，所述机架(12)上设有第一支撑杆(3)，所述升降杆(11)和所述所述第一支撑杆(3)上端连接三角形连杆(5)，所述三角形连杆(5)连接有第一前伸杆(7)和第二前伸杆(6)，所述三角形连接杆(5)与所述机架(12)之间还设有第二支撑杆(10)；所述机架(12)上方另一侧设有伸缩用步进电机(14)，所述伸缩用步进电机(14)通过伸缩杆前连接块(2)连接伸缩杆(4)。
优选的，所述转盘(30)还包括电机驱动旋转系统，所述电机驱动旋转系统由周转舵机(31)、所述周转舵机(31)的输出轴与所述转盘(30)的内齿(37)配合连接，所述空位(36)由橡胶保护套组成。
优选的，所述所述视觉采集系统还包括图像采集卡和处理器。
优选的，所述车体(28)两侧设有履带(29)。
优选的，所述的控制系统(1)包括控制器、图像采集卡、处理器，所述控制器类型为单片机、plc程序控制器或工控机；所述图像采集卡与第一相机(25)和第二相机(26)相连，收集到的图像交给处理器处理，再由控制器做出决策。
优选的，所述车体(28)作为机器的主体基础，为厚钢板封闭的壳体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明包括夹持手指系统、机械臂、果实放置转盘、视觉采集系统、车体、履带、控制系统；所述的夹持手指系统可以对果实进行抓取；所述的机械臂可以实现精确的抓取扭动动作；所述的果实放置转盘可以实现对果实分开存放；所述的视觉采集系统可以准确确定果实位置，又可判断菠萝是否成熟；所述的车体作为机器的主体基础；所述的履带由4个履带轮进行驱动；所述的控制系统可通过输入信号进行决策输出相应的运动信号；本发明总体来看，该全自动菠萝采摘机器能有效判别成熟度、控制方案较简单，能有效应用于果农作业中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的采摘执行机构的结构示意图；
图3为本发明的采摘执行机构的后视图；
图4为本发明的采摘执行机构的俯视图；
图5为本发明的采摘执行机构完全伸长状态图；
图6为本发明的采摘执行机械臂半伸长状态图；
图7为本发明的采摘执行机械臂完全收紧状态图；
图8为本发明的末端执行机构的第一结构示意图；
图9为本发明的末端执行机构的第二结构示意图；
图10为本发明的末端执行机构的第三结构示意图；
图11为本发明的末端执行机构手指收紧图；
图12为本发明的果实盛放转盘的立体图；
图13为本发明的果实盛放转盘的压力传感系统；
图14为本发明的果实盛放转盘的电机驱动系统侧视图；
图15为本发明的视觉采集系统工作流程图。
1.控制系统、2.伸缩杆前连接块、3.第一支撑杆、4.伸缩杆、5.三角形连杆、6.第二前伸杆、7.第一前伸杆、8.超声波传感器、9.夹持手指支撑架、10.第二支撑杆、11.升降杆、12.机架、13.升降用步进电机、14.伸缩用步进电机、15.高聚物丝绳盘轮、16.中关节、17.末关节、18.橡胶卡槽、19.手指基座、20.夹持手指支撑架、21.夹持步进电机、22.夹持电机输出轴、23.升降电机输出轴、24.伸缩电机输出轴、25.第一相机26.第二相机27.相机支架28.车体29.履带30.转盘31.周转舵机32.压力传感器33.主轴旋转步进电机34.高聚物丝绳35.丁腈橡胶层36.空位37.内齿。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1-15所示，有一种全自动菠萝采摘方法，包括车体(28)，所述车体(28)上设有转盘(30)，所述转盘上设有若干空位(36)，所述空位内设有压力传感器(32)，所述转盘(30)上设有采摘执行机构，所述采摘执行机构上设有控制系统(1)，所述车体(28)前端设有相机支架(27)，所述相机支架上方设有视觉采集系统，所述视觉采集系统包括第一相机(25)和第二相机(26)。
