一种智能果蔬采摘机器人

1.本发明属于果蔬采摘技术领域，更具体地说，是涉及一种智能果蔬采摘机器人。


背景技术：

2.传统的果蔬采摘工作是一项劳动密集型任务，随着大量劳动人口的流失，人工费用日益高昂，而且恶劣的环境还给果蔬的采摘以及采摘人员的健康带来了不确定的影响。为了确保果蔬的产量和竞争力，需要将果蔬采摘从繁重的人工劳作中解救出来，用机械自动化的方式来代替人工，提高效率并减少对收获的劳动力依赖性。
3.同时，大量农村人口向着城市搬迁，人口老龄化严重，农村劳动力逐年下降，果蔬采摘的人工费用不断上涨，严重影响果蔬产业的健康发展。基于此，研究和开发果蔬采摘机器人对于提高果蔬采摘收获质量、降低人工劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本和增加社会经济效益具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种智能果蔬采摘机器人，旨在解决果蔬采摘收获质量低、人工劳动强度大、劳动生产率低的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种智能果蔬采摘机器人，包括：剪切机构、刀具连杆机构、接料机构、伸缩臂调整机构、俯仰辅助调节机构和机架；所述伸缩臂调整机构将所述剪切机构移动到果蔬果蒂处，所述刀具连杆机构驱动所述剪切机构完成剪切，将果蔬从树枝上采摘下来；采摘下来的果蔬掉落至所述接料机构中，通过所述伸缩臂调整机构的伸缩臂中空的管道后进入储果仓中，完成果蔬采摘任务；所述俯仰辅助调节机构在所述伸缩臂调整机构的伸缩臂每次角度调整时起到助力、增速的功能；其中所述伸缩臂调整机构固定在所述机架上。
6.作为本技术另一实施例，所述剪切机构包括矩形刀片、固定所述矩形刀片的刀具夹持架、安装所述刀具夹持架的刀具箱体、驱动所述矩形刀片往复移动的刀具滑块、安装所述刀具滑块的挡块和保持两端所述刀具滑块同步运动的皮带；所述刀具滑块和所述挡块安装在所述刀具箱体，所述刀具夹持架两侧的所述刀具滑块及挡块在所述皮带的连接下做同步运动，带动所述矩形刀具完成果蔬果蒂剪切。
7.作为本技术另一实施例，所述刀具连杆机构包括刀具连杆、连接所述刀具连杆与所述刀具夹持架的刀具连杆滑块、驱动所述连杆运动的螺杆和驱动螺杆转动的舵机；所述舵机驱动所述螺杆转动，所述螺杆带动两侧对称分布的所述刀具连杆同步运动，所述刀具连杆带动刀具连杆滑块同步运动，使得所述矩形刀具实现快速往复运动。
8.作为本技术另一实施例，所述接料机构包括接料斗、驱动所述接料斗旋转的第一电动推杆和固定所述接料斗及所述第一电动推杆的顶部连接套；所述第一电动推杆驱动所述接料斗旋转，完成接料。
9.作为本技术另一实施例，所述伸缩臂调整机构包括伸缩外臂、安装所述伸缩外臂
的支撑架、驱动所述伸缩外臂角度调整的第三电动推杆和驱动所述伸缩外臂圆周转动的回转台；所述伸缩臂调整机构还包括伸缩内臂和驱动所述伸缩内臂伸缩的第二电动推杆。
10.作为本技术另一实施例，所述俯仰辅助调节机构包括固定配重块、安装所述固定配重块的支撑轴、在所述支撑轴上往复运动的移动配重块、固定在所述移动配重块上的v型轮和牵引所述移动配重块往复移动的钢丝绳；当所述伸缩臂与地面角度不断减小时，所述移动配重块向顶部移动，重量向头部偏移；相反，当所述伸缩臂与地面角度不断增大时，所述移动配重块向底部移动，重量向底部偏移，起到助力、提速的目的。
11.作为本技术另一实施例，所述智能果蔬采摘机器人还包括机架和所述端部摄像头；所述机架上还设有手动操作面板。
