一種果實採摘裝置製造方法
2023-07-24 06:03:06 2
一種果實採摘裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種果實採摘裝置包括果實採摘機械裝置和控制系統。果實採摘機械裝置包括左機械臂、右機械臂、左末端執行器、右末端執行器、移動平臺、果籃。左機械臂和右機械臂結構相同，分別安裝於移動平臺的左側和右側。左機械臂和右機械臂分別完成將左末端執行器和右末端執行器送到指定採摘點工作。左末端執行器和右末端執行器結構相同，分別安裝於左機械臂和右機械臂前端。左末端執行器和右末端執行器分別完成機器人行進方向左側和右側果樹水果獲取、回收工作。控制系統完成機器人導航、行走和採摘的控制任務。本實用新型還公開了一種果實採摘裝置的水果採摘方法，機械臂分採摘點進行採摘，一個採摘點可實現多個果實連續分別採摘。
【專利說明】一種果實採摘裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及農業採摘機器人領域，特別涉及一種果實採摘裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國農村經濟體制改革的深入和市場經濟的發展，水果產量逐年大幅度增加。水果產業在國民經濟中佔有重要地位。自1993年以來，中國水果產量和面積一直穩居世界首位。中國果品流通協會2010年10月統計數據顯示，2009年我國水果總產量
2.04億噸，比2008年增加1240萬噸，增幅6.1%。蘋果、柑橘和梨年產量都在千萬噸以上，三大水果產量佔到園林水果產量的58%。在水果生產中，採摘作業是最耗時、最費力的一個環節，約佔整個生產過程作業量的40%左右。隨著社會人口老齡化和農業勞動力的減少，農業生產成本也相應提高，因此研究開發農業機器人特別是水果採摘機器人具有重要意義。
[0003]隨著計算機技術、人工智慧技術和自動控制技術的發展，機器人正逐步進入到農業生產領域。從20世紀80年代中期開始，西方發達國家美國、法國、日本、英國等國家，在採摘機器人的研究上做了大量的工作，試驗成功了多種具有人工智慧的收穫採摘機器人，如蘋果採摘機器人、柑橘採摘機器人、葡萄採摘機器人等。我國對採摘機器人的研究始於20世紀90年代中期。雖然與發達國家還有很大差距，但是也取得了一些進展。
[0004]在水果生產實際中，採摘作業要求機器人不僅能減輕勞動強度，而且更要提高作業效率。而目前的水果採摘機器人採用單機械臂採摘，效率不高，採摘速度慢，果實的平均採摘周期較長，嚴重影響了水果採摘機器人的實用化。為了提高採摘機器人採摘速度，研究人員設計了各種欠驅動式末端執行器，但在採摘過程中每個果實的採摘均需要機械臂和末端執行器同時運動，並且果實回收還是需要機械臂和末端執行器來完成，每個果實的採摘周期仍舊較長。
【發明內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題，針對現有技術中的單機械臂採摘，效率不高，採摘速度慢，果實的平均採摘周期較長，嚴重影響了水果採摘機器人的實用化。
[0006]本實用新型的目的是提供一種果實採摘裝置，可以實現蘋果、柑橘、梨等球形水果的高效採摘。
[0007]本實用新型為解決上述技術問題所採用的技術方案如下:
[0008]一種果實採摘裝置，包括果實採摘機械裝置和控制系統，
[0009]所述果實採摘機械裝置包括左機械臂、右機械臂、左末端執行器、右末端執行器、移動平臺和果籃；左機械臂包括左大機械臂和左小機械臂；右機械臂包括右大機械臂和右小機械臂；左大機械臂和右大機械臂分別滑動設置在移動平臺的左右兩側，左小機械臂連接左大機械臂與左末端執行器，左小機械臂和左大機械臂驅動左末端執行器採摘果實；右小機械臂連接右大機械臂與右末端執行器，右小機械臂和右大機械臂驅動右末端執行器採摘果實；果籃設置在移動平臺上；[0010]其中，左大機械臂和右大機械臂結構相同，均包括滑臺、旋轉基座、第一關節、下臂、第二關節、中臂、第三關節和上臂；滑臺滑動設置在移動平臺上，旋轉基座設置在滑臺上，第一關節的一端固定在旋轉基座上，另一端與下臂相連；下臂通過第二關節與中臂相連，中臂通過第三關節與上臂相連；
[0011]左小機械臂和右小機械臂結構相同，均包括迴轉關節、上下直動臂、前後直動臂、橫杆；上下直動臂通過迴轉關節與上臂相連；前後直動臂與上下直動臂滑動相連；橫杆固定安裝於上下直動臂頂端；
[0012]本實用新型中的左末端執行器和右末端執行器完成水果獲取、回收工作。左末端執行器和右末端執行器結構相同，均包括採摘杯部件、果實回收管和舌型緩衝片；採摘杯部件同時與前後直動臂和果實回收管相連，果實回收管伸入到果籃內；
[0013]採摘杯部件包括採摘杯法蘭、採摘杯、連接平臺、推桿、推桿架、推桿主動齒輪、推桿從動齒輪、左剪切刀具、右剪切刀具、右剪切刀具主動齒輪、右剪切刀具從動齒輪、右剪切刀具軸、左剪切刀具主動齒輪、左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具軸；所述連接平臺固定在採摘杯上，連接平臺通過採摘杯法蘭與前後直動臂法蘭相連，推桿架固定在連接平臺上；推桿安裝於推桿架內，推桿從動齒輪鑲嵌固定安裝於推桿上面，推桿主動齒輪與推桿從動齒輪嚙合；採摘杯的杯口設有切槽，所述右剪切刀具軸和左剪切刀具軸均安裝在上述切槽內；所述右剪切刀具從動齒輪和右剪切刀具均固定安裝於右剪切刀具軸上；右剪切刀具主動齒輪與右剪切刀具從動齒輪嚙合；左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具均固定安裝於左剪切刀具軸上；左剪切刀具主動齒輪與左剪切刀具從動齒輪嚙合；採摘杯的側壁上設有採摘杯切口，採摘杯切口與推桿相對應；
