一种具有学习能力的采摘机械手和采摘方法

本发明属仿生采摘装备，具体涉及一种具有学习能力的采摘机械手和采摘方法

背景技术：

1、中国是小重要的生产国之一,直到目前为止,小的选择性收获作业都依靠人工完成,随着劳动力的减少和设施农业的升级,采摘作业由机器人代替成为了未来发展趋势。小全程机器人采摘发展过程中，果实损伤率高是目前制约采摘机器人产业化的关键因素，故解决采摘损伤问题是采摘机器人研发过程中的重点和难点问题。

2、造成采摘机器人采摘果实损伤的原因主要有以下几点：1.采摘机械手采摘姿态不合理，造成机械、茎枝条与果实的碰撞挤压损伤；2.腕关节姿态僵硬，灵活性差，与视觉系统协调配合能力不足；3.采摘手缺乏柔性吸附部件，与果实接触过于强硬。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有学习能力的采摘机械手和采摘方法，采摘机械手安装在采摘机器人上，能够在采摘行为开始之前学习人手采摘的动作，对于不同环境下的果实具有较强的适应性；采摘机械手安装茎秆扶持装置，摘果的同时可以扶住的茎秆；对于目前采摘机械手运动过于僵硬的缺陷，本发明基于仿生的概念，创新设计一种仿生象鼻腕关节组件，在气力的作用下能够多自由运动，安装角度测量传感器和距离测量传感器，运动行为更加精确；手指组件对采用仿生章鱼吸盘结构，能够更好的提供加持力，提高摘果的稳定性。

2、本发明的一种具有学习能力的采摘机械手，由安装座a、茎干扶持装置b、夹持装置c、视觉装置d、边缘学习模块e、控制柜f和气泵g组成，其中安装座a的罩壳1前板通过螺栓与茎干扶持装置b的滑轨14后板固接；安装座a的主动轮5通过传动轴与夹持装置c中腕关节组件c1的底座16活动连接；视觉装置d的深度相机41固接于安装座a的支撑板2上；边缘学习模块e与视觉装置d通信连接；控制柜f分别与安装座a、茎干扶持装置b、夹持装置c、视觉装置d、边缘学习模块e和气泵g通信连接；气泵g通过气管分别与茎干扶持装置b的气动推杆10、腕关节组件c1的接气孔组17和气道22、气动组件c2的气道孔对ⅱ36、手指组件对c3的夹板气道对42a连接。

3、所述的安装座a由罩壳1、支撑板2、轴承3、电机ⅰ4、主动轮5、同步带6和从动轮7组成，支撑板2固接于罩壳1的上端，电机ⅰ4固接于罩壳1；主动轮5、同步带6和从动轮7位于罩壳1内，主动轮5经同步带6与从动轮7传动连接；轴承3外圈固接于罩壳1的后板下部；电机ⅰ4固接于罩壳1的前板下部，电机ⅰ4的输出轴中部与主动轮5中心键连接，电机ⅰ4的输出轴后端与轴承3内圈过盈连接。

4、所述的茎干扶持装置b由手指8、杆ⅰ9、气动推杆10、杆ⅱ11、丝杠12、滑块13、滑轨14和电机ⅱ15组成，手指8、杆ⅰ9、气动推杆10、杆ⅱ11和滑块13自前至后顺序排列并固接；丝杠12中部与滑块13中心螺纹连接，丝杠12右端与滑轨14右板中心活动连接，丝杠12左端经滑轨14左板中心与电机ⅱ15的输出轴固接；滑块13与滑轨14滑动连接。

