一种蒜薹采收智能机器人的制作方法

本实用新型涉及一种蒜薹采收智能机器人，属于农业智能装备技术领域。

背景技术：

蒜薹是大蒜植株上抽出的花茎，作为一种常见蔬菜，是大蒜产业的主要产品之一。蒜薹采收是大蒜生产中必不可少的作业环节，其季节性强，收获时间短而集中。长期以来，广大蒜农主要依靠手工方式或简易工具抽取蒜薹，作业效率低，劳动强度大，生产成本高，采收质量参差不齐难以保障，蒜薹及蒜头产量、质量均受到严重制约。

针对上述问题，国内相关人员进行了研究尝试，并提出了多种方案，但仍存在较多问题。中国专利申请cn102057810a公开了一种自动化蒜薹收割机，由机架、抽薹部件、圆角矩形导轨、划割部件、存放箱、啮刮整合部件、动力装置及多个传动单元构成，其被推动前进时，划割部件将包裹蒜薹的大蒜外皮割破，下部的啮刮整合部件将蒜薹的底端挤压断，顶部的抽薹部件随之抽取蒜薹并送至存放箱，该实用新型易造成大蒜植株采后倒伏，影响蒜头后期生长。

中国专利申请cn106941868a公开了一种蒜薹收获机，将蒜茎切割后再去除蒜皮，未考虑蒜头的继续生长；中国专利申请cn103609251a公开了一种蒜苔收获机，使用拖拉机牵引，并通过夹持输送机构夹持蒜苔，易导致大蒜茎秆断裂或整株拔出，另外拖拉机在田间行驶对大蒜种植规格、畦宽等有特定要求，否则容易压坏蒜苗；中国专利申请cn107455077a公开了一种蒜薹收获机，存在蒜秆部位重复针扎、多次切割的问题，易导致蒜株扎断影响生长；中国专利申请cn104663121b公开了一种蒜薹自动采收机械装置，采用机械臂和末端执行机构，通过夹持提拽蒜薹、纵向剖切蒜苗植株、横向切断蒜薹的方法实现采收作业，但未提及或实现该装置的移动载体平台，也未提及或实现大蒜植株个体的识别定位方法，因此该方案不具实际意义。总之，国内仍未见在蒜薹采收方面的成熟方案和实用化装置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种采收质量高、适用于蒜薹自动化采收的蒜薹采收智能机器人。

本实用新型采用以下技术方案：

一方面，本实用新型提供一种蒜薹采收智能机器人，包括采收装置、移动平台、控制系统和为机器人提供动力的动力系统；

所述移动平台为移动车体，所述动力系统、控制系统均位于所述移动平台上方，所述采收装置为一个或多个，以平齐或交错方式位于所述移动平台的前端，多个采收装置可进行并行式联合作业，提高采收效率；每个采收装置包括三维立体滑台、夹提与扎薹组件、识别与定位组件、送薹组件和蒜薹容器；

所述三维立体滑台、夹提与扎薹组件、识别与定位组件、送薹组件，以及移动平台、动力系统均与所述控制系统连接。

优选的，该蒜薹采收智能机器人还包括遥控器，所述遥控器与所述控制系统通过无线通信方式连接，实现对机器人的手动遥控，或者，所述遥控器直接与机器人的各组件之间通过无线通讯，实现遥控控制；

移动平台优选采用高脚三轮或四轮车体，车轮采用实心橡胶窄胎，以适应在大蒜田间环境下行走，优选前轮为驱动轮，后轮为转向轮，分别由电机提供动力，电机均连接至控制系统并受控制系统及遥控器控制；

本实用新型的动力系统主要包括发电机、蓄电池、气泵和电机等，用于为各种装置和组件提供能源动力，蓄电池优选采用铅酸或锂电等，除可由发电机充电外，也可接受市电充电；

本实用新型的控制系统是以嵌入式计算机(arm等)为核心的软件算法和硬件板卡的集合体，具有采集、控制、通信等功能，主要负责采收装置的运行管理(识株、夹株、捋株、扎薹、提薹、送薹等自动化操作)、移动平台(车体行进及方向调控)、动力系统的分配和调节、机器人状态显示(通过多功能信号器)等，通过控制系统统筹协调各组件工作状态并对机器人进行集中控制，具体控制原理及过程不是本实用新型的重点，此处不再详述，可参照现有技术；