[0014]本實用新型所述的採摘杯內芯為金屬材料，內外壁為硬橡膠材料。果實回收管為彈簧塑料管，內壁光滑平坦，果實回收管的一端固定於採摘杯下口，並與採摘杯相通。
[0015]本實用新型所述右剪切刀具軸和左剪切刀具軸為旋轉軸；本實用新型所述的左剪切刀具和右剪切刀具由左右兩個月牙形金屬刀片組成，左剪切刀具和右剪切刀具分別通過左剪切刀具軸和右剪切刀具軸安裝於採摘杯上端切槽內，刀片隱藏於採摘杯切槽內，刀具刃口朝向採摘杯內側，當有果實進入採摘杯內內，並且果梗處於刀片水平面時，右剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具從動齒輪旋轉分別帶動右剪切刀具和左剪切刀具逆時針、順時針旋轉完成果梗的切斷工作。
[0016]本實用新型中所述的移動平臺用於在果園環境下自主運動，移動平臺上安裝果實採摘裝置果實採摘機械裝置和控制系統及其它有關設備。
[0017]本實用新型中所述的果籃用於收集左末端執行器和右末端執行器採摘下的水果。左末端執行器和右末端執行器採摘下的水果通過果實回收管落入果籃。果籃呈圓形，在果籃旋轉伺服電機作用下旋轉，避免水果在果實回收管出口處堵塞。
[0018]控制系統包括工控機、導航系統、左雙目攝像機、右雙目攝像機、用於控制左大機械臂和右大機械臂動作的大機械臂控制系統、用於控制左小機械臂和左末端執行器動作的左末端執行器控制系統、用於控制右小機械臂和右末端執行器動作的右末端執行器控制系統、移動平臺控制器、移動平臺電機驅動器、移動平臺伺服電機、移動平臺伺服電機編碼器、果籃控制器、果籃電機驅動器和果籃旋轉伺服電機；左雙目攝像機和右雙目攝像機分別固定在橫杆上；左雙目攝像機和右雙目攝像機的輸出端分別通過電纜與工控機相連；移動平臺控制器連接工控機，移動平臺控制器的輸出端連接移動平臺電機驅動器的輸入端，移動平臺電機驅動器的輸出端連接移動平臺伺服電機的輸入端，移動平臺伺服電機編碼器的輸出端連接移動平臺控制器的輸入端；果籃控制器連接工控機，果籃控制器的輸出端連接果籃電機驅動器的輸入端，果籃電機驅動器的輸出端連接果籃旋轉伺服電機的輸入端，果籃旋轉伺服電機驅動果籃旋轉。
[0019]本實用新型所述導航系統採用機器視覺與DGPS組合式導航，包括前雙目攝像機、天線和DGPS接收機；前雙目攝像機固定在移動平臺上，前雙目攝像機的輸出端通過電纜與工控機相連；DGPS接收機的輸入端連接天線，DGPS接收機的輸出端與工控機相連。本實用新型中所述的DGPS接收機採用現有技術中的DGPS接收機，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。當前雙目攝像機檢測到移動平臺前進方向無障礙物時，機器人系統採用DGPS導航方式。當前雙目攝像機檢測到移動平臺前進方向有障礙物時，機器人導航系統通過前雙目攝像機檢測障礙物尺寸信息和障礙物相對移動平臺位置信息，工控機根據以上信息進行避障路徑規劃，使移動平臺繞行障礙物。當移動平臺繞過障礙物時，機器人導航系統轉為DGPS導航方式。
[0020]本實用新型中所述的工控機為現有技術中應用於採摘機器人上的工控機，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0021]本實用新型中所述的左雙目攝像機、右雙目攝像機和前雙目攝像機均為現有技術中的雙目攝像機，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0022]本實用新型所述大機械臂控制系統，包括運動控制器、左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統；左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統的結構相同，均包括滑臺電機驅動器、滑臺伺服電機、滑臺伺服電機編碼器、旋轉基座電機驅動器、旋轉基座伺服電機、旋轉基座伺服電機編碼器、第一關節電機驅動器、第一關節伺服電機、第一關節伺服電機編碼器、第二關節電機驅動器、第二關節伺服電機、第二關節伺服電機編碼器、第三關節電機驅動器、第三關節伺服電機、第三關節伺服電機編碼器；
[0023]滑臺電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，滑臺電機驅動器的輸出端與滑臺伺服電機的輸入端相連，滑臺伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機相連；
[0024]旋轉基座電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，旋轉基座電機驅動器的輸出端與旋轉基座伺服電機的輸入端相連，旋轉基座伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機相連；
[0025]第一關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第一關節電機驅動器的輸出端與第一關節伺服電機的輸入端相連，第一關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機相連；
