一种龙门式果实自动采收机器人的制作方法

本发明涉及农业机器人领域，具体涉及一种能识别果实颜色并进行分类的龙门式自动采收机器人。

背景技术：

随着经济增长和生活水平的逐步提高，人们对水果的需求量也越来越大，日益增长的水果产量促进了现代自动化采收技术和设备的飞速发展。传统的果实采收方式主要依靠人力进行采收，不仅工作效率低、耗时较长，而且劳动强度大，带有一定的危险性。随着自动化技术的进步和机器视觉技术的发展，可自动进行识别并采收的机械设备也逐步发展起来。自动化采收设备可以显著降低工人的劳动强度，提高作业效率，并且有助于进行更加规范化的果园管理工作。用于自动化采收的机器人能够通过摄像机获取图像信息，通过图像处理技术对图像信息进行整理，识别相关特征，提取有效信息，从而能够实现林间自动导航、自动识别果实颜色及进行空间定位等。田间导航可以通过工控机自主规划机器人的行走路径。识别果实颜色有助于在自动采收时对不同颜色的果实进行分类采摘，以适应后期对不同颜色果实的不同处理。图像处理系统得到果实的空间位置信息后，由工控机对机械臂进行轨迹规划，控制机械臂进行精准采收。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种采用双向同时采摘方式，采收效率高；实现林间自主导航，对复杂路况适应性高；采收过程为柔性采收，可降低果实损伤率；自动化程度高，能有效降低工人的劳动量；适用性强，可用于多种不同果实的采收；可实现果实的分类采收，应用场景广泛的龙门式果实自动采收机器人。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种龙门式果实自动采收机器人，包括摄像头3、陀螺仪22、行走机构、龙门机构、采收机构和收集系统；其中，

行走机构包括底盘1、履带2和推杆19；其中，履带2设在底盘1下部；推杆19包括固定端和运动端，推杆19的固定端布置在底盘1上，推杆19的运动端能够向底盘1的侧向运动；

底盘1的前端装有摄像头3；

底盘1上安装有陀螺仪22；

龙门机构包括龙门梁7、电机13、龙门柱15、转盘16、支腿17和万向轮18；其中，

支腿17与推杆19的运动端固连；支腿17的上端设有转盘16，转盘16与位于其上方的龙门柱15相连；通过转动转盘16，能够使龙门机构以龙门柱15为轴心进行旋转；

龙门梁7包括水平段和竖直段；龙门柱15的上端与龙门梁7的水平段以齿轮齿条连接方式相连，通过安装在龙门柱15上端的电机13，能够控制齿轮转动，从而带动龙门梁7沿着远离或者靠近龙门柱15的方向进行移动；龙门梁7的竖直段下端以及龙门柱15的支腿17下端分别设有万向轮18；

采收机构包括第一升降台14、第二升降台5、第一机械臂9和第二机械臂6；

第一升降台14与龙门柱15相连，能够沿龙门柱15上下移动，第一升降台14与第一机械臂9固连；第二升降台5与龙门梁7的竖直段相连，能够沿龙门梁7的竖直段上下移动，第二升降台5与第二机械臂6固连；

第一机械臂9和第二机械臂6分别包括机械臂主体28、深度相机29和手爪30；在机械臂主体28的末端，通过机械臂电机盒安装有手爪30；深度相机29安装在机械臂电机盒上，位于手爪30的上方；

收集系统包括上漏斗8、下漏斗21、第一软管10、第二软管11、第三软管20、气泵12、滑台25、滑槽27和周转箱4；其中，

上漏斗8设在龙门梁7的水平段上，开口向上；气泵12设在龙门柱15的上端；上漏斗8通过第一软管10与气泵12连接，气泵12与第二软管11的上端连接，第二软管11的下端与第三软管20通过三通口连接；

下漏斗21固定在龙门柱15上，开口向上，下漏斗21和第三软管20连接，第三软管20和滑台25相连；

滑槽27布置在底盘1上，通过电机驱动，滑台25能够在滑槽27上水平往复移动；周转箱4置于底盘1上，其侧面与滑槽27平行。

推杆19采用双推杆并行方式。

第一机械臂9和第二机械臂6为六自由度串联机械臂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以工控机为控制中心，通过摄像机对机器人前方进行视频拍摄，通过python+opencv进行实时动态识别，通过图像处理技术提取出机器人前进路线，再辅以陀螺仪的矫正，两者结合使用，从而实现机器人的林间自主导航。