在本实用新型中，可以采用一套采收装置配一个单独的蒜薹容器，也可以是多套采收装置共用一个统一的蒜薹容器，无论哪种方式均不构成对本实用新型的限制。

优选的，所述蒜薹采收智能机器人还包括用于指示机器人工作状态的多功能信号器，采收装置、控制系统、动力系统、多功能信号器均集成安装在移动平台上，机器人通过移动平台实现行进和转向，所述多功能信号器也与所述控制系统连接。

本实用新型的机器人具有两种工作模式：遥控模式和作业模式，默认处于遥控模式下。人手持遥控器遥控机器人到达起始作业地点(畦头)，并在遥控器上将机器人工作模式切换为作业模式，此时机器人在控制系统的控制下进行自动采收和自主行进，在此过程中多功能信号器的黄灯闪烁；机器人持续作业，到达畦尾时自动停止并自行切换为遥控模式，此时多功能信号器的绿灯闪烁，人通过遥控器遥控机器人转向另一畦，在遥控器上切换为作业模式，机器人继续采收作业，作业完成后，人遥控机器人到达指定位置停放。

本实用新型的机器人，在作业模式下，移动平台的行进方向由控制系统确定或由人工通过遥控器调整，行进速度则完全由控制系统决定，控制系统会根据采收装置的工作状态自行决定机器人是匀速行进还是按一定步长间歇行进，并决定匀速行进的速度或间歇行进的步长；在遥控器模式下，移动平台的行进及转向完全由人工通过遥控器遥控。

优选的，所述蒜薹容器位于移动平台上的前方位置，所述蒜薹容器上固定设置有一底座，所述三维立体滑台位于所述底座上。

优选的，所述三维立体滑台包括x轴平杆、y轴平杆和z轴立杆，所述x轴平杆为一对，对称固定于所述底座的两端，一对x轴平杆上均设置有能够沿其滑动的x轴滑块，所述y轴平杆固定于所述x轴滑块上，实现x轴方向的滑动；

所述y轴平杆上设置有能够沿其滑动的y轴滑块，所述z轴立杆固定于所述y轴滑块上，实现y轴方向的滑动；

所述z轴立杆上设置有能够沿其滑动的z轴滑块，所述x轴滑块、y轴滑块和z轴滑块优选分别采用气动或电动的驱动方式驱动，其驱动装置均连接至所述控制系统，控制系统通过分别控制其驱动装置来控制x轴滑块、y轴滑块和z轴滑块的动作。

上述滑块对应的平杆或立杆上均优选设置有滑轨，滑块在其对应的滑轨上滑动，滑块与滑轨配合，保证不会偏离轨道。

优选的，所述夹提与扎薹组件固定于所述z轴滑块上，所述识别与定位组件面向z轴滑块固定于所述z轴立杆的下部，即识别与定位组件安装在z轴立杆下端背面，且其位置在z轴立杆上的位置固定，不随z轴滑块做上下运动。本实用新型的识别与定位组件主要负责大蒜植株的智能识别和大蒜茎秆空间位置的定位(大蒜基部茎秆在三维空间中的坐标数据)，为达到此目的，识别与定位组件可采用双目视觉、红外探测、激光探测、超声波探测等在内的多种原理和相应的元器件，由于上述识别与定位方法现有技术已比较成熟，此处不再赘述，无论采用何种原理和方式，只要是进行大蒜植株的智能识别和大蒜茎秆空间位置的定位，均应包含在本实用新型的保护范围内。

值得注意的是，x轴、y轴、z轴是为了说明和理解本实用新型的实现方式而进行的定义，并不能构成对本实用新型保护范围的限制。

优选的，所述夹提与扎薹组件包括第一夹持手和位于第一夹持手内部的扎薹部件；

优选的，所述扎薹部件为刺针结构，所述刺针结构通过驱动装置做伸缩运动，刺针结构可采用电动、气动等方式驱动做伸缩运动，当夹提与扎薹组件随z轴滑块到达扎薹位置时，第一夹持手夹持的同时，控制系统控制刺针结构伸出并刺入大蒜茎秆，扎断蒜薹基部，而后刺针立即缩回，刺针的长度粗细可依蒜薹基部在大蒜茎秆中的粗细均值确定。