[0026]第二關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第二關節電機驅動器的輸出端與第二關節伺服電機的輸入端相連，第二關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機相連；
[0027]第三關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第三關節電機驅動器的輸出端與第三關節伺服電機的輸入端相連，第三關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機相連。[0028]本實用新型所述的運動控制器為現有技術中的運動控制器，具體結構本實用新型不做詳細的說明。
[0029]本實用新型所述的滑臺電機驅動器、旋轉基座電機驅動器、第一關節電機驅動器、第二關節電機驅動器和第三關節電機驅動器均為現有技術中的電機驅動器，其具體結構本實用新型不做詳細的說明。
[0030]本實用新型所述的滑臺伺服電機、旋轉基座伺服電機、第一關節伺服電機、第二關節伺服電機和第三關節伺服電機均為現有技術中的伺服電機，其具體結構本實用新型不做詳細的說明。
[0031]本實用新型所述的滑臺伺服電機編碼器、旋轉基座伺服電機編碼器、第一關節伺服電機編碼器、第二關節伺服電機編碼器和第三關節伺服電機編碼器均為現有技術中的伺服電機編碼器，其具體結構本實用新型不做詳細的說明。
[0032]本實用新型所述的左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統，分別用於控制左小機械臂、左末端執行器的動作和右小機械臂、右末端執行器的動作，本實用新型所述的左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統的結構相同，均包括末端執行器控制器、迴轉關節電機驅動器、迴轉關節伺服電機、迴轉關節伺服電機編碼器、上下直動臂電機驅動器、上下直動臂伺服電機、上下直動臂伺服電機編碼器、前後直動臂電機驅動器、前後直動臂伺服電機、前後直動臂伺服電機編碼器、不少於一個的上位置傳感器、中位置傳感器、下位置傳感器、壓力傳感器、推桿電機驅動器、推桿電機、左剪切刀具電機驅動器、左剪切刀具電機、右剪切刀具電機驅動器、右剪切刀具電機。
[0033]本實用新型中所述的末端執行器控制器為現有技術中的控制器，其具體結構本實用新型不作詳細的說明。
[0034]本實用新型中所述的末端執行器迴轉關節電機驅動器、推桿電機驅動器、左剪切刀具電機驅動器、右剪切刀具電機驅動器、上下直動臂電機驅動器和前後直動臂電機驅動器均為現有技術中的電機驅動器，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0035]本實用新型中所述的末端執行器迴轉關節伺服電機、末端執行器上下直動臂伺服電機和末端執行器前後直動臂伺服電機均為現有技術中的伺服電機，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0036]本實用新型中所述的末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器、末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器和末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器均為現有技術中的伺服電機編碼器，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0037]本實用新型中所述的上位置傳感器、中位置傳感器和下位置傳感器均採用現有技術中的對射式光電傳感器，包括信號發送部件和信號接收部件，信號發送部件鑲嵌安裝於採摘杯內壁一側，信號接收部件鑲嵌安裝於採摘杯內壁相對另一側，信號發送部件和信號接收部件安裝高度相同。兩個上位置傳感器同水平面安裝在採摘杯上的切槽的下方接近採摘杯上的切槽。所述下位置傳感器位於採摘杯與果實回收管連接處上方接近果實回收管連接處。所述中位置傳感器位於上位置傳感器的下方和下位置傳感器上方。上位置傳感器、中位置傳感器和下位置傳感器的輸出端分別通過電纜與末端執行器控制器相連；壓力傳感器安裝在位於採摘杯側的推桿的前端頭，壓力傳感器通過電纜與末端執行器控制器相連。
[0038]本實用新型中所述的壓力傳感器為現有技術中的壓力傳感器，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0039]本實用新型中所述的推桿電機、左剪切刀具電機和右剪切刀具電機均為現有技術中的電機，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0040]本實用新型中所述的左剪切刀具電機驅動器和右剪切刀具電機驅動器為現有技術中的電機驅動器，其具體結構和工作過程本實用新型不作詳細的說明。
