一种草莓自动识别采摘机的制作方法

本实用新型涉及农业机械领域，尤其是涉及一种草莓自动识别采摘机。

背景技术：

现代农业向着机械化的时代发展，机械正在逐渐代替人们原始的劳动工具和原始的劳动方法，而且现代农业正呈现着前所未有的发展潜力，机械化的农业时代具有效率高、安全、便捷的特点。草莓在世界绝大多数地区都有种植，因其甜美的味道及丰富的营养价值，颇获大家喜欢。我国草莓种植面积达10万公顷。然而为了保证草莓的外观品质和营养价值，必须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实。其劳动强度之大，成本之高，约占草莓种植生产成本的四分之一。因此减轻劳动强度，降低生产成本，提高果农的经济效益，就为了草莓采摘问题的重中之重。

我国现阶段果园采摘机械化普及度普遍较低，主要采摘形式有半自动化采摘和全自动化采摘两种形式，针对草莓这种垄作式的水果，全自动化采摘往往存在采摘效率低下，损伤大，果实识别率低等问题。在这样的背景下，半自动化采摘的形式成为主流。当今市场上已有的草莓采摘机大多数是通过机械手夹住草莓，再剪切草莓茎部，通过压力传感器控制夹住草莓果实力度的大小，也就需要较复杂的控制系统，机械手直接触碰草莓果实，对果实也存在一定伤害，同时机械手一次只能进行一个采摘，效率不高，另外根据草莓生长方式，当多个草莓生长的比较靠近紧密时，机械手在采摘当中一个草莓时会对旁边的草莓产生伤害。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种草莓自动识别采摘机。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种草莓自动识别采摘机，包括支架、动力传输机构、采摘机构、收集缓冲装置和总收集箱，所述采摘机构和动力传输机构设于支架上，所述采摘机构通过动力传输机构实现前后左右移动，所述收集缓冲装置设于所述采摘机构的下方并与采摘机构连接，所述总收集箱设于支架的底部；所述采摘机构包括机械手、上下移动机构和图像采集组件，所述机械手为剪切结构，通过上下移动机构实现上下移动，所述图像采集组件与具有成熟草莓识别程序的计算机连接。

优选的，所述机械手包括机械手主板、致动件和两个刀片滑块；所述刀片滑块的一端设有刀片，所述刀片滑块上设有与刀片所在平面垂直的限位件；所述机械手主板的一端设有两个平行且相距设定距离的滑块腔室，所述两个刀片滑块分别设于两个滑块腔室中且刀片伸出滑块腔室相对设置，所述滑块腔室的顶部设有与刀片闭合方向平行的第一滑槽，所述限位件从第一滑槽中伸出；所述致动件上设有两个延伸方向呈一定角度的第二滑槽，两个第二滑槽的延伸线的交点位于两个刀片闭合时闭合处的延长线上，两个第二滑槽分别套于从第一滑槽伸出的两个限位件上；所述致动件与电机连接，通过致动件的直线运动实现刀片的开合。

优选的，所述致动件为Y形滑板，致动件位于“Y”的上部两个分支的部分分别设有与分支延伸方向一致的第二滑槽，两个第二滑槽分别套于从第一滑槽伸出的两个限位件上，致动件位于“Y”的最下端部分与电机连接。

优选的，所述图像采集组件包括正面摄像头、侧面摄像头和激光发生器，所述正面摄像头的镜头朝向地面，所述侧面摄像头的镜头朝向水平方向。

优选的，所述收集缓冲装置包括盒体和设于盒体中的抽板，所述盒体为去掉上、下面及一个侧面的盒体，在盒体的底部设有承接抽板的突出结构，所述抽板包括底板和设于底板上一组对边的两个侧挡板，其中一个侧挡板的外侧设有丝杆，当抽板完全位于盒体中时，设有丝杆的侧挡板顶替盒体缺少的侧面，所述丝杆连接电机。

优选的，所述抽板的底板的上表面设有海绵。

优选的，所述上下移动机构为剪叉机构。

优选的，所述总收集箱的底部设有海绵。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、通过使用剪切结构机械手采摘草莓，从收集缓冲装置直接装箱，既减轻了劳动量又避免人手触碰，从而避免手上油渍汗液对草莓腐蚀伤害，当多个草莓生长靠近时，可一次性采摘，不伤害果实同时提高了效率，基本做到无损伤采摘。

2、采用导轨机械手，通过电机、丝杠实现带有特定导轨的滑板前后移动，带动夹刀片实现开合运动，结构简单，动作迅速，通过特定导轨易控制开合程度，使刀片受力均匀，提高了剪切力。