进一步优选的，所述送薹组件位于所述底座上，所述送薹组件包括一竖直杆和能够沿竖直杆上下滑动的第二夹持手，所述竖直杆能够沿底座转动，第二夹持手的驱动装置与控制系统连接，此处，竖直杆与底座之间可以设置一转向关节、联轴器等实现转动效果，均不影响本实用新型的实施，第二夹持手的夹持动作与竖直杆的转向动作均由控制系统控制，所述第二夹持手的长度与所述竖直杆到蒜薹容器距离相适应。

进一步优选的，所述第一夹持手和第二夹持手内部设置有软垫，在进行夹株和提薹时可分别施加不同的夹持力，夹株时夹持力较小，以便既能将大蒜植株扶正捋直又不伤茎叶，提薹时夹持力较大，以便既能将蒜薹拔出又不至于脱手。

优选的，所述蒜薹容器为漏斗形，用于盛放采收的蒜薹。

另一方面，本实用新型提供一种上述蒜薹采收智能机器人的工作方法，包括：

步骤1，由人手持通过遥控器遥控驱动机器人到达起始作业地点(畦头)，使前端的采收装置纵向位于两行蒜株的行间，并在遥控器上切换工作模式，使机器人进入作业状态；

步骤2，机器人自行进行采收作业，并根据作业进度匀速行进或按一定步长间歇行进；

步骤3，当机器人到达畦尾自动停止，人遥控机器人转向进入另一畦继续采收作业；

步骤4，重复步骤2和步骤3，直至采收作业全部完成，人遥控机器人到达指定位置停放。

优选的，所述步骤2中，采收作业的过程包括：

步骤201，识株：采收装置中的识别与定位组件对大蒜植株个体进行识别和定位，确定大蒜基部茎秆在三维空间中的坐标位置，并将得到的坐标位置发送至控制系统；

识别和定位可采用双目视觉、红外探测、激光探测、超声波探测等多种方法实现，其工作原理及其具体实现步骤现有技术已比较成熟，且不是本实用新型的重点，只要能够实现对大蒜植株个体进行识别和定位，均在本实用新型的保护范围之内。

步骤202，夹株：控制系统根据获得的坐标位置，调控三维立体滑台，通过x轴滑块、y轴滑块和z轴滑块的配合运动，使夹提与扎薹组件到达大蒜基部茎秆的夹株位置，在控制系统的控制下，夹提与扎薹组件中的第一夹持手以较小的夹持力度夹住大蒜植株基部，连茎带叶一起夹持；

步骤203，捋株：在控制系统的控制下，z轴滑块带动第一夹持手沿z轴立杆竖直向上运动，带动夹提与扎薹组件将大蒜植株捋直，并到达扎薹位置，扎薹位置(高度)可在控制系统中设定和调整；

步骤204：扎薹：在控制系统控制下，第一夹持手夹持的同时由扎薹部件将刺针伸出并刺入大蒜茎秆，扎断蒜薹基部，而后刺针立即缩回；

步骤205，提薹：在控制系统控制下，z轴滑块带动夹提与扎薹组件继续沿z轴立杆竖直向上运动，带动第一夹持手将大蒜植株捋直，并达到提薹位置，提薹位置一般在蒜薹的中上部，具体高度数据可根据蒜薹高度均值确定，此时第一夹持手收紧，以较大的夹持力度夹住蒜薹，z轴滑块带动夹提与扎薹组件继续沿z轴立杆竖直向上运动，带动第一夹持手将蒜薹拔出，并到达送薹位置，送薹位置大约与送薹组件的高度一致；