本发明应用履带式行走机构，适于在果园平稳前行，而且可以原地旋转，对复杂路况具有一定的灵活性和适应性。

本发明使用双推杆并行方式对龙门结构实现推出与收回，双推杆并行方式可使龙门结构的推出与收回过程稳定进行，减少该过程中的晃动。

本发明使用翻转式龙门机构与机械臂相结合的方式进行果实采收。采收前，转出龙门，使龙门跨过果树，通过两侧龙门上的机械臂对果实进行采收。采收结束后，龙门转回。龙门的跨度可以自适应调整，适应不同的果树宽度。

本发明通过深度相机采集果树三维信息，通过图像处理识别果实颜色，并对果实进行空间定位，然后由机械臂进行对果实的精准、分类采摘。

本发明通过柔性管道对采收的果实进行输送，并通过气泵辅助输送，保证输送过程的顺利性，降低输送过程果实的破损率。

本发明采收全过程由工控机控制，可实现自动化采收。

本发明采收工作信息可以自动存储，方便操作者定期检查调整设备。

1、本发明采用双向同时采摘方式，采收效率高。

2、本发明可以实现林间自主导航，对复杂路况适应性高。

3、本发明的采收过程为柔性采收，可降低果实损伤率。

4、本发明自动化程度高，能有效降低工人的劳动量。

5、本发明适用性强，可用于多种不同果实的采收。

6、本发明可实现果实的分类采收，应用场景广泛。

附图说明

图1为本发明一种龙门式果实自动采收机器人结构图；

图2为本发明工作状态示意图；

图3为本发明底盘机构后视图；

图4为本发明底盘机构俯视图；

图5为本发明的机械臂末端细节示意图。

其中的附图标记为：

1底盘2履带

3摄像头4周转箱

5第二升降台6第二机械臂

7龙门梁8上漏斗

9第一机械臂10第一软管

11第二软管12气泵

13电机14第一升降台

15龙门柱16转盘

17支腿18万向轮

19推杆20第三软管

21下漏斗22陀螺仪

23控制面板24显示屏

25滑台26出管口

27滑槽28机械臂主体

29深度相机30手爪

31果树

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1～5所示，本发明的龙门式果实自动采收机器人包括摄像头3、陀螺仪22、行走机构、龙门机构、采收机构和收集系统。其中：

行走机构包括底盘1、履带2和推杆19。

履带2设在底盘1下部。机器人采用履带行走方式，履带上的链轮采用弹性安装方式，可以更好地适应田间略微高低起伏的地势，保证机器人更加平稳地行走。

推杆19包括固定端和运动端，推杆19的固定端布置在底盘1上。推杆19的运动端能够向底盘1的侧向运动。推杆19采用双推杆并行方式，该方式可以减少晃动，保证推杆推出与回退的稳定性，使机器人的整体运行更稳定。

底盘1的前端装有摄像头3，摄像头3可以拍摄机器人前方的视频，并将数据传输给工控机，工控机通过图像处理技术对视频进行处理，提取出机器人的前进路线，通过提取出的前路路线控制机器人的前进方向。

底盘1上安装有陀螺仪22，用来辅助矫正机器人的前进方向，防止机器人偏离路线。

龙门机构包括龙门梁7、电机13、龙门柱15、转盘16、支腿17和万向轮18。

支腿17与推杆19的运动端固连。支腿17的上端设有转盘16，转盘16与位于其上方的龙门柱15相连。通过转动转盘16，能够使龙门机构以龙门柱15为轴心进行旋转。

龙门梁7包括水平段和竖直段。龙门柱15的上端与龙门梁7的水平段以齿轮齿条连接方式相连，通过安装在龙门柱15上端的电机13，能够控制齿轮转动，从而带动龙门梁7沿着远离或者靠近龙门柱15的方向进行移动。该方式可以适应不同果树31宽度的情况，使机器人应用场景更加广泛。龙门梁7的竖直段下端以及龙门柱15的支腿17下端分别设有万向轮18，既可以对龙门机构起到支撑作用，又使龙门机构具有一定的灵活性，可以很好地进行旋转与前进。

采收机构包括第一升降台14、第二升降台5、第一机械臂9和第二机械臂6。

第一升降台14与龙门柱15相连，能够沿龙门柱15上下移动，第一升降台14与第一机械臂9固连。第二升降台5与龙门梁7的竖直段相连，能够沿龙门梁7的竖直段上下移动，第二升降台5与第二机械臂6固连。第一升降台14和第二升降台5通过上下移动可适应不同高度的果树31与果实。

如图5所示，第一机械臂9和第二机械臂6分别包括机械臂主体28、深度相机29和手爪30。第一机械臂9和第二机械臂6为六自由度串联机械臂，可以适应不同果实的位置。在机械臂主体28的末端，通过机械臂电机盒安装有手爪30。手爪30前部的仿形手指在机械臂电机的驱动下开合，夹持果实。深度相机29安装在机械臂电机盒上，位于手爪30的上方。深度相机29拍摄采集果树31的彩色图像与深度图像，并将数据传输给工控机，工控机对图像进行进一步处理，得到果树31的三维信息，可以识别出果实的颜色，并检测到果实的空间位置，通过控制机械臂与升降台的移动，可以准确到达果实所在位置，并由手爪30采摘果实。