进一步的，所述采摘执行机构的前端部设有夹持手指系统，所述夹持手指系统包括夹持手指支撑架(9)，所述夹持手指支撑架(9)上设有夹持步进电机(21)，所述夹持步进电机(21)的夹持电机输出轴(22)连接高聚物丝绳盘轮(15)，所述高聚物丝绳盘轮(15)上设有高聚物丝绳(34)，所述高聚物丝绳盘轮(15)前端设有手指基座(19)，所述手指基座(19)上设有中关节(16)，所述中关节(16)连接有末关节(17)，所述末关节(17)上设有橡胶卡槽(18)，所述橡胶卡槽(18)上设有橡胶，所述夹持手指系统上还设有超声波传感器(8)。另外，接收到控制系统(1)的信号后可通过手指的配合实现对菠萝的抓取，橡胶可有效保护果实不被夹伤。
进一步的，所述采摘执行机构的主体结构为机械臂，所述机械臂包括机架(12)，所述机架(12)下端设有主轴旋转步进电机(33)，所述机架(12)上方一侧设有升降用步进电机(13)所述升降用步进电机(13)上连接升降杆(11)，所述机架(12)上设有第一支撑杆(3)，所述升降杆(11)和所述所述第一支撑杆(3)上端连接三角形连杆(5)，所述三角形连杆(5)连接有第一前伸杆(7)和第二前伸杆(6)，所述三角形连接杆(5)与所述机架(12)之间还设有第二支撑杆(10)；所述机架(12)上方另一侧设有伸缩用步进电机(14)，所述伸缩用步进电机(14)通过伸缩杆前连接块(2)连接伸缩杆(4)。机械臂可准确模仿人手摘果时肘部抬升、肘部降低、伸手、缩手、手指收紧、手指张开等基本动作，实现对菠萝梗的扭断动作及搬运动作。
进一步的，所述转盘(30)还包括电机驱动旋转系统，压力传感系统通过内置在转盘的压力传感器感知有无菠萝的落下。当菠萝落下时会对压力传感器造成挤压，使得压力传感器有一定的压力值，而后压力传感器的数值传回控制系统，控制系统因此得知有无菠萝落下，进而对电机驱动系统进行控制。所述电机驱动旋转系统由周转舵机(31)、所述周转舵机(31)的输出轴与所述转盘(30)的内齿(37)配合连接，所述空位(36)由橡胶保护套组成。通过电机输出轴齿轮与转盘内沿的精准啮合，将输出轴的转动转变为转盘的转动，橡胶保护套能够对下落的菠萝实现无损软保护。
进一步的，所述所述视觉采集系统还包括图像采集卡和处理器。第一相机通过拍摄的画面直接送到控制系统中的图像采集卡，再由处理器进行灰度处理、阈值分割、区域处理、中心点提取，确定果实中心位置，第二相机镜头前加入黄色波段滤光片滤光，采集的图片同样经过图像采集卡到达处理器，两者配合可以准确确定黄色成熟菠萝所在位置，实现对非成熟的青色果实的过滤。
优选的，所述车体(28)两侧设有履带(29)；所述的控制系统(1)包括控制器、图像采集卡、处理器，所述控制器类型为单片机、plc程序控制器或工控机；所述图像采集卡与第一相机(25)和第二相机(26)相连，收集到的图像交给处理器处理，再由控制器做出决策；所述车体(28)作为机器的主体基础，为厚钢板封闭的壳体。
下面进一步对本发明各部分进行说明。
参见图1-7：本发明专利的机械臂包括主轴旋转步进电机(33)、机架(12)、升降用步进电机(13)、升降杆(11)、第一支撑杆(3)、三角形连杆(5)、第一前伸杆(7)、伸缩用步进电机(14)、伸缩杆前连接块(2)、伸缩杆(4)、第二支撑杆(10)、第二前伸杆(6)、升降电机输出轴(23)、伸缩电机输出轴(24)。主轴旋转步进电机(33)与机架(12)通过花键连接，控制整个机械臂绕轴心作一定角度的旋转运动。机架(12)是整个采摘机构的支撑底座。升降电机输出轴(23)与升降杆(11)一端通过花键连接，驱动升降杆(11)绕升降电机输出轴(23)轴心在一定角度内转动。