步骤206，送薹：在控制系统控制下，蒜薹到达送薹位置后，送薹组件的第二夹持手接力夹持住蒜薹，随即进行转向动作，到达蒜薹容器上方，松开第二夹持手，蒜薹靠重力落入蒜薹容器，第二夹持手自动返回初始位置，并等待下一次送薹操作(等待夹持下一根蒜薹)；

在此过程中，夹提与扎薹组件同步松开夹持手，并在z轴滑块的带动下沿z轴立杆竖直向下运动，为采摘下一株蒜薹做好准备；

本方法过程中，夹株位置、扎薹位置、提薹位置和送薹位置均可在控制系统中预先设定，也可根据实际情况进行现场调整以适应不同的大蒜长势。

步骤207，行进：采收装置中的识别与定位组件向控制系统发出信号，控制系统控制z轴立杆在y轴平杆有效行程范围内运动，识别与定位组件继续对大蒜植株个体进行识别和定位，若识别和定位成功，则重复步骤201-206，进入下一株的采收作业，否则，识别与定位组件向控制系统发送信号，请求移动平台行进。

本实用新型的蒜薹采收智能机器人的采收过程可梳理为识株、夹株、捋株、扎薹、提薹、送薹、行进七个步骤，重复此过程，即可完成蒜薹采收。若移动平台前端安装有多个采收装置，则控制系统将根据每个采收装置的完成进度进行统筹协调，控制移动平台的整体行进。

本实用新型的有益效果为：

1)与现有技术相比，本实用新型将人工智能技术与机械设计技术巧妙结合，提供了一种蒜薹采收智能机器人及其工作方法，该机器人模拟人工采收蒜薹的作业过程，通过识株、夹株、捋株、扎薹、提薹、送薹、行进等步骤，实现大蒜植株的高速识别定位和蒜薹的精准快速采收。

2)使用该机器人进行蒜薹采收作业，采收数量可量化(机器人可精确给出采摘的蒜薹根数，蒜薹单根均重*根数＝采收数量)，采收进度可预期(大蒜总垄长/机器人平均速度＝采收完成所需时间)，采收质量能保障(先扎薹后提薹保障了：①蒜薹不会被拔断，②大蒜不会被整株拔起，③蒜薹不会被夹伤；扎薹高度可调整保障了拔出的蒜薹长度适宜，不会过长或过短)；在蒜薹采收领域内，该装备及方法的技术原理、智能化程度、采收效率及质量等方面均具有显著创新性。

附图说明

图1为本实用新型的蒜薹采收智能机器人的一种实施例的结构示意图；

图2为图1中采收装置的一种实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的控制系统的连接关系示意图，其中，图中移动平台、x轴滑块、y轴滑块、z轴滑块、第一夹持手、扎薹部件、第二夹持手、竖直杆均是指其驱动装置与控制系统连接；

其中：1.采收装置，1-1.识别与定位组件，1-2.蒜薹容器，1-3.底座，1-4.x轴平杆，1-5.y轴平杆，1-6.z轴立杆，1-7.x轴滑块，1-8.y轴滑块，1-9.z轴滑块，1-10.第一夹持手，1-11.刺针结构，1-12.竖直杆，1-13.第二夹持手，2.移动平台，3.控制系统，4.动力系统，5.遥控器，6.多功能信号器。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本实用新型未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1-3所示，一种蒜薹采收智能机器人，包括采收装置1、移动平台2、控制系统3和为机器人提供动力的动力系统4；

移动平台2为移动车体，动力系统4、控制系统3均位于移动平台2上方，采收装置1为多个，以平齐方式位于移动平台2的前端，多个采收装置1可进行并行式联合作业，提高采收效率；每个采收装置1包括三维立体滑台、夹提与扎薹组件、识别与定位组件1-1、送薹组件和蒜薹容器1-2；

三维立体滑台、夹提与扎薹组件、识别与定位组件1-1、送薹组件，以及移动平台2、动力系统4均与控制系统3连接。

实施例2：

一种蒜薹采收智能机器人，结构如实施例1所示，所不同的是，该蒜薹采收智能机器人还包括遥控器5，遥控器5与控制系统3通过无线通信方式连接；

移动平台2采用高脚三轮车体，车轮采用实心橡胶窄胎；

该机器人还包括用于指示机器人工作状态的多功能信号器6，采收装置1、控制系统3、动力系统4、多功能信号器6均集成安装在移动平台2上，机器人通过移动平台2实现行进和转向，多功能信号器6也与控制系统3连接；

