远程多功能水果采摘机的制作方法

本发明涉及水果采摘机领域，尤其涉及一种远程多功能水果采摘机。

背景技术

农业智能机械是农业生产过程中不可缺少的现代化工具，它直接影响了农业生产的数量、质量、生产效率和经济效益，从目前正在蓬勃发展的农业新技术革命的角度来说，没有农业机械的新技术革命是不完整的新技术革命。目前，发达国家研发的果蔬采摘机器人、移栽机器人和嫁接机器人等已经开始进入应用阶段，而我国的农业智能机器人仍处于起步阶段，在精度、工作效率和智能性等方面落后于发达国家。

目前，我国水果种植面积大，采摘任务繁重。随着人口老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本日益提高，水果自动化采摘已成为必然发展趋势。近些年来一些高校和科研院所在水果采摘机器人的研究中取得一些成果，然而这些采摘机器人仍处于研究阶段，无法实现采摘自动化作业。

武汉科技大学孙瑛等人提出一种新型便携式摘果机器人，该新型便携式摘果机器人包括机器人本体和存储装置，机器人本体经输送软管与储存装置连接；机器人本体包括壳体，壳体左右两侧对称设有伸缩臂，伸缩臂的头端设有塑料托盘，壳体上设有进料口与感应器，壳体的右侧下部还设有蓄电池；储存装置包括储存壳体，储存壳体前侧中部设有左右对称的两条背带，背带上设有日字调节扣，储存壳体上与设有背带对应的后侧上端设有出料口，出料口上设有拉手，储存壳体顶端设有收纳架。

然而，结合以上具体实例与现有技术中的其他水果采摘机器人，发现现有智能机械装置存在以下缺陷：

1.技术、结构复杂，应用成本高；

2.采摘作业范围有限，对高处的果实采摘效率受限；

3.难以解决不同果地的使用问题；

4.对水果的触碰力度较大，容易对水果造成损坏；

5.对水果的选择性较差，容易采摘到未成熟的水果。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种结构简单、灵活度高、活动范围广、不伤果的远程多功能水果采摘机。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

远程多功能水果采摘机，包括控制机构、驱动-传动机构、执行机构和供电电源，所述控制机构包括主控装置和被控装置；所述供电电源分别与执行机构、驱动-传动机构、被控装置电联接，所述被控装置、驱动-传动机构和供电电源设置在执行机构上，所述主控装置与被控装置wifi连接，所述执行机构与主控装置wifi连接；

作为优选，所述执行机构包括底盘、底座、大臂、小臂、腕、机械手、高清摄像头，底座通过螺丝连接到底盘上，底座、大臂、小臂、腕、机械手依次通过u型支架连接，底座、大臂、小臂、腕、机械手根据驱动信号完成对水果的采摘；高清摄像头设置在所述机械手上；高清摄像头设置为红外夜视功能的720p高清摄像头，高清摄像头上设置发射模块，所述发射模块包括编码器和发射装置，所述发射装置包括wifi发射器和无线发射器，用于对采摘机的位置位置图片信息传回；

作为优选，主控装置为接收装置、控制器中的一种或两者的组合，所述接收装置为wifi接收器和无线接收器，所述wifi接收器为终端手机，所述无线接收器由接收装置和编码器构成，所述无线接收器插入终端手机；所述终端手机上安装客户端app；所述控制器包括主控单片机、液晶显示器、电位器、菜单选择键、电池电源、无线发射模块；所述主控芯片的型号为stc12le5a60s2，所述单片机分别与电位器、无线发射器、液晶显示屏、菜单选择键连接，所述电源通过稳压电路兼滤波与主控单片机连接，所述无线发射模块为433m发射器和2.4ghz无线发射器。