5、所述的夹持装置c由腕关节组件c1、气动组件c2和手指组件对c3组成，其中腕关节组件c1由底座16、接气孔组17、柔性伸缩组件c1a、连接座组18、连接头组19和前板20组成，其中柔性伸缩件组c1a由五个结构相同的柔性伸缩件组成，每个柔性伸缩件均由距离测量器21、气道22、空心板组23和角度测量器24组成，空心板组23由8-12个空心板组成，8-12个空心板前后排列，空心板呈圆盘型，气道22设于空心板组23的中心；距离测量器21固接于空心板组23的前端板前面；角度测量器24固接于空心板组23的后端板后面；气动组件c2由外壳25、连板ⅰ26、连板ⅱ27、左板32、杆对33、螺纹孔对ⅳ34，气缸35，气道孔对ⅱ36，右板37，螺纹孔对ⅴ38组成，外壳25为前敞口长方箱体，其上板设有螺纹孔对ⅰ28、右板设有气道孔对ⅰ29、后板设有螺纹孔对ⅱ30、下板设有螺纹孔对ⅲ31；气缸34的后面设有气道孔对ⅱ36，下板设置螺纹孔对ⅳ34，上板设置螺纹孔对ⅴ38，左板32、气缸35和右板37自右至左顺序排列，并经杆对33连接；连板ⅰ26由横板ⅰ26a和立板ⅰ26b呈t型固接而成；连板ⅰ26的立板ⅰ26b后端与气缸35的左板32前端固接；连板ⅱ27由横板ⅱ27a和立板ⅱ27b呈t型固接而成；连板ⅱ27的立板ⅱ27b后端与气缸35的右板37前端固接；气缸35的螺纹孔对ⅳ34和螺纹孔对ⅴ38通过螺栓与外壳25的螺纹孔对ⅰ28、螺纹孔对ⅱ30螺纹连接；手指组件对c3由右手指组件c3a和左手指组件c3b组成，右手指组件c3a和左手指组件c3b结构相同，方向相反，以右手指组件c3a为例，由下板39、侧板对40、支撑体41和夹板42组成，夹板42为长方体，夹板42下端固接夹板气道对42a，夹板42的内面设有吸盘组ⅰ42e的六个吸盘、吸盘组ⅱ42d的八个吸盘、吸盘组ⅲ42c的八个吸盘、吸盘组ⅳ42b的四个吸盘；且吸盘组ⅰ42e、吸盘组ⅱ42d、吸盘组ⅲ42c和吸盘组ⅳ42b以夹板40的中心向外，呈辐射状排列；下板39、支撑体41和夹板42自后至前顺序排列，下板39和支撑体41经侧板对40螺栓固接；下板39由立板ⅲ39a和横板ⅲ39b呈t型固接而成；夹板42右面与支撑体41左侧上部固接。

6、所述的视觉装置d由深度相机41和图像传输模块42组成，深度相机41和图像传输模块42通信连接。

7、所述的边缘学习模块e由高性能边缘计算处理器43、深度图像接收单元44和信号输出单元45组成，高性能边缘计算处理器43、深度图像接收单元44和信号输出单元45由线路连接。

8、所述夹板42内面的吸盘，以吸盘组ⅳ42b的吸盘为例，其内部轮廓线下端为原点，以吸盘的左侧指向为x轴，垂直x轴的方向为y轴，则曲线的方程为：

9、y1＝0.7691-3.203x1+5.355x12

10、y2＝0.4657+0.866x2-7.318x22

11、其中：x1取值分别为3.975-5.083mm、2.683-3.658mm、1.115-2.287mm、0.782-1.082时分别对应吸盘组ⅰ42e、吸盘组ⅱ42d、吸盘组ⅲ42c和吸盘组ⅳ42b；

12、x2取值分别为5.437-6.782mm、4.562-5.257mm、3.053mm-4.491mm、2.752-2.959时时分别对应吸盘组ⅰ42e、吸盘组ⅱ42d、吸盘组ⅲ42c和吸盘组ⅳ42b的尺寸

13、所述腕关节组件c1的底座16保持不动时，柔性伸缩件组c1a末端弯曲平面与初始平面的夹角为θ，柔性伸缩件组c1a弯曲时曲率半径r，柔性伸缩组件安装半径r，柔性伸缩组件的伸缩长度△l，绕z轴扭转角度为柔性伸缩组件初始长度l与工作长度lⅰ之间的关系为：

14、

15、li＝θri

16、其中：角度的变化范围为-10°-10°，θ角度的变化范围为-50°—50°。

17、本发明的一种基于具有学习能力的采摘机械手的采摘方法，包括下列步骤：

18、1)对于非结构化环境的，视觉装置d采集技术人员采摘时的深度影像信息，通过关键点检测等深度学习方法，对人手关键运动特征进行采集处理，边缘学习模块e对人手关键运动特征进行解析，分析人手的拉、扭、弯、拽等组合行为方式，并进行保存；

19、2)视觉装置d采集目标果实图像信息，边缘学习模块e搭载轻量级神经网络，可以迅速实现对采摘对象识别，并自动计算采摘目标与深度相机之间的位置，得到采摘目标与手臂之间的相对位置关系；

20、3)边缘学习模块e将解析视觉装置d采集技术人员采摘时的深度影像信息，将解析后的行为方式数据传输至控制柜f并驱动夹持装置c、茎干扶持装置b和气泵g完成指定采摘行为；

21、4)气泵g在控制柜f的信号后，通过改变气流控制夹持装置c、茎干扶持装置b的运动。

22、本发明的有益效果在于仿象鼻腕关节组件的驱动下，采摘机械手的运动更加自如，可以采用多种不同的行为方式完成采摘作业，适应于更加复杂的非结构环境；仿生章鱼理念设计下的手指，吸附力更强，能够更好的将果实抓牢；具备学习能力，在采摘行为开始前能够学习人手采摘的动作，更加效率的完成采摘作业。