3、通过将收集缓冲装置设置在适当的果实下落距离内，避免果实碰撞产生伤害。

附图说明

图1为本实用新型的机械手结构示意图；

图2为本实用新型的动力传输机构结构示意图；

图3为本实用新型的收集缓冲装置结构示意图；

图4为草莓种植方式示意图。

图中标注：1、机械手主板，2、致动件，3、刀片滑块，4、刀片，5、限位件，6、滑块腔室，7、第一滑槽，8、第二滑槽，9、X方向皮带，10、Y方向皮带，11、步进电机，12、同步轮，13、盒体，14、底板，15、侧挡板，16、丝杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种草莓自动识别采摘机，包括支架、动力传输机构、采摘机构、收集缓冲装置和总收集箱。采摘机构和动力传输机构设于支架上，采摘机构通过动力传输机构实现前后左右移动，收集缓冲装置设于采摘机构的下方并与采摘机构连接，总收集箱设于支架的底部。

本采摘机共配置3个位移自由度，用以调整末端机械手的空间位置。整个系统通过6V电池组提供电源。支架为四面体形，包括四根竖直支杆和四根横向导轨配合完成。四根竖直支杆设置在矩形的顶点处，通过支架块与轴承配合将横置的四根横向导轨固定，在正上方加装一块与地面平行的木板，用于固定四根杆上端的位置，减少由剪切部位移动所带来的不稳定。本实施例中，竖直支杆四脚各自连接滑轮，实现在垄地中的自由移动。

采摘机构包括机械手、上下移动机构和图像采集组件，机械手通过上下移动机构实现上下移动，从而机械手可实现X、Y、Z三个方向的移动。上下移动机构为剪叉机构。通过步进电机11带动皮带传动实现机械手在水平面中任意位置的定位。机械手是由两刀片4的开合对草莓茎的剪切运动实现，剪切结构采摘时除了具有足够的夹持力外，还要保持适当的精度，应能顺应被剪对象生长状态。因此，机械手自身的大小、形状、结构和自由度是机械设计要点，还要根据作业对象的大小、形状、位置等几何条件，以及质量、硬度、表面质量等物理条件来综合考虑，同时要考虑机械手与被剪物体接触后产生的约束和自由度问题。

为提高机械手剪力大小，如图1所示，剪切结构采用凸轮原理的导轨机械手，让刀片滑块3上的限位件5在滑槽中移动，通过特定的滑槽路径实现刀片4的开合，此结构的优点在于受力均匀，刀片4剪切力均匀且较大，能够剪断草莓茎部。该部分动力及传送机构是通过丝杠结构将电机的转动转化为直线运功，带动滑槽运动从而带动刀片4使其进行开合运动。机械手包括机械手主板1、致动件2和两个刀片滑块3。刀片滑块3的一端设有刀片4，刀片滑块3上设有与刀片4所在平面垂直的限位件5。机械手主板1的一端设有两个平行且相距设定距离的滑块腔室6，两个刀片滑块3分别设于两个滑块腔室6中且刀片4伸出滑块腔室6相对设置，滑块腔室6的顶部设有与刀片4闭合方向平行的第一滑槽7，限位件5从第一滑槽7中伸出。致动件2上设有两个延伸方向呈一定角度的第二滑槽8，两个第二滑槽8的延伸线的交点位于两个刀片4闭合时闭合处的延长线上，两个第二滑槽8分别套于从第一滑槽7伸出的两个限位件5上。致动件2与电机连接，通过致动件2的直线运动实现刀片4的开合。

本实施例中，致动件2为Y形滑板，致动件2位于“Y”的上部两个分支的部分分别设有与分支延伸方向一致的第二滑槽8，两个第二滑槽8分别套于从第一滑槽7伸出的两个限位件5上，致动件2位于“Y”的最下端部分与电机连接。

动力传输机构如图2所示，X与Y方向原理相同，均是通过皮带同步轮12的带动，包括X方向皮带9和Y方向皮带10，Z方向的移动由采摘机构的上下移动机构实现。与机械手连接的滑块穿于横向导轨上，X方向上电机带动皮带，皮带与滑块固连，皮带带动滑块即机械手在X方向移动，Y方向的电机带动相应的皮带，该方向皮带与导轨固定块连接，使整个导轨在Y方向运动。本实施例中，X方向移动的有效距离为60cm，Y方向为35cm，Z方向为30cm。皮带通过两个直流步进电机11带动，步进电机11外置于支架横向导轨之上，通过与同步轮12带动皮带轮进行转动，需要精确设定传递轴大小，大约直径为6mm，避免细微的误差导致的皮带轮转动时偏心。在采摘机上表面，设有直流步进电机11外接的3.7V电池组。本装置通过UNO板来实现对步进电机11电压的控制，从而实现对电机转速的控制。本实施例中，通过3D打印机打印两个物块配合轴承，通过打孔插接的方式，完成轴之间的连接，整个剪切部分通过导轨与滑块配合，使机械手在导轨上沿导轨移动。