12.本发明提供的智能果蔬采摘机器人的有益效果在于：与现有技术相比，研发出适用于典型果蔬采摘的执器、传感器、材料和软体机械，降低采摘过程中的果蔬损伤，提高末端执行器的灵巧性和柔顺性；搭配智能化的果实识别与定位技术以及图像处理算法，降低复杂环境对机器人视觉系统的干扰，提高果实识别与定位的准确性和快速性；自适应强、鲁棒性好和路径算法最优的智能化自动控制系统，提高采摘机器人的可靠性和采摘效率；适用于形状相近果蔬采摘的末端执行器，采用开放式的控制系统，研制可采摘多种果蔬的采摘机器人，增强设备的通用性，提高设备利用效率。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明实施例提供的智能果蔬采摘机器人的立体结构示意图；图2为本发明实施例提供的剪切机构的立体结构示意图；图3为图2所示的剪切机构不同方位的立体结构示意图；图4为本发明实施例提供的刀具连杆机构的立体结构示意图；图5为图4所示的刀具连杆机构不同方位的立体结构示意图；图6为本发明实施例提供的接料机构的立体结构示意图；图7为本发明实施例提供的伸缩臂调整机构的立体结构示意图；图8为本发明实施例提供的俯仰辅助调节机构的立体结构示意图。
15.图中：1、剪切机构；11、剪切箱体盖；12、刀具箱体；13、刀具夹持架；14、挡块；15、矩形刀片；16、刀具滑块；17、皮带；2、刀具连杆机构；21、刀具连杆箱体盖；22、刀具连杆箱体；23、刀具连杆滑块；24、刀具连杆；25、螺杆；26、轴；27、弹簧；28、舵机；29、联轴器；3、接料机构；31、接料斗；32、第一电动推杆；33、顶部连接套；4、伸缩臂调整机构；41、伸缩内臂；42、第二电动推杆；43、伸缩外臂；44、支撑架；45、回转台；46、回转台连接件；47、第三电动推杆；5、俯仰辅助调节机构；51、支撑轴；52、移动配重块；53、固定配重块；54、v型轮；55、刚丝绳；6、机架。
16.具体实施办法为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结
合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.请参阅图1，现对本发明提供的智能果蔬采摘机器人进行说明。所述智能果蔬采摘机器人包括：剪切机构1、刀具连杆机构2、接料机构3、伸缩臂调整机构4、俯仰辅助调节机构5和机架6；伸缩臂调整机构4将剪切机构1移动到果蔬果蒂处，刀具连杆机构2驱动剪切机构1完成剪切，将果蔬从树枝上采摘下来；采摘下来的果蔬掉落至接料机构3中，通过伸缩臂调整机构4的伸缩臂中空的管道后进入储果仓中，完成果蔬采摘任务；俯仰辅助调节机构5在伸缩臂调整机构4的伸缩臂每次角度调整时起到助力、增速的功能；其中伸缩臂调整机构4固定在所述机架6上。
18.本发明提供的智能果蔬采摘机器人，与现有技术相比，运载车辆通过人工驾驶的方式停靠在工作位置上，经由智能图像采集设备采集对应目标果树上的水果位置信息，分别传动到车载屏幕与中央运算处理器中进行运算处理，分析出果树上果实位置，将数据转化为伸缩臂调整机构4的位置移动指令，控制设备根据指令移动机械臂开始工作，机械臂移动到指令位置上，刀具连杆机构2驱动剪切机构1开始采摘工作，将水果从树枝上采摘下来，完成一套工作后回归原位，或者执行下一套指令采摘另一个水果。也可由人工通过车载屏幕观察，手动操纵机械臂与摘果器来完成采摘工作。
19.本实施例中，且线性排列，设备的布局紧凑，减少占用地面面积及空间体积，各机构有效配合提升工作效率。
20.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图2至图3，剪切机构1包括矩形刀片15、固定矩形刀片15的刀具夹持架13、安装刀具夹持架13的刀具箱体12、驱动矩形刀片15往复移动的刀具滑块16、安装刀具滑块16的挡块14和保持两端、刀具滑块16同步运动的皮带17；刀具滑块16和挡块14安装在刀具箱体12，刀具夹持架13两侧的刀具滑块16及挡块14在皮带17的连接下做同步运动，带动矩形刀具15完成果蔬果蒂剪切；剪切箱体盖11与刀具箱体12实现刀具内部密封，减少空气中暴露时间，减少内部机构氧化。