所述被控装置包括无线接收模块、被控单片机、副控单片机、电机驱动模块、摄像头稳压电源、单片机稳压电路、led灯，所述副控单片机、led灯、无线接收模块分别与被控单片机连接；所述电机驱动模块和副控单片机连接，所述摄像机稳压电源分别与单片机和无线接收模块连接，所述无线接收模块的单片机型号为nrf24l01，用于接收主控装置发出的控制信号，将控制信号传输给驱动-传动机构；所述被控单片机的型号为stc15w408as，所述副控单片机的型号为stc15w104，所述无线接收模块为433m接收器和2.4ghz无线接收器。

所述驱动-传动机构包括驱动电机、传动齿轮、第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机；所述第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机分别为270度高精度数字舵机、180度高精度数字舵机、180度高精度数字舵机、270度高精度数字舵机、180度高精度数字舵机、90度高精度数字舵机，所述驱动电机、传动齿轮设置在所述底盘上，所述第一舵机设置在底座上，所述第二舵机设置在大臂上，所述第三舵机设置在小臂上，所述第四舵机、第五舵机设置在腕上，所述第六舵机设置在机械手上，所述驱动电机为6-24v直流减速电机，电机和传动齿轮带动采摘机运动，第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机分别用于调整采摘机的采摘姿态，方便采摘。

优选地，所述电源模块设置在所述底座上，用于向被控装置、驱动-传动机构、执行机构供电。

本发明的有益效果是：

1.有效将低了人工劳动强度和人工成本；

2.结构简单、自由度高、灵活度高、作业范围广；

3.不受摘果地形限制，方便各种果地使用；

4.机械手采用软胶旋转采摘，不易伤果；

5.wifi远程控制传输信号，便于实时控制，避免采摘到未成熟的水果。

说明书附图

图1是本发明远程多功能水果采摘机的结构示意图；

图2是本发明多功能远程水果采摘机主控装置电路图；

图3是本发明多功能远程水果采摘机被控装置电路图；

图中：1.底座2.底盘3.大臂4.小臂5.腕6.机械手

具体实施方式

为使本发明的远程多功能水果采摘机技术方案的结构和便于理解，现通过以下技术方案对本发明进行解释说明。

远程多功能水果采摘机，包括执行机构、驱动-传动机构、控制机构和供电电源，所述供电电源分别与执行机构、驱动-传动机构、控制机构中的被控装置电联接，所述控制机构被控装置、驱动-传动机构和供电电源设置在执行机构上，所述控制机构主控装置与被控装置通过wifi或无线连接。

实施例1

如图1所示，执行机构包括底盘1、底座2、大臂3、小臂4、腕5、机械手6，所述底座通过螺丝连接到底盘1上，底座2、大臂3、小臂4、腕5、机械手6依次通过u型支架连接；所述底座2上设置270度高精度数字舵机，所述大臂3上设置180度高精度数字舵机，所述小臂4上设置180度高精度数字舵机，所述腕5分为横轴和纵轴，横轴上设置270度可控模拟舵机，纵轴上设置180度高精度数字舵机，所述机械手6上设置90度高精度数字舵机以及高清摄像头。

所述底盘为履带车，底盘上设置供电电池、6-24v直流减速电机、传动齿轮以及被控装置。

远程多功能水果采摘机的作用原理如下：

打开主控装置和被控装置上的电源，机械手上设置的摄像头进行实时拍摄并将拍摄到的图像经过发射模块传输至主控装置，操作者根据图像判断采摘机的位置信息，人为操控下，通过操作主控装置将位置调整信号通过无线发射模块发送至被控装置，被控装置上的接收模块接收到位置调整信号，并将信号传输给接收器或控制器，接收器或控制器将调整信号发送至驱动-传动机构，促进底座驱动，依次为：副控单片机将位置调整信号传输给底盘电机驱动模块，底盘电机驱动装置根据信号驱动电机转动，电机转动带动传动齿轮传动，从而带动履带车开始行驶。