[0041]本實用新型中所述的末端執行器控制器連接工控機，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸出端與末端執行器迴轉關節伺服電機的輸入端相連，末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器迴轉關節伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器上下直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器上下直動臂伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器前後直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器前後直動臂伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；
[0042]本實用新型中所述的推桿電機驅動器的輸入端連接末端執行器控制器的輸出端，推桿電機驅動器的輸出端連接推桿電機，推桿主動齒輪安裝於推桿電機軸上，推桿電機旋轉，帶動推桿主動齒輪旋轉，推桿主動齒輪旋轉通過推桿從動齒輪驅動推桿朝向採摘杯切口運動；推桿向前推動擠壓固定果實，壓力傳感器檢測推桿擠壓果實力的大小，壓力足以使果實固定而又不損壞果實；左剪切刀具和右剪切刀具分別在左剪切刀具電機和右剪切刀具電機作用下旋轉，切斷果梗，推桿向後運動，鬆開果實，果實自動落入果實回收管，並在重力作用下滾落入果籃，下位置傳感器檢測確認果實從採摘杯落入果實回收管，完成一個果實的採摘、回收。
[0043]本實用新型中所述的左剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，左剪切刀具電機驅動器的輸出端與左剪切刀具電機的輸入端相連；右剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，右剪切刀具電機驅動器的輸出端與右剪切刀具電機的輸入端相連。
[0044]本實用新型所述舌型緩衝片設置在果實回收管內。本實用新型所述的舌型緩衝片的內層為彈性金屬材料，外層為橡膠材料，每3個一組空間呈120°角度分布安裝於果實回收管內壁同一高度，舌型緩衝片的一端固定另一端向下傾斜。
[0045]本實用新型與現有技術相比的優點:
[0046]( I)採摘機器人為雙機械臂和雙末端執行器，左大機械臂、左小機械臂和左末端執行器負責機器人行進方向左側果樹水果採摘，右大機械臂、右小機械臂和右末端執行器負責機器人行進方向右側果樹水果採摘，實現了行進方向左右兩側果樹水果同時採摘，果實的平均採摘周期短，採摘效率高。
[0047](2)在水果採摘過程中，機械臂分採摘點進行採摘，一個採摘點實現多個果實連續採摘，相比現有採摘機器人減少了採摘過程中機械臂運轉花費的時間，提高了工作效率。
[0048](3)末端執行器採用杯型設計，提高了採摘速度。另一方面採摘杯可實現多種水果採摘，末端執行器通用性好。
[0049](4)在水果採摘過程中，雙末端執行器獲取果實剪斷果梗後由果實回收管直接回收果實，不需要機械臂和末端執行器回收果實，減少了每個果實的採摘時間，提高了採摘速度。果實回收管內壁平坦，採用橡膠材料，並且安裝緩衝片，保護果實，減少果實在下滑回收過程中由於擠碰和劃擦引起的損傷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0050]圖1是果實採摘機械裝置的側面結構示意圖。
[0051]圖2是採摘杯部件的結構示意圖。
[0052]圖3是機器人控制系統示意圖。
[0053]圖4是末端執行器控制系統示意圖
[0054]圖5是左大機械臂採摘果實流程圖。
[0055]其中，I為移動平臺，2為右大機械臂，3為右小機械臂，4為右末端執行器，5為左大機械臂，6為左小機械臂，7為左末端執行器，8為滑臺，9為旋轉基座，10為第一關節，11為下臂，12為第二關節，13為中臂，14為第三關節，15為上臂，16為上下直動臂，17為橫杆，18為迴轉關節，19為右雙目攝像機,20為前後直動臂,21為前後直動臂法蘭,22為採摘杯部件，23為果實回收管，24為舌型緩衝片，25為工控機，26為天線，27為左雙目攝像機，28為前雙目攝像機，29為採摘杯法蘭，30為推桿架，31為推桿主動齒輪，32為推桿從動齒輪，33為右剪切刀具主動齒輪，34為右剪切刀具從動齒輪，35為右剪切刀具軸，36為連接平臺，37為推桿，38為推桿電機，39為切槽，40為上位置傳感器，41為中位置傳感器，42為下位置傳感器，43為左剪切刀具，44為右剪切刀具，45為採摘杯切口，46為左剪切刀具電機，47為右剪切刀具電機，48為壓力傳感器，49為採摘杯。
【具體實施方式】
[0056]為使本實用新型的內容更加明顯易懂，以下結合附圖1-圖5和【具體實施方式】做進一步的描述。
[0057]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0058]本實用新型的果實採摘裝置，包括果實採摘機械裝置和控制系統。如圖1所示，果實採摘機械裝置包括左機械臂、右機械臂、左末端執行器7、右末端執行器4、移動平臺I和果籃；左機械臂包括左大機械臂5和左小機械臂6 ;右機械臂包括右大機械臂2和右小機械臂3;
[0059]左機械臂、右機械臂分別完成將左末端執行器7、右末端執行器4送到指定採摘點工作。左大機械臂5和右大機械臂2分別滑動設置在移動平臺I的左右兩側，左小機械臂6連接左大機械臂5與左末端執行器7，左小機械臂6和左大機械臂5驅動左末端執行器7採摘果實；右小機械臂3連接右大機械臂2與右末端執行器4，右小機械臂3和右大機械臂2驅動右末端執行器4採摘果實；果籃設置在移動平臺I上。