升降杆(11)与升降用步进电机(13)通过花键连接，其运动为绕升降电机输出轴(23)轴心在一定角度内转动，从而驱动整个机械臂上下升降动作。第一支撑杆(3)一端与三角形连杆(5)铰接，另一端与机架(12)铰接，两者可在一定角度内相互转动，对整个机械臂的上下升降运动起支撑辅助作用。三角形连杆(5)上有三个铰孔，与第一支撑杆(3)、升降杆(11)和第一前伸杆(7)均铰接，作中间传动用。第一前伸杆(7)一端与三角形连杆(5)铰接，另一端与夹持手指支撑架(9)铰接，辅助完成整个机械臂上下升降运动。伸缩电机输出轴(24)与伸缩杆前连接块(2)通过花键连接，伸缩杆前连接块(2)绕伸缩电机输出轴(24)轴心在一定角度内转动。所述的伸缩杆前连接块(2)上有两个孔，一孔与伸缩电机输出轴(24)通过花键配合，另一孔与伸缩杆(4)铰接，起中间传动作用。伸缩杆(4)与伸缩杆前连接块(2)铰接，两者可在一定角度作相互转动，从而驱动整个机械臂前后伸缩动作。第二支撑杆(10)与第二前伸杆(6)铰接，两者可在一定角度内相互转动，对整个机械臂的前后伸缩运动起支撑辅助作用。第二前伸杆(6)上有三个铰孔，与伸缩杆(4)、第二支撑杆(10)、夹持手指支撑架(20)均铰接，辅助完成整个机械臂前后伸缩运动。
参见图8-9：本发明专利的夹持手指系统包括夹持手指支撑架(20)、夹持步进电机(21)、夹持电机输出轴(22)、高聚物丝绳盘轮(15)、手指基座(19)、中关节(16)、末关节(17)、橡胶卡槽(18)、高聚物丝绳(34)、超声波传感器(8)、夹持手指支撑架(20)有两个铰孔，与第一前伸杆(7)、第二前伸杆(6)两处铰接，在夹持手指系统中起支撑作用。
夹持步进电机(21)固定于夹持手指支撑架(20)上，夹持电机输出轴(22)与高聚物丝绳盘轮(15)通过花键配合，驱动其转动。高聚物丝绳盘轮(15)与高聚物丝绳(34)紧固相连，起转绕丝绳作用。
所述的手指基座固定于夹持手指支撑架(20)上，并与中关节(16)铰接。中关节(16)一端与手指基座(19)铰接，另一端与末关节(17)铰接，起到配合松开和收紧动作的作用，其上安装一层丁腈橡胶层(35)，对果实起保护作用。末关节(17)与中关节(16)铰接，末关节(17)上与高聚物丝绳(34)一端紧固，其上也安装一层丁腈橡胶层(35)。橡胶卡槽(18)为t型线性阵列状，可与橡胶过盈配合。所述的高聚物丝绳(34)一端与末关节(17)紧固，通过中关节(16)上通道，另一端与高聚物丝绳盘轮(15)紧固，起驱动手指松开或收紧的作用。所述的超声波传感器(8)用于测定手指掌心与果实的距离，并转化为电信号实时反馈至控制系统。
以下所述视角方向如无特殊说明，均为图1视角为例，即观测者位于升降用步进电机(13)一边。
参见图2-4：本发明专利的升降用步进电机(13)接收来自控制系统(1)的正向脉冲信号而动作，通过升降电机输出轴(23)驱动升降杆(11)绕升降电机输出轴(23)轴心顺时针转动一定角度，第一支撑杆(3)在三角形连杆(5)的牵连下也绕机架(12)顺时针转动一定角度，三角形连杆(5)也绕机架(12)顺时针转动一定角度，从而第一前伸杆(7)牵动夹持手指支撑架(20)提升一定高度，上述各部件的作用效果为使夹持手指支撑架(20)提升一定高度，故定义为提升动作过程(类似人体肘关节的提升动作)。反之，如升降用步进电机(13)接收来自控制系统(1)的反向脉冲信号而动作，则上述动作相反，作用效果为使夹持手指支撑架(20)降低一定高度，定义为降低动作过程(类似于人体肘关节的降低动作)。