21.矩形刀片15的最大分开距离为115mm，矩形刀片15自身长度为140mm。相互平行的矩形刀片15在刀具连杆机构2的带动下实现水平移动，刀具闭合实现对水果果蒂的剪切；两个竖直对向的皮带17，平行垂直的皮带17在刀具连杆机构2的带动下连同矩形刀片15对向移动，并沿着轨道实现斜向下运动，采摘水果的过程中实现夹紧水果的同时带动水果向下运动，将水果果蒂充分暴露给剪切矩形刀片15，进而减少矩形刀片15将水果果实剪伤的情况。
22.为了计算剪断果梗所需要的力，设计了一个类似所述智能水果采摘机器人上的水果果梗剪切装置剪切水果果梗的实验，在实验刀具的一端可加装重物用来增加剪切果梗所需要的力，经过试验测试，剪断相同粗细的牙签需要约24n的力，由于水果果柄中存在水分等因素，剪断相同粗细的果柄会比牙签所需的力要小；故剪切运动选择直线运动形式；单周期内运动曲线选择单停留曲线。
23.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，刀具连杆机构2包括刀具连杆24、连接刀具连杆24与刀具夹持架13的刀具连杆滑块23、驱动连杆24运动的螺杆25和驱动螺杆25转动的舵机28；舵机28通过连轴器29连接螺杆25，驱动螺杆25转动，所述螺杆25带动两侧对称分布的刀具连杆24同步运动，所述刀具连杆24带动
刀具连杆滑块23同步运动，使得所述矩形刀片15实现快速往复运动。
24.刀具连杆机构2安装在刀具连杆箱体22内，侧面安装刀具连杆箱体盖21，实现内部密封，减少空气中暴露时间，减少内部机构氧化；刀具连杆滑块23与弹簧27连接，可实现快速往复运动；刀具连杆24与刀具连杆滑块23中间加装轴26，防止矩形刀片15偏置。
25.刀具连杆机构2驱动两个刀具连杆滑块23运动，带动皮带17运动，平行垂直的皮带17在刀具连杆24的带动下连同矩形刀片15对向移动，并沿着轨道实现斜向下运动，采摘水果的过程中实现夹紧水果的同时带动水果向下运动，将水果果蒂充分暴露给剪切刀，进而减少剪切刀具将水果果实剪伤的情况；舵机28为动力来驱动整个刀具连杆机构2实现运动，螺杆25将舵机28的旋转转化为刀具连杆机构2的竖直运动，刀具连杆24将刀具连杆滑块23的竖直运动转化为了两个矩形刀片15的水平运动，实现了从转动到对向平动的转换。
26.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图6，接料机构3包括接料斗31、驱动接料斗旋转的第一电动推杆32和固定接料斗31及第一电动推杆32的顶部连接套33；第一电动推杆32驱动所述接料斗31旋转，完成接料。
27.接料机构3竖直转动依靠的是一根步进电机驱动的笔式电动推杆，第一电动推杆32一端固定在顶部连接套33另一端固定在接料斗31一端，通过第一电动推杆32的伸缩，实现接料机构3的绕轴转动。
28.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图7，伸缩臂调整机构4包括伸缩外臂43、安装伸缩外臂43的支撑架44、驱动伸缩外臂43角度调整的第三电动推杆47和驱动伸缩外臂43圆周转动的回转台45；支撑架44通过回转台连接件46固定在回转台45上；伸缩臂调整机构4还包括伸缩内臂41和驱动伸缩内臂伸缩41的第二电动推杆42。
29.伸缩臂调整机构4依靠的是步进电机驱动蜗轮蜗杆机构运行的笔式电动推杆。第二电动推杆42一端固定在伸缩外臂43，一端固定在伸缩内臂41，第二电动推杆42推动伸缩内臂41实现伸缩臂的伸缩。