[0060]如圖1所示，左大機械臂5和右大機械臂2結構相同，均包括滑臺8、旋轉基座9、第一關節10、下臂11、第二關節12、中臂13、第三關節14和上臂15 ;滑臺8滑動設置在移動平臺I上，旋轉基座9設置在滑臺8上，第一關節10的一端固定在旋轉基座9上，另一端與下臂11相連；下臂11通過第二關節12與中臂13相連，中臂13通過第三關節14與上臂15相連。
[0061]左小機械臂6和右小機械臂3結構相同，均包括迴轉關節18、上下直動臂16、前後直動臂20、橫杆17 ;上下直動臂16通過迴轉關節18與上臂15相連；前後直動臂20與上下直動臂16滑動相連；橫杆17固定安裝於上下直動臂16頂端。
[0062]如圖1、圖2所示，左末端執行器7和右末端執行器4完成水果獲取、回收工作。所述左末端執行器7和右末端執行器4結構相同，均包括採摘杯部件22、果實回收管23和舌型緩衝片24 ;採摘杯部件22同時與前後直動臂20和果實回收管23相連，果實回收管23伸入到果籃內；
[0063]採摘杯部件包括採摘杯法蘭29、採摘杯49、連接平臺36、推桿37、推桿架30、推桿主動齒輪31、推桿從動齒輪32、左剪切刀具43、右剪切刀具44、右剪切刀具主動齒輪33、右剪切刀具從動齒輪34、右剪切刀具軸35、左剪切刀具主動齒輪、左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具軸；連接平臺36固定在採摘杯49上，連接平臺36通過採摘杯法蘭29與前後直動臂法蘭21相連，推桿架30固定在連接平臺36上；推桿37安裝於推桿架30內，推桿從動齒輪32鑲嵌固定安裝於推桿37上面，推桿主動齒輪31與推桿從動齒輪32嚙合；採摘杯49的杯口設有切槽39，右剪切刀具軸35和左剪切刀具軸均安裝在上述切槽39內；右剪切刀具從動齒輪34和右剪切刀具44均固定安裝於右剪切刀具軸35上；右剪切刀具主動齒輪33與右剪切刀具從動齒輪34嚙合；所述左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具43均固定安裝於左剪切刀具軸上；左剪切刀具主動齒輪與左剪切刀具從動齒輪嚙合；採摘杯49的側壁上設有採摘杯切口 45，採摘杯切口 45與推桿37相對應。本實用新型所述的舌型緩衝片24設置在果實回收管23內。舌型緩衝片24的內層為彈性金屬材料，外層為橡膠材料，每3個一組空間呈120°角度分布安裝於果實回收管內壁同一高度，一端固定另一端向下傾斜。
[0064]如圖3所不，控制系統包括工控機25、導航系統、左雙目攝像機27、右雙目攝像機19、用於控制左大機械臂5和右大機械臂2動作的大機械臂控制系統、用於控制左小機械臂6和左末端執行器7動作的左末端執行器控制系統、用於控制右小機械臂3和右末端執行器4動作的右末端執行器控制系統、移動平臺控制器、移動平臺電機驅動器、移動平臺伺服電機、移動平臺伺服電機編碼器、果籃控制器、果籃電機驅動器和果籃旋轉伺服電機；
[0065]左雙目攝像機27和右雙目攝像機19分別通過橫杆17安裝在上下直動壁16上；左雙目攝像機27和右雙目攝像機19的輸出端分別通過電纜與工控機25相連；移動平臺控制器與工控機25連接，移動平臺控制器的輸出端連接移動平臺電機驅動器的輸入端，移動平臺電機驅動器的輸出端連接移動平臺伺服電機的輸入端，移動平臺伺服電機編碼器的輸出端連接移動平臺控制器的輸入端；果籃控制器的連接工控機，果籃控制器的輸出端連接果籃電機驅動器的輸入端，果籃電機驅動器的輸出端連接果籃旋轉伺服電機的輸入端，果籃旋轉伺服電機驅動果籃旋轉。
[0066]控制系統的工作過程為:工控機通過給移動平臺控制器發送行進、停止和有關避障信息，移動平臺控制器通過移動平臺電機驅動器控制移動平臺伺服電機實現移動平臺的行進、停止和避障。當移動平臺停止，大機械臂控制系統、左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統進行採摘作業；在大機械臂控制系統、左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統作業時，工控機25發送信息給果籃控制器，果籃控制器通過果籃電機驅動器控制果籃旋轉伺服電機，實現果籃旋轉，使果實回收管中的果實流暢地進入果籃，避免水果在果實回收管出口處堵塞。
[0067]導航系統採用機器視覺與DGPS組合式導航，包括前雙目攝像機28、天線26和DGPS接收機；前雙目攝像機28固定在移動平臺I上，前雙目攝像機28的輸出端通過電纜與工控機25相連；DGPS接收機的輸入端連接天線26，DGPS接收機的輸出端與工控機25相連。
[0068]本實用新型所述大機械臂控制系統，包括運動控制器、左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統；左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統的結構相同均包括滑臺電機驅動器、滑臺伺服電機、滑臺伺服電機編碼器、旋轉基座電機驅動器、旋轉基座伺服電機、旋轉基座伺服電機編碼器、第一關節電機驅動器、第一關節伺服電機、第一關節伺服電機編碼器、第二關節電機驅動器、第二關節伺服電機、第二關節伺服電機編碼器、第三關節電機驅動器、第三關節伺服電機、第三關節伺服電機編碼器；
