本實用新型涉及一種農業(yè)機器人技術領域，尤其是一種智能柑橘采摘機器人。

背景技術：

隨著高科技的迅速發(fā)展，機器人技術已廣泛地應用于各個領域，機器人應用于農業(yè)生產中，特別是設施農業(yè)生產過程，是農業(yè)向自動化和智能化發(fā)展的重要標志，當前國外農業(yè)機器人發(fā)展迅速，美國、歐洲和亞洲等許多國家對蔬菜和水果機器人系統(tǒng)的研究開發(fā)得到了初步應用，在果蔬生產作業(yè)中，收獲采摘方面的應用約占整個作業(yè)量的33%～ 50%，由于采摘作業(yè)的復雜性，在采摘方面應用的自動化程度仍然很低。

目前我國在農業(yè)機器人的研究方面還處于起步階段，目前尚未見有成熟的技術；公開號為CN102124866A、名稱為 “一種輪式移動水果采摘機器人及水果采摘方法”的實用新型專利，其以行走裝置為載體將水果采摘機械臂、執(zhí)行機構、視覺控制系統(tǒng)、驅動裝置融合在一起作為實驗研究并開發(fā)出樣機，在技術方面有一定的代表性，但其技術方案仍然存在如下不足之處：

1．機械臂：

該類型機器人所采用的關節(jié)型機械臂，雖然具有工作范圍大，所占空間小，動作靈活的優(yōu)點，但是臂與臂之間的只能通過關節(jié)轉動，而不能相對伸縮和繞中軸轉動，由于采摘機器人機械臂要深入到樹叢中摘取果實，摘取后只能通過機械臂的回縮運動，讓末端執(zhí)行器把采摘的果實送回到水果接收藍里，特別像柑橘采摘，其枝葉茂盛，每摘取一個就繞回來，機械臂的運動路徑長，空行程增大，每一個運動過程將花費很多時間，必然影響回收效率；

2．末端執(zhí)行器：

末端執(zhí)行器直接決定了智能采摘機器人能否有效進行作業(yè)，該機器人采用德國SCHUNK公司制造的末端執(zhí)行器，這種型號的末端執(zhí)行器附帶有力傳感器，滑覺傳感器等，精度非常高，在工業(yè)作業(yè)中不失為非常好的設備，但是其采用夾持手指來夾持水果，然后模仿手向上抬的動作將水果摘下，存在的問題一是利用夾持手指進行水果采摘速度慢，效率低，二是由于水果的生長朝向不固定，果樹上有枝葉等障礙物，用夾持手指采摘容易因受力不均、導致摘取失敗，三是由于果實與果梗的連接比較牢固，且樹枝有一定的柔韌性，特別是柑橘，果實與果梗之間距離較短，果梗比較結實，加之在一個枝頭上會有多個柑橘，采用模仿手向上抬的動作強行拉拽的方式，不僅會加大機械運動距離而且效果不好，甚至可能會拉斷樹枝，導致果樹受傷。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是：為解決現有技術問題而提供一種采摘效率高、采摘質量高、智能化程度高及勞動強度低的智能柑橘采摘機器人。

解決上述技術問題的技術方案是：一種智能柑橘采摘機器人，包括行走機構、機械臂、工作臺、回收裝置、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，機械臂安裝在工作臺上，機械臂前端設有末端執(zhí)行器和視覺系統(tǒng)，所述視覺系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數據連接,所述控制系統(tǒng)通過機械臂驅動單元控制機械臂的動作，所述控制系統(tǒng)通過行走驅動單元控制行走機構的動作，所述電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)和行走機構提供工作電源；

所述的機械臂包括依次活動連接的第一臂、第二臂、第三臂、第四臂、第五臂和第六臂：所述第一臂通過第一關節(jié)與工作臺轉動連接，從而使整個機械臂可繞第一關節(jié)的中軸線作水平轉動，所述第二臂通過第二關節(jié)與第一臂轉動連接，第三臂通過第三關節(jié)與第二臂轉動連接，第四臂通過第四關節(jié)與第三臂轉動連接，第五臂通過第五關節(jié)與第四臂連接，第六臂通過伸縮轉動機構與第五臂連接，第六臂前端連接末端執(zhí)行器，從而使第六臂和末端執(zhí)行器可相對第五臂伸縮并繞其中軸線轉動；