由于草莓生长高低不同，若采摘后草莓直接落入收集箱，会在一定程度上因碰撞对草莓果实造成损害，所以本装置设有收集缓冲装置，如图3所示，使草莓下落高度降低，适当减小跌落损害。收集缓冲装置包括盒体13和设于盒体13中的抽板，盒体13为去掉上、下面及一个侧面的盒体13，在盒体13的底部设有承接抽板的突出结构，抽板包括底板14和设于底板14上一组对边的两个侧挡板15，其中一个侧挡板15的外侧设有丝杆16，当抽板完全位于盒体13中时，设有丝杆16的侧挡板15顶替盒体13缺少的侧面，丝杆16连接电机。如图3所示，收集缓冲装置的底板14可通过丝杠抽动，当底板14抽开后草莓下落。该装置位于刀片4正下方适宜距离，保证草莓不被摔坏，同时盒中底板14垫有海绵，基本做到草莓无损伤采摘。本实施例中，收集缓冲装置宽80mm，长70mm，深30mm，约可装4～5个草莓，所以将计数器设计为4，当数值到达4时，机械手在Z方向移动到达总收集箱上适宜距离，本实施例中为10mm，控制底板14抽离使草莓落入总收集箱。

总收集箱的底部设有海绵，海绵上设有排列整齐的草莓大小的网眼，同样运用了海绵缓冲物体下落带来的冲击力，接住从收集缓冲装置送来的草莓，按序排列后，方便采摘后进行包装。本实施例中，总收集箱长600mm，宽450mm，深20mm。

图像采集组件与具有成熟草莓识别程序的计算机连接，该成熟草莓识别程序属于现有技术，不是本实用新型保护的技术特征。图像采集组件包括正面摄像头、侧面摄像头和激光发生器，正面摄像头的镜头朝向地面，侧面摄像头的镜头朝向水平方向。正面摄像投影实现XOY平面的定位，侧面摄像头在正面摄像头和激光发生器的辅助下可获取目标Z向上的深度信息。本实施例中，采用OpenCV计算机视觉库进行图像处理分析，通过图像中物体红色的亮度值与设定亮度值所占的比例值，找到成熟的草莓，对这些像素点数据求导找到草莓边界，同时只显示出草莓轮廓，再对轮廓值的X、Y方向均求平均数，找到草莓的几何中心，控制机械手运动，草莓集合中心正好位于屏幕中心一定范围值时，机械手停止X方向移动，向Z正方向移动适宜距离，约5mm，然后向Y方向上伸出，剪切草莓。

如图4所示，我国草莓种植以垄作栽培居多，地垄截面成等腰梯形，垄顶宽400mm，垄底宽600mm，高250mm。草莓植株生长于垄顶部，果实长出后伏在垄侧面，成熟草莓果实上方一段果柄与垄侧壁有10～20mm间隙，相邻两垄间宽度约500mm的垄沟。根据草莓实际生长环境，本实施例中，确定了机身外形最小尺寸为750mm*500mm*350mm。

(1)电机选择方案比较

根据同步轮12转动转速较低、传递的扭矩较大，皮带转动的转速较高、传递得扭矩较小的特点制定以下两种电机选择方案：

方案一：同步轮12使用交流调速电机驱动。优点：交流电机功率恒定，转动平稳，传递得扭矩较大；缺点：由于皮带要随着同步轮12做圆周运动，用交流电机将在接线时产生一定困难，必须要用电刷等装置才能达到不影响皮带旋转的目的。但加工困难，制造成本较高。

方案二：同步轮12使用直流调速电机。优点：直流调速电机自带电源，不需要接插头，能满足皮带随转盘转动的工况；缺点：直流电机需给电池充电，功率和扭矩都较小，承受的负载较小。

综合考虑转盘和皮带的工作情况，本实施例中选取方案二。

(2)皮带选择方案比较

因为本装置的传动部分大多选用皮带传动，对具体皮带的种类进行了以下方案比较：

方案一：选择轻薄的塑性皮带。优点：皮带易弯曲，不会因弹性变形而脱离皮带轮；缺点：皮带质量太小，考虑到其韧性不足够撑起机械手重量并带动其运动，可能会在过程中断裂。

方案二：选择较厚的弹性皮带。优点：皮带线密度大，韧性较强，可以带动机械手进行移动；缺点：皮带具有弹性变形，易从皮带轮上挣脱。

方案三：选择塑性和弹性结合的皮带。优点：整合了前面两种的皮带的优点，能够实现明显变形的同时又能在皮带轮上稳定转动；缺点：制作困难，两个皮带之间易分离。

三种方案进行比较，考虑性能要求，本实施例中采取方案三的皮带。

本装置的工作方式为：机械手移动6，位于机械手上的正面摄像头进行扫描垄面，当摄像头采集到成熟的草莓的信息，控制机械手移动到草莓的正前方后，机械手停止上下左右移动，向前伸出，机械手剪切草莓茎部，草莓落入机械手的收集缓冲装置中，同时计数器计数一次，然后进行下一次的草莓采摘，当计数器数值达到某一数值(即收集缓冲装置基本装满草莓)，机械手运动到总收集箱将草莓送出。