[0069]滑臺電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，滑臺電機驅動器的輸出端與機械臂滑臺伺服電機的輸入端相連，滑臺伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機25相連；
[0070]旋轉基座電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，旋轉基座電機驅動器的輸出端與旋轉基座伺服電機的輸入端相連，旋轉基座伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機25相連；
[0071]第一關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第一關節電機驅動器的輸出端與第一關節伺服電機的輸入端相連，第一關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機25相連；
[0072]第二關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第二關節電機驅動器的輸出端與第二關節伺服電機的輸入端相連，第二關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器通與工控機25相連；
[0073]第三關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第三關節電機驅動器的輸出端與第三關節伺服電機的輸入端相連，第三關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機25相連。
[0074]如圖3、圖4所示，左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統，用於控制左小機械臂、左末端執行器的動作和右小機械臂、右末端執行器的動作，本實用新型所述的左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統的結構相同，均包括末端執行器控制器、迴轉關節電機驅動器、迴轉關節伺服電機、迴轉關節伺服電機編碼器、上下直動臂電機驅動器、上下直動臂伺服電機、上下直動臂伺服電機編碼器、前後直動臂電機驅動器、前後直動臂伺服電機、前後直動臂伺服電機編碼器、上位置傳感器40、中位置傳感器41、下位置傳感器42、壓力傳感器48、推桿電機驅動器、推桿電機38、左剪切刀具電機驅動器、左剪切刀具電機46、右剪切刀具電機驅動器、右剪切刀具電機47。[0075]末端執行器控制器連接工控機25，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸出端與末端執行器迴轉關節伺服電機的輸入端相連，末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器迴轉關節伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器上下直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器上下直動臂伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器前後直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器能夠檢測末端執行器前後直動臂伺服電機旋轉角度位移量，末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端。
[0076]推桿電機驅動器的輸入端連接末端執行器控制器的輸出端，推桿電機驅動器的輸出端連接推桿電機38，推桿主動齒輪31安裝於推桿電機38軸上，推桿電機38旋轉，帶動推桿主動齒輪31旋轉，推桿主動齒輪31旋轉通過推桿從動齒輪32推動推桿37向前擠壓固定果實，壓力傳感器48檢測推桿擠壓果實力的大小，壓力足以使果實固定而又不損壞果實；左剪切刀具和右剪切刀具分別在左剪切刀具電機和右剪切刀具電機作用下旋轉，切斷果梗，推桿向後運動，鬆開果實，果實自動落入果實回收管，並在重力作用下滾落入果籃，下位置傳感器檢測確認果實從採摘杯落入果實回收管，完成一個果實的採摘、回收。
[0077]左剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，左剪切刀具電機驅動器的輸出端與左剪切刀具電機的輸入端相連；右剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，右剪切刀具電機驅動器的輸出端與右剪切刀具電機的輸入端相連。
[0078]上位置傳感器40、中位置傳感器41和下位置傳感器42均包括信號發送部件和信號接收部件，信號發送部件鑲嵌安裝於採摘杯49的內壁一側，信號接收部件鑲嵌安裝於採摘杯49的內壁相對另一側，信號發送部件和信號接收部件安裝高度相同。本實用新型中所述的上位置傳感器、中位置傳感器和下位置傳感器均採用現有技術中的對射式光電傳感器，包括信號發送部件和信號接收部件，信號發送部件鑲嵌安裝於採摘杯內壁一側，信號接收部件鑲嵌安裝於採摘杯內壁相對另一側，信號發送部件和信號接收部件安裝高度相同。兩個上位置傳感器同水平面安裝在採摘杯上的切槽39的下方接近採摘杯上的切槽39。所述下位置傳感器位於採摘杯與果實回收管23連接處上方接近果實回收管23連接處。所述中位置傳感器41位於上位置傳感器40的下方和下位置傳感器42上方。上位置傳感器、中位置傳感器和下位置傳感器的輸出端分別通過電纜與末端執行器控制器相連；壓力傳感器48安裝在位於採摘杯側的推桿37的前端頭。