控制系统3是以嵌入式计算机(arm等)为核心的软件算法和硬件板卡的集合体，具有采集、控制、通信等功能。

实施例3：

如图2所示，一种蒜薹采收智能机器人，如实施例1所示，所不同的是，蒜薹容器1-2位于移动平台2上的前端位置，蒜薹容器1-2上固定设置有一底座1-3，三维立体滑台位于底座1-3上。

实施例4：

一种蒜薹采收智能机器人，如实施例3所示，所不同的是，三维立体滑台包括x轴平杆1-4、y轴平杆1-5和z轴立杆1-6，x轴平杆1-4为一对，对称固定于底座1-3的两端，一对x轴平杆1-4上均设置有能够沿其滑动的x轴滑块1-7，y轴平杆1-4固定于x轴滑块1-7上，实现x轴方向的滑动；

y轴平杆1-5上设置有能够沿其滑动的y轴滑块1-8，z轴立杆1-6固定于y轴滑块1-8上，实现y轴方向的滑动；

z轴立杆1-6上设置有能够沿其滑动的z轴滑块1-9，x轴滑块1-7、y轴滑块1-8和z轴滑块1-9分别采用气动的驱动方式驱动，其驱动装置均连接至控制系统3，控制系统3通过分别控制其驱动装置来控制x轴滑块1-7、y轴滑块1-8和z轴滑块1-9的动作，如图3所示。

实施例5：

一种蒜薹采收智能机器人，如实施例4所示，所不同的是，夹提与扎薹组件固定于z轴滑块1-9上，识别与定位组件1-1面向z轴滑块1-9固定于z轴立杆1-6的下部，即识别与定位组件1-1安装在z轴立杆1-6下端背面，且其位置在z轴立杆1-6上的位置固定，不随z轴滑块1-9做上下运动；

本实施例的识别与定位组件主要负责大蒜植株的智能识别和大蒜茎秆空间位置的定位(大蒜基部茎秆在三维空间中的坐标数据)，为达到此目的，识别与定位组件采用双目视觉方法获得坐标数据，具体过程参见现有技术即可。

实施例6：

一种蒜薹采收智能机器人，如实施例5所示，所不同的是，夹提与扎薹组件包括第一夹持手1-10和位于第一夹持手1-10内部的扎薹部件；

扎薹部件为刺针结构1-11，刺针结构1-11通过驱动装置做伸缩运动，刺针结构1-11采用电动方式驱动做伸缩运动，当夹提与扎薹组件随z轴滑块1-9到达扎薹位置时，第一夹持手1-10夹持的同时，控制系统3控制刺针结构1-11伸出并刺入大蒜茎秆，扎断蒜薹基部，而后刺针立即缩回，刺针的长度粗细可依蒜薹基部在大蒜茎秆中的粗细均值确定。

实施例7：

一种蒜薹采收智能机器人，如实施例6所示，所不同的是，送薹组件位于底座1-3上，送薹组件包括一竖直杆1-12和能够沿竖直杆1-12上下滑动的第二夹持手1-13，竖直杆1-12能够沿底座1-3转动，第二夹持手1-13的驱动装置与控制系统3连接，此处，竖直杆1-12与底座1-3之间设置一转向关节实现转动效果，第二夹持手1-13的夹持动作与竖直杆1-12的转向动作均由控制系统3控制，第二夹持手1-13的长度与竖直杆1-12到蒜薹容器1-2距离相适应。

实施例8：

一种蒜薹采收智能机器人，如实施例7所示，所不同的是，第一夹持手1-10和第二夹持手1-13内部设置有软垫，在进行夹株和提薹时可分别施加不同的夹持力，夹株时夹持力较小，以便既能将大蒜植株扶正捋直又不伤茎叶，提薹时夹持力较大，以便既能将蒜薹拔出又不至于脱手；

蒜薹容器1-2为漏斗形，用于盛放采收的蒜薹。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。