操作者根据不断接收到的图片信息确定采摘机的停止位置，当底盘的履带车停止到适宜的位置后，人为操控下，通过操作主控装置将姿态调整信号通过无线发射模块发送至被控装置，被控装置上的接收模块接收到姿态调整信号，被控装置接收模块将姿态调整信号传输至驱动-传动机构，机械臂系统驱动，机械臂系统驱动装置将底座调整信号传输给底座上设置的270度高精度数字舵机，控制底座旋转，确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面后，将大臂调整信号传输给大臂上设置的180度高精度数字舵机，控制大臂转动，使其移动至目标采摘位置附近的上方或下方，将小臂调整信号传输给小臂上设置的180度高精度数字舵机，控制小臂转动将采摘机械手送至目标采摘物的附近，将腕部调整信号输给腕的横轴上设置的270度可控模拟舵机或纵轴上设置的180度高精度数字舵机，控制手腕转动及旋转，调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成，将机械手调整信号传输给机械手上设置的90度高精度数字舵机，控制机械手的夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。

本实施例的有益效果是：

1).底盘、底座、大臂、小臂、腕、机械手之间的连接类似人的关节，通过各个组件的协作形成了一个完整的手臂式水果采摘机，结构简单，易于控制；

2).电源、控制机构、驱动-传动机构、执行机构形成一套完整的集操作与执行相互配合可远程控制的、智能的、多功能的水果采摘机器人，能够避免采摘到未成熟的水果，同时降低了人工劳动强度和人工成本。

实施例2

执行机构包括底盘1、底座2、大臂3、小臂4、腕5、机械手6，所述底座通过螺丝7连接到底盘1上，底座2、大臂3、小臂4、腕5、机械爪6依次通过u型支架连接；

由于苹果生长位置随机分布，要求机械臂末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，采摘机器人应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配，一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升。对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化、实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。

进一步地，所述远程多功能水果采摘机具有六个自由度，不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。

由于水果属于脆性食物，采用较硬的材质进行采摘极易伤果，致使采摘到的水果留有伤疤或破碎，影响后期销售和水果的存储时间。

更进一步地，所述机械手采用厚软胶材料。

本实施例的有益效果是：

1).六个自由度的机械臂可以采摘大小不同的苹果，而且通过旋转的方式进行采摘，很大程度上减少了对果树及果实的伤害，还可达到作业范围广、灵活度高、重复定位精度、持重力强和控制容易的效果。

2).采用厚软胶材料进行采摘，同样达到了轻便不伤果的效果。

实施例3

基于实施例1的陈述，

进一步地，所述机械手上设置的摄像头为720p且带有红外夜视功能的高清摄像头，高清摄像头上设置发射模块，所述发射模块包括发射装置和编码芯片，所述发射装置包括wifi发射器和5.8ghz无线发射器和编码器，用于对采摘机的位置进行实时监控，并将位置图片信息传回；

进一步地，主控装置为接收装置、控制器中的一种或二者的组合；

所述接收装置为wifi接收器和5.8ghz无线接收器，所述wifi接收器为终端手机，所述终端手机上安装客户端app；所述5.8ghz无线接收器由接收器、编码器组成，所述5.8ghz无线接收器插入终端手机；

高清摄像头上设置发射模块，发射装置包括wifi发射器和5.8ghz无线发射器，可根据距离进行发射器的选择，若传输距离在100米以内则选用wifi发射器进行图片发送，若传输距离在1000米则可选用5.8ghz的发射器进行图片的发送，相对应的，在接受装置方面可对应实际情况进行接收装置的选择；

所述主控装置上设置的无线发射模块为433m发射器或2.4ghz无线发射器。

所述被控装置的无线接收模块433m接收器和2.4ghz无线接收器。

主控装置和被控装置之间设置的发射模块和接收模块也是根据距离的远近分为两种，分别为无线发射模块为433m发射器和接收器、2.4ghz无线发射器和接收器，433m发射器和接收器能够实现2000米距离的信号传输，2.4ghz无线发射器和接收器能够实现10000米距离的信号传输。

所述被控装置上海设置led灯。

led灯用来在无线通讯的时候指示无线信号通讯是否正常用的，当无线通讯正常的时候，led就会闪烁，如果led不闪烁，表示没有通讯上，没有插接无线模块的时候，led不亮。