所述伸縮轉動機構包括伸縮筒、旋轉筒、絲桿、環(huán)形螺母、斜齒輪傳動副、步進電機Ⅰ和步進電機Ⅱ，所述伸縮筒滑動套裝在第五臂的內腔，所述絲桿安裝在第五臂內腔并與步進電機Ⅰ傳動連接，安裝在伸縮筒后端外圓周的環(huán)形滑槽內的環(huán)形螺母與絲桿傳動連接；

所述旋轉筒通過軸承或滑槽安裝在伸縮筒前端，旋轉筒的后端面連接斜齒輪傳動副之傘齒Ⅱ、并與安裝在伸縮筒內腔的斜齒輪傳動副之傘齒Ⅰ及步進電機Ⅱ傳動連接，旋轉筒前端連接第六臂。

其進一步的技術方案是：所述末端執(zhí)行器包括兩個對稱布置的柔性手臂，柔性手臂與設在第五臂內的氣缸傳動連接，控制系統(tǒng)通過壓力閥和氣缸控制柔性手臂的動作，柔性手臂上設有與控制系統(tǒng)電連接的力度傳感器和感覺神經傳感器。

更進一步：所述的回收裝置包括柔性收集袋和回收箱，所述柔性收集袋為一貓耳式的漏洞狀裝置，其上開口大于下開口，袋身外部設有引導線，柔性收集袋上開口連接在末端執(zhí)行器的下方，其下開口由引導線引導到回收箱內。

所述視覺系統(tǒng)安裝在第五臂前端，所述視覺系統(tǒng)采用雙目或三目攝像機，攝像機通過數據傳輸線與控制系統(tǒng)電連接。所述行走機構采用履帶式行駛機構。

所述工作臺由支持箱體支承，所述工作臺和支持箱體用硬木制成。

由于采用上述結構，與現有技術相比，本實用新型之智能柑橘采摘機器人具有以下有益效果：

1．采摘效率高：

本實用新型機械臂的第六臂通過伸縮轉動機構與第五臂連接，末端執(zhí)行器連接在第六臂前端，這不僅有利于增大機械臂水平運動的距離，方便采摘更高更遠的柑橘，而且由于末端執(zhí)行器可以隨第六臂進行旋轉和伸縮，當尋找到目標時可伸進樹叢，夾持住果子后通過旋轉運動使柑橘與果梗分離，然后退回到末端執(zhí)行器下方的柔性收集袋，使柑橘落在柔性收集袋里，從而縮短機器人的空行程，大大提高工作效率；

2．采摘質量高：

由于本實用新型的采摘視覺系統(tǒng)采用雙目或三目攝像機，可在復雜的柑橘樹叢中，利用光學鏡頭將柑橘的空間位置信息、包括柑橘果實輪廓成像到像機傳感器靶面上，通過光電轉換把光學信號轉變?yōu)殡娦盘?，再把相應的電信號傳輸到圖像采集卡內轉變成計算機可以處理的數字圖像信息，數據采集速度迅速，獲取柑橘的數字信號準確，當視覺尋找得到的信息發(fā)回到控制系統(tǒng)后，可控制機械臂和末端執(zhí)行器穩(wěn)、準、快地抓取到柑橘；

在采摘過程中末端執(zhí)行器采用柔性手臂采摘柑橘，柔性手臂安裝了類似于人手的感覺神經傳感器和力度傳感器，能夠模仿果農的雙手進行抓取柑橘，動作靈活，抓取信息發(fā)回到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)通過力度傳感器信息判斷抓取力度，調整合適力度后，通過末端執(zhí)行器旋轉把柑橘與果梗進行分離，既避免了由于抓取果實時受力不均而導致?lián)p壞果實，又避免了由于強行拉拽果實導致樹枝拉斷，極大提高了采摘質量；