收集系统包括上漏斗8、下漏斗21、第一软管10、第二软管11、第三软管20、气泵12、滑台25、滑槽27和周转箱4。其中，

上漏斗8设在龙门梁7的水平段上，开口向上，气泵12设在龙门柱15的上端。上漏斗8通过第一软管10与气泵12连接，气泵12与第二软管11的上端连接，第二软管11的下端与第三软管20通过三通口连接。

下漏斗21固定在龙门柱15上，开口向上，下漏斗21和第三软管20连接，第三软管20和滑台25相连。

滑槽27布置在底盘1上，通过电机驱动，滑台25能够在滑槽27上水平往复移动。周转箱4置于底盘1上，其侧面与滑槽27平行，可即时进行更换。

上漏斗8接收第二机械臂6采摘的果实，并进入第一软管10，通过气泵12的吸力，将第一软管10中的果实吸到第二软管11，并通过三通口进入第三软管20。

下漏斗21接收第一机械臂9采摘的果实，直接进入第三软管20。第三软管20中的果实通过滑台25，从滑台25上的第三软管20的出管口26滚出，进入周转箱4。滑台25与底盘1上的滑槽27连接，通过电机驱动，滑台25在滑槽27上水平滑动，可以将不同颜色的果实放入周转箱4的隔开的不同区域中。具体地，机械臂在采摘果实时已经由深度相机将果实的颜色信息传送至工控机。周转箱4中有使用隔板隔开的不同区域，工控机控制出管口26移动至不同区域，将不同颜色的果实放置到对应区域。

底盘1、转盘16、第一升降台14、第二升降台5和滑台25分别设有内置电机。

工控机与深度相机29、气泵12、机械臂电机以及底盘1、转盘16、第一升降台14、第二升降台5和滑台25的内置电机电连接。工控机作为整机控制核心，控制底盘1的前进、停车；转盘16的转动；第一升降台14、第二升降台5的升降；接收深度相机29的图像信息；驱动第一机械臂8、第二机械臂5完成采摘动作；控制气泵12和滑台25移动完成果实的分装储存工作。

控制面板23上显示人机交互界面，结合显示屏24为操作者实现对整机的控制、信息交互等功能。显示屏24和控制面板23安装在工控机上方，控制面板位于显示屏24右侧。

本发明的工作过程为：

通过控制面板23启动机器人。当机器人启动时，底盘1上的摄像机3同时启动，拍摄机器人前方的视频，并将数据传输到集成在底盘1上的工控机中。在工控机中对视频进行处理，提取出机器人的前进路线。机器人依靠履带2前进，可以保证在田间行走稳定。在行进过程中，位于底盘1上的陀螺仪22可以对机器人的前进路线进行辅助矫正，防止机器人走偏，造成不良影响。

对果树31进行采收前，推杆19将龙门结构推出，双推杆并行式使该过程平稳。转盘16旋转，驱动龙门结构旋转90度转出，进行采收作业。机器人前行，带动龙门结构跨过果树31。龙门柱15与转盘16连接，由支腿17支撑，并安装有万向轮18，便于龙门结构的转向与前进。龙门柱15与龙门梁7通过齿轮齿条连接，可在电机13的作用下调节龙门跨度，适应不同树宽。第一机械臂9通过第一升降台14与龙门柱15相连，第二机械臂6通过第二升降台5与龙门梁7相连，可以进行自主高度调节。机械臂包括机械臂主体28、深度相机29、手爪30。采收时，位于机械臂主体28上的深度相机29采集果树31三维信息，反馈给工控机，由工控机进行处理，识别出不同颜色的果实，并进行空间定位，通过升降台与六自由度串联机械臂配合移动，准确到达果实位置，并由手爪30采摘果实。第一机械臂9将果实放入下漏斗21，进入第三软管20；第二机械臂6将果实放入上漏斗8，经过第一软管10，由气泵12将果实吸入第二软管11，并经过三通口进入第三软管20。第三软管20中的果实通过滑台25，从出管口26滚出，进入周转箱4，该过程中，柔性软管可有效减少果实损伤率。滑台25与底盘1通过滑槽27相连，滑台25可沿滑槽27水平滑动，以实现对于不同颜色果实的分类储存。

采收结束后，推杆19回退，带动龙门机构收回，转盘16转动使龙门机构复位，机器人恢复初始状态。

该过程会在显示屏24上显示实时状态，可通过控制面板23进行简单操作。