本实施例的有益效果是：

1).高清摄像头上设置发射模块与主控接收装置之间，主控装置和被控装置之间设置的发射模块和接收模块之间，均设置两套对应的发射器和接收器，在传输距离方面较为灵活，可同时实现近距离和远程控制；

2).led灯的设置起到指示、保障主控与被控装置之间信号传输正常的作用，便于及时知晓传输故障，及时解决与避免故障。

实施例4

基于实施例3所述，主控装置为接收装置、控制器中的一种或二者的组合；具体如下：

主控装置为接收装置和控制器的组合，接收装置为终端手机自带的wifi接收器或者插入手机的5.8ghz无线接收器，终端手机将接收到高清摄像头发送的图片信息进行显示，操作者根据显示的图片信息判断采摘机位置和姿态，通过控制器发出对被控装置的控制信号，被控装置接收到控制信号控制执行机构和驱动-传动机构作用；

主控装置为接收装置，接收装置为终端手机自带的wifi接收器或者插入手机的5.8ghz无线接收器，终端手机上安装相应的客户端app，终端手机接收到图片信息进行显示，操作者根据显示的图片信息判断采摘机位置和姿态，通过客户端app发出对被控装置的控制信号，被控装置接收到控制信号控制执行机构和驱动-传动机构作用；

主控装置为控制器，控制器上设置wifi接收器和5.8ghz无线接收器，控制器通过wifi接收器或5.8ghz无线接收器接收到高清摄像头发送的图片，通过控制器上设置的液晶显示屏显示图片，操作者根据显示的图片信息判断采摘机位置和姿态，通过控制器发出对被控装置的控制信号，被控装置接收到控制信号控制执行机构和驱动-传动机构作用。

实施例5

基于实施例1所述，在对采摘机器人系统的控制过程中，需要同时实现对多个舵机的控制，即需要多路pwm信号来完成控制任务，其单路舵机信号在20ms周期内，考虑到保护时隙，t的最大取值为2.5ms，则20ms内最多可以周期性地输出8路控制信号，若使用微处理器的定时器来实现的话，每个定时器可以控制8路输出，那么n多个定时器则可以输出8n多个通道。

若单片机使用12mhz的晶振，它的时间周期就是1/12μs，而它的一个机器周期则是12×(1/12)＝1μs，如果舵机的有效行程为(1°)/10μs，其控制的角度定时精度是可以达到1μs，约0.1°，因此，任意类型的单片机都能够满足舵机的控制精度要求。远程多功能水果采摘机利用stc15w408as单片机的串行通信口用以实现与上位的pc机的通信，进而实现多路舵机的同步控制。

所述主控装置上的主控单片机型号为stc12le5a60s2；

所述被控装置上的被控单片机的型号为stc15w408as，所述副控单片机的型号为stc15w104，

本实施例的有益效果是：

1).根据采摘机要实现的功能，设置了上述控制系统，达到对采摘机各个组件的控制，通过远程控制实现自主定位、采摘、返回功能，其结构简单，便于操控，大大节省了人力、物力和财力。

实施例6

所述主控制器上的3.7v供电电池为主控单片机等装置供电，保证控制器能够对采摘机实时控制。

所述被控装置上设置3.3v摄像头稳压电源；

当主控装置上设置的稳压电路兼滤波提醒供电电源电量不足时，关闭机械臂驱动系统供电，3.3v摄像头稳压电源保证高清摄像头、摄像头发射模块、被控芯片、接收模块的正常工作，便于采摘机不受环境影响，顺利返回。

本实施例的有益效果是：

1).主控与被控装置上设置电源或备用电源，实现低电量情况下采摘机的顺利返回，避免出现无法返回的现象。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，对于本技术领域的技术人员来说，凡属于本发明思路下的技术方案以及在不脱离本发明原理的前提下做出的若干改进和润饰，均应当落入本发明的保护范围。