3．智能化程度高：

由于本實用新型的操控模式采用智能控制系統(tǒng)實現，控制系統(tǒng)設置啟動采摘視覺系統(tǒng)、尋找柑橘、抓取采摘柑橘、柑橘收集等步驟，每個步驟執(zhí)行完畢可以把信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進行運算后自動執(zhí)行下一步的運行，期間不需要人為干預，操控模式簡單，智能化程度高；

4．本實用新型同樣適用于其他圓形果實比如臍橙、蘋果等的采摘，實用性強；

5．本實用新型之行走機構采用履帶式行駛機構，不僅更方便在復雜的田園道路上行走，而且平穩(wěn)性好；工作臺和支持箱體用硬木制成，可大大減輕整體結構的重量。

附圖說明

圖1：本實用新型之智能柑橘采摘機器人結構示意圖；

圖2：本實用新型之智能柑橘采摘機器人機械臂的結構示意圖；

圖3：本實用新型之智能柑橘采摘機器人控制原理框圖；

圖4：本實用新型之機械臂伸縮旋轉機構結構示意圖；

圖5：本實用新型之智能柑橘采摘機器人（柑橘采摘）工作流程圖。

圖中：

00—控制系統(tǒng)，1—行走機構，11—行走驅動單元， 2—支持箱體，3—工作臺，4—電源系統(tǒng)，5—機械臂驅動單元，6—回收箱，7—機械臂，701—第一關節(jié)，71—第一臂，702—第二關節(jié)，72—第二臂，703—第三關節(jié)，73—第三臂，704—第四關節(jié)，74—第四臂，705—第五關節(jié)，75—第五臂，706—伸縮轉動機構，7061—步進電機Ⅰ，7062—絲桿，7063—環(huán)形螺母，7064—步進電機Ⅱ，7065—傘齒Ⅰ，7066—傘齒Ⅱ，7067—旋轉筒，7068—軸承，7069—伸縮筒，76—第六臂，8—末端執(zhí)行器，80—氣缸，81—力度傳感器，82—感覺神經傳感器，9-視覺系統(tǒng)，10-柔性收集袋。

具體實施方式

實施例一

一種智能柑橘采摘機器人，包括行走機構1、機械臂7、工作臺3、回收裝置、控制系統(tǒng)00和電源系統(tǒng)4，所述機械臂、控制系統(tǒng)00和電源系統(tǒng)4安裝在工作臺上，機械臂前端設有末端執(zhí)行器8和視覺系統(tǒng)9，所述視覺系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數據連接,所述控制系統(tǒng)通過機械臂驅動單元5控制機械臂的動作，所述控制系統(tǒng)通過行走驅動單元11控制行走機構的動作，所述電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)和行走機構提供工作電源；

所述的機械臂7包括依次活動連接的第一臂71、第二臂72、第三臂73、第四臂74、第五臂75和第六臂76：所述第一臂通過第一關節(jié)701與工作臺轉動連接，從而使整個機械臂可繞第一關節(jié)的中軸線作水平轉動，所述第二臂通過第二關節(jié)702與第一臂轉動連接，第三臂通過第三關節(jié)703與第二臂轉動連接，第四臂通過第四關節(jié)704與第三臂轉動連接，第五臂通過第五關節(jié)705與第四臂連接，第六臂通過伸縮轉動機構706與第五臂連接，第六臂前端連接末端執(zhí)行器8，從而使第六臂和末端執(zhí)行器可相對第五臂伸縮并繞其中軸線轉動；

所述伸縮轉動機構706包括伸縮筒7069、旋轉筒7067、絲桿7062、環(huán)形螺母7063、斜齒輪傳動副、步進電機Ⅰ7061和步進電機Ⅱ7064，所述伸縮筒滑動套裝在第五臂的內腔，所述絲桿安裝在第五臂內腔并與步進電機Ⅰ傳動連接，安裝在伸縮筒后端外圓周的環(huán)形滑槽內的環(huán)形螺母與絲桿傳動連接；控制系統(tǒng)通過控制步進電機Ⅰ帶動絲桿轉動，絲桿帶動環(huán)形螺母推動伸縮筒前后伸縮運動；