[0079]—種採用果實採摘裝置進行水果採摘的方法，本實用新型所述果實採摘裝置採摘方法技術方案為:
[0080]左大機械臂、左小機械臂、左末端執行器和左雙目攝像機組成的左採摘部件完成移動平臺行進方向左側果樹水果收穫。右大機械臂、右小機械臂、右末端執行器和右雙目攝像機組成的右採摘部件完成移動平臺行進方向右側果樹水果收穫。收穫作業分兩步完成，第一步，左採摘部件運動至移動平臺左前方進行左前方果樹水果收穫；同時，右採摘部件運動至移動平臺右後方進行右後方果樹水果收穫；第二步，上述採摘作業完成後，左採摘部件運動至移動平臺左後方進行左後前方果樹水果收穫；同時，右採摘部件運動至移動平臺右前方進行右前方果樹水果收穫。
[0081 ] 左採摘部件、右左採摘部件的水果採摘方法的步驟相同，左採摘部件的採摘方法包括以下步驟:
[0082]I)左大機械臂復位到初始位置；
[0083]2)左雙目攝像機採集果樹圖像，並將圖像傳輸給工控機；
[0084]3)工控機對果樹圖像進行處理，完成果實識別與定位；
[0085]根據顏色特徵，並結合果實紋理和形狀特徵完成目標果實與背景分離，獲取果實雙目圖像坐標，根據三角測量原理獲得目標果實世界坐標系下坐標；世界坐標系確定如下:取左雙目攝像機兩鏡頭中心連線向右為X軸正方向，連線中點為世界坐標系原點，垂直於X軸所在的水平面向上為Y軸正方向，Z軸正方向為垂直於X和Y軸所在平面離開左雙目攝像機指向果樹方向；世界坐標系確立後，計算各果實在世界坐標系下的坐標值Pi(Xi, Yi, Zi)；
[0086]4)根據步驟3中各果實在世界坐標系下的坐標值確定左大機械臂各採摘點及各採摘點所屬果實；確定方法如下:
[0087]設左小機械臂的上下直動臂長度為a，前後直動臂長度為b，Ymax、Ymin分別為各果實
Y坐標的最大值和最小值，取
【權利要求】
1.一種果實採摘裝置，包括果實採摘機械裝置和控制系統，其特徵在於， 所述果實採摘機械裝置包括左機械臂、右機械臂、左末端執行器(7 )、右末端執行器(4)、移動平臺(I)和果籃；左機械臂包括左大機械臂(5)和左小機械臂(6);右機械臂包括右大機械臂(2)和右小機械臂(3);左大機械臂(5)和右大機械臂(2)分別滑動設置在移動平臺(I)的左右兩側，左小機械臂(6)連接左大機械臂(5)與左末端執行器(7)，左小機械臂(6)和左大機械臂(5)驅動左末端執行器(7)採摘果實；右小機械臂(3)連接右大機械臂(2)與右末端執行器(4)，右小機械臂(3)和右大機械臂(2)驅動右末端執行器(4)採摘果實；果籃設置在移動平臺(I)上； 其中，所述左大機械臂(5)和右大機械臂(2)結構相同，均包括滑臺(8)、旋轉基座(9)、第一關節(10)、下臂(11)、第二關節(12)、中臂(13)、第三關節(14)和上臂(15);滑臺(8)滑動設置在移動平臺(I)上，旋轉基座(9)設置在滑臺(8)上，第一關節(10)的一端固定在旋轉基座(9)上，另一端與下臂(11)相連；下臂(11)通過第二關節(12)與中臂(13)相連，中臂(13)通過第三關節(14)與上臂(15)相連； 所述左小機械臂(6)和右小機械臂(3)結構相同，均包括迴轉關節(18)、上下直動臂(16)、前後直動臂(20)、橫杆(17)和前後直動臂法蘭(21);上下直動臂(16)通過迴轉關節(18)與上臂(15)相連；前後直動臂(20)與上下直動臂(16)滑動相連；橫杆(17)固定安裝於上下直動臂(16)頂 端；前後直動臂法蘭(21)固定安裝於前後直動臂(20)上； 所述左末端執行器(7)和右末端執行器(4)結構相同，均包括採摘杯部件(22)、果實回收管(23)和舌型緩衝片(24);採摘杯部件(22)同時與前後直動臂(20)和果實回收管(23)相連，果實回收管(23)伸入到果籃內； 所述採摘杯部件包括採摘杯法蘭(29 )、採摘杯(49 )、連接平臺(36 )、推桿(37 )、推桿架(30)、推桿主動齒輪(31)、推桿從動齒輪(32)、左剪切刀具(43)、右剪切刀具(44)、右剪切刀具主動齒輪(33)、右剪切刀具從動齒輪(34)、右剪切刀具軸(35)、左剪切刀具主動齒輪、左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具軸；所述連接平臺(36)固定在採摘杯(49)上，連接平臺(36 )通過採摘杯法蘭(29 )與前後直動臂法蘭(21)相連，所述推桿架(30 )固定在連接平臺(36 )上；推桿(37 )安裝於推桿架(30 )內，推桿從動齒輪(32 )鑲嵌固定安裝於推桿(37 )上面，推桿主動齒輪(31)與推桿從動齒輪(32)嚙合；所述採摘杯(49)的杯口設有切槽(39)，所述右剪切刀具軸(35)和左剪切刀具軸均安裝在上述切槽(39)內；所述右剪切刀具從動齒輪(34)和右剪切刀具(44)均固定安裝於右剪切刀具軸(35)上；所述右剪切刀具主動齒輪(33)與右剪切刀具從動齒輪(34)嚙合；所述左剪切刀具從動齒輪和左剪切刀具(43)均固定安裝於左剪切刀具軸上；所述左剪切刀具主動齒輪與左剪切刀具從動齒輪嚙合；所述採摘杯(49)的側壁上設有採摘杯切口(45)，所述採摘杯切口(45)與推桿(37)相對應；所述控制系統包括工控機(25)、導航系統、左雙目攝像機(27)、右雙目攝像機(19)、用於控制左大機械臂(5)和右大機械臂(2)動作的大機械臂控制系統、用於控制左小機械臂(6)和左末端執行器(7)動作的左末端執行器控制系統、用於控制右小機械臂(3)和右末端執行器(4)動作的右末端執行器控制系統、移動平臺控制器、移動平臺電機驅動器、移動平臺伺服電機、移動平臺伺服電機編碼器、果籃控制器、果籃電機驅動器和果籃旋轉伺服電機；所述左雙目攝像機(27)和右雙目攝像機(19)分別固定在橫杆(17)上；左雙目攝像機(27)和右雙目攝像機(19)的輸出端分別通過電纜與工控機(25)相連；移動平臺控制器連接工控機(25)，移動平臺控制器的輸出端連接移動平臺電機驅動器的輸入端，移動平臺電機驅動器的輸出端連接移動平臺伺服電機的輸入端，移動平臺伺服電機編碼器的輸出端連接移動平臺控制器的輸入端；果籃控制器連接工控機(25)，果籃控制器的輸出端連接果籃電機驅動器的輸入端，果籃電機驅動器的輸出端連接果籃旋轉伺服電機的輸入端，果籃旋轉伺服電機驅動果籃旋轉。
2.如權利要求1所述的果實採摘裝置，其特徵在於，所述大機械臂控制系統，包括運動控制器、左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統；左大機械臂驅動系統和右大機械臂驅動系統的結構相同，均包括滑臺電機驅動器、滑臺伺服電機、滑臺伺服電機編碼器、旋轉基座電機驅動器、旋轉基座伺服電機、旋轉基座伺服電機編碼器、第一關節電機驅動器、第一關節伺服電機、第一關節伺服電機編碼器、第二關節電機驅動器、第二關節伺服電機、第二關節伺服電機編碼器、第三關節電機驅動器、第三關節伺服電機、第三關節伺服電機編碼器； 滑臺電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，滑臺電機驅動器的輸出端與滑臺伺服電機的輸入端相連，滑臺伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機(25)相連； 旋轉基座電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，旋轉基座電機驅動器的輸出端與旋轉基座伺服電機的輸入端相連，旋轉基座伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機(25)相連； 第一關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第一關節電機驅動器的輸出端與第一關節伺服電機的輸入端相連，第一關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機(25)相連； 第二關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第二關節電機驅動器的輸出端與第二關節伺服電機的輸入端相連，第二關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機(25)相連； 第三關節電機驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端相連，第三關節電機驅動器的輸出端與第三關節伺服電機的輸入端相連，第三關節伺服電機編碼器的輸出端與運動控制器的輸入端相連，運動控制器與工控機(25 )相連。
3.如權利要求1所述的果實採摘裝置，其特徵在於，所述左末端執行器控制系統和右末端執行器控制系統的結構相同，均包括末端執行器控制器、迴轉關節電機驅動器、迴轉關節伺服電機、迴轉關節伺服電機編碼器、上下直動臂電機驅動器、上下直動臂伺服電機、上下直動臂伺服電機編碼器、前後直動臂電機驅動器、前後直動臂伺服電機、前後直動臂伺服電機編碼器、不少於一個的上位置傳感器(40)、中位置傳感器(41)、下位置傳感器(42)、壓力傳感器(48)、推桿電機驅動器、推桿電機(38)、左剪切刀具電機驅動器、左剪切刀具電機(46)、右剪切刀具電機驅動器、右剪切刀具電機(47)； 末端執行器控制器連接工控機(25)，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器迴轉關節電機驅動器的輸出端與末端執行器迴轉關節伺服電機的輸入端相連，末端執行器迴轉關節伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器上下直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器上下直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器上下直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端；末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，末端執行器前後直動臂電機驅動器的輸出端與末端執行器前後直動臂伺服電機的輸入端相連，末端執行器前後直動臂伺服電機編碼器的輸出端連接末端執行器控制器的輸入端； 推桿電機驅動器的輸入端連接末端執行器控制器的輸出端，推桿電機驅動器的輸出端連接推桿電機(38)，推桿主動齒輪(31)安裝於推桿電機(38)軸上，推桿電機(38 )旋轉，帶動推桿主動齒輪(31)旋轉，推桿主動齒輪(31)旋轉通過推桿從動齒輪(32)驅動推