30.伸缩外臂43与伸缩内臂41两个管径大小不同，两个伸缩臂可进行伸缩，除此以外，还能绕着支撑架44就行俯仰和旋转动作，以保证能够把剪切机构1调节到合适位置。其尾部连接软管，内部是空腔结构，果实通过这条管道，从接料机构3滚落至果箱。伸缩内臂41的管内部装有海绵纸，使果实滚落时免受伤害。伸缩外臂43管道采用pvc管，长度为2500mm，管道内径为154mm，将其从支点处分成1445mm和1055mm两部分，其中1055mm部分作为伸缩杆前端配合其他管道完成伸缩，被套在pvc管里的另一个伸缩内臂41的管道选用长度为1900mm的有机玻璃管，管道内经为136mm，伸缩管的伸缩尺寸为1200mm。
31.笔式电动推杆分为外层外管材质多以6063铝为主，也有45#钢，304及316不锈钢材质，笔式电动推杆的参数指标上下限高，范围广泛，负载重量最大可达6000n，运动速度最快可以60mm/秒，行程要求短至10mm，长达1500mm。附加过载保护、霍尔电路以及行程开关，电动推杆的使用环境复杂多样，适应性强。
32.电动旋转台台面可以360
°
旋转调整，它可以进行一定范围的微调,细调采用薄齿螺旋传动,弹簧复位,分辨率高,无空回；标准配备步进电机和标准rs232接口，可增加光电零位，配合7sc系列运动控制器可实现自动控制；旋转轴系采用轴承钢材料精密加工而成，配合精度高，轴承大，使用寿命长；中心通孔直径有公差限制，通孔的中心与旋转中心重合，
方便定位。
33.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图8，俯仰辅助调节机构5包括固定配重块53、安装固定配重块53的支撑轴51、在支撑轴上往复运动的移动配重块52、固定在移动配重块52上的v型轮54和牵引移动配重块52往复移动的钢丝绳55；当伸缩臂与地面角度不断减小时，移动配重块52向顶部移动，重量向头部偏移；相反，当伸缩臂与地面角度不断增大时，移动配重块52向底部移动，重量向底部偏移，起到助力、提速的目的。
34.伸缩外臂43可以在支撑架44的支点处转动,当伸缩内臂41伸出时受固定配重块53与移动配重块52重力影响与钢丝绳55的约束力的共同作用下，移动配重块52向后方移动，移动配重块52向后移动时平衡伸缩内臂41向外伸出时对支点增加的力矩，当伸缩内臂41回收时，配重块在钢丝绳55的带动下向支点靠近，支点处受到固定配重块53、移动配重块52和伸缩内臂41及其之上的重物的力矩也减小，力矩相互平衡。无论伸缩内臂41伸出还是收回，支点处受到的倾覆力矩都很小。
35.作为本发明提供的智能果蔬采摘机器人的一种具体实施方式，请参阅图1，智能果蔬采摘机器人还包括机架和端部摄像头；机架上还设有手动操作面板。
36.本设备结合现有的操作面板、机器视觉等智能技术，搭载着智能水果采摘机器人的运载车辆通过人工驾驶的方式停靠在工作位置上，经由智能图像采集设备采集对应目标果树上的水果位置信息，分别传动到车载屏幕与中央运算处理器中进行运算处理，分析出果树上果实位置，将数据转化为机械臂的位置移动指令，控制设备根据指令移动机械臂开始工作，机械臂移动到指令位置上，摘果器开始采摘工作，将水果从树枝上采摘下来，完成一套工作后回归原位，或者执行下一套指令采摘另一个水果。也可由人工通过车载屏幕观察，手动操纵机械臂与摘果器来完成采摘工作。
37.本设备满足对智能果蔬采摘机器人的要求，效率较高，减少了人工参与的成度减少了劳动量解放了生产力。本设备通过智能化手段的应用有效的提升了处理效率，通过剪切机构、刀具连杆机构、接料机构、伸缩臂调整机构、俯仰辅助调节机构等的相互配合有效的实现了采摘目的，通过机器视觉算法的检测可以有效而准确的实现各项功能。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。