参见图2-4：本发明专利的伸缩用步进电机(14)接收来自控制系统(1)的正向脉冲信号而动作，通过伸缩电机输出轴(24)驱动伸缩杆前连接块(2)绕伸缩电机输出轴(24)轴心顺时针转动一定角度，伸缩杆(4)也随之动作，在第二支撑杆(10)配合下使第二前伸杆(6)绕机架(12)顺时针转动一定角度，从而第二前伸杆(6)牵动夹持手指支撑架(20)后缩一定距离，上述各部件的作用效果为使夹持手指支撑架(20)后缩一定距离，故定义为后缩动作过程(类似于人体的缩手动作)。反之，如伸缩用步进电机(14)接收来自控制系统(1)的反向脉冲信号而动作，则上述动作相反，作用效果为使夹持手指支撑架(20)前伸一定距离，定义为前伸动作过程(类似于人体的伸手动作)。
参见图8-11：本发明专利的夹持步进电机(21)接收来自控制系统(1)的正向脉冲信号而动作，通过夹持电机输出轴(22)驱动高聚物丝绳盘轮(15)绕夹持电机输出轴(22)轴心顺时针转动一定角度(以图8视角为例)，紧绕于其上的4根高聚物丝绳(34)缠绕量增大，4根高聚物丝绳(34)另一端的4个末关节(17)在牵引下向掌心靠拢，4个中关节(16)与之配合产生图11手指收紧动作。反之，如夹持步进电机(21)接收来自控制系统(1)的反向脉冲信号而动作，则上述动作相反，作用效果为图8手指张开动作。
参见图2-11：本发明专利整体动作过程为：机械臂初始动作为图7完全收紧状态，当控制系统(1)发出抓取信号时，升降用步进电机(13)接收反向脉冲信号而动作，机械臂发生降低动作过程，此时机械臂状态为图6半伸长状态，伸缩用步进电机(14)接收反向脉冲信号而动作，机械臂发生前伸动作，此时机械臂状态为图5完全伸长状态，以上动作过程当超声波传感器(8)测定与果实距离小于某一阈值时，控制系统发出中停信号，进而夹持步进电机(21)接收正向脉冲信号而动作，夹持手指发生图11收紧动作，牢牢抓取果实后，夹持步进电机(21)停转但维持一定扭矩输出，升降用步进电机(13)锁死，伸缩用步进电机(14)接收瞬时正向脉冲信号而动作，机械臂发生瞬时后缩动作，此过程作用效果即果实梗部即被扭断(类似人手抓住果实以梗部为中心的旋转扭动动作)，之后升降用步进电机(13)解锁并接收正向脉冲信号而动作，机械臂发生提升动作过程，此时机械臂状态返回图6半伸长状态，伸缩用步进电机(14)接收正向脉冲信号而动作，机械臂发生后缩动作，此时机械臂状态返回图7完全收紧状态，夹持步进电机(21)接收反向脉冲信号而动作，夹持手指发生图8张开动作，松开果实落入转盘(30)空位中，一次抓取动作完成。
参见图1、图12、图13和图14：本发明专利的压力传感系统通过菠萝掉落到转盘(30)空位上，进而挤压到压力传感器(32)，使其有一定的压力值，而后压力传感器(32)的数值传回控制系统(1)，控制系统(1)因此得知有菠萝落下，进而输出pwm脉冲给周转舵机(31)，周转舵机(31)输出轴的外齿与转盘(30)的内齿啮合，带动转盘(30)的旋转，准备接下来菠萝的采集。该机构集成安装于车体(28)上，转盘(30)与主轴旋转步进电机(33)同轴心。
参见图1和图15：该发明专利的视觉采集系统包括由相机支架(27)、第一相机(25)、第二相机(26)、控制系统(1)中的图像采集卡和处理器组成。相机支架(27)一端固定于车体(28)上，另一端为一根可旋转的支撑短杆，支撑短杆两端分别固连第一相机(25)和第二相机(26)，保证两个相机拍摄画面的同步性。第一相机(25)拍摄的图像1直接送到控制系统中的图像采集卡，再由处理器进行灰度处理、阈值分割、区域处理、中心点提取，确定果实中心位置，第二相机(26)镜头前加入黄色波段滤光片滤光，其采集的图像2同样经过图像采集卡到达处理器，处理器将图像1和图像2进行对比，若图像2出现黄色区域，则取图像2出现得最大黄色连续区域，由图像1进行进一步判别是否出现菠萝果皮上的“果眼”特征，若是则进行定位，后控制器发出信号进行趋近夹取，若否则控制器控制拍摄短杆继续旋转，履带轮电机继续运转，直至图像2出现上述特征。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。