所述旋轉筒通過軸承7068或滑槽安裝在伸縮筒前端，旋轉筒的后端面連接斜齒輪傳動副之傘齒Ⅱ7066、并與安裝在伸縮筒內腔的斜齒輪傳動副之傘齒Ⅰ7065及步進電機Ⅱ7064傳動連接，旋轉筒前端連接第六臂；控制系統(tǒng)通過控制步進電機Ⅱ帶動傘齒Ⅰ轉動，傘齒Ⅰ帶動傘齒Ⅱ轉動從而帶動旋轉筒轉動。

所述末端執(zhí)行器8包括兩個對稱布置的柔性手臂，柔性手臂與設在第五臂內的氣缸80傳動連接，控制系統(tǒng)通過壓力閥和氣缸控制柔性手臂的動作，柔性手臂上設有與控制系統(tǒng)電連接的力度傳感器81和感覺神經傳感器82。

所述的回收裝置包括柔性收集袋10和回收箱6，所述柔性收集袋10為一貓耳式的漏洞狀裝置，其上開口大于下開口，袋身外部設有引導線，柔性收集袋上開口連接在末端執(zhí)行器的下方，其下開口由引導線引導到工作臺前的回收箱內。

所述視覺系統(tǒng)安裝在第五臂前端，所述視覺系統(tǒng)采用雙目或三目攝像機，攝像機通過數據傳輸線與控制系統(tǒng)電連接；所述行走機構采用履帶式行駛機構；所述工作臺由支持箱體2支承，所述工作臺和支持箱體用硬木制成。

本實用新型之智能柑橘采摘機器人進行柑橘采摘的方法包括以下步驟：

S1：啟動行走機構，使機器人接近果樹；

S2：尋找柑橘：

驅動機械臂伸進果樹，采摘視覺系統(tǒng)搜索待采摘柑橘，并把目標位置信號發(fā)送到控制系統(tǒng)；

S3：抓取柑橘：

控制系統(tǒng)收到采摘視覺系統(tǒng)發(fā)來的信號后，控制機械臂將末端執(zhí)行器8接近目標，并控制設在第五臂內的伸縮轉動機構和氣缸動作，使末端執(zhí)行器8之柔性手臂伸出并夾持柑橘；

S4：力度傳感器和感覺神經傳感器檢測柔性手臂與果實之間的夾持力，并將信息回傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)按照預先輸入的實驗給出的柑橘所能承受的力閾值，調整和控制柔性手臂的夾持力；

S5：采摘柑橘：

控制系統(tǒng)控制設在第五臂內的伸縮轉動機構使柔性手臂轉動，通過扭轉使柑橘與果梗分離；

S6：回收柑橘：

末端執(zhí)行器8收縮到柔性收集袋10的上開口，控制系統(tǒng)控制設在第五臂內的氣缸動作使柔性手臂張開，柑橘落入柔性收集袋10內，并緩慢地滑落到果實回收箱內。

在上述步驟S2中，采摘視覺系統(tǒng)搜索待采摘柑橘，并把目標位置信號發(fā)送到控制系統(tǒng)的步驟包括如下過程：

S21：采集成像：

利用雙目或三目攝像機的光學鏡頭獲取兩個或多個不同視點，將柑橘果實輪廓成像到像機傳感器靶面上；

S22：光電轉換：

將步驟S21中的光學信號轉變?yōu)殡娦盘枺?/p>

S23：電數轉換：

將步驟S22中的電信號傳輸到圖像采集卡內轉變成計算機可以處理的數字圖像信息；

S24：濾波去噪：

采用中值濾波平滑對步驟S23中的圖像信息進行濾波去噪處理；

S25：灰度處理：

對步驟S24中的圖像信息進行灰度處理，提取果實的外部輪廓；

S26：把目標位置信號發(fā)送到控制系統(tǒng)。

上述實施例中，所述機械臂每臂之間可以根據需要采用所述伸縮轉動機構連接其中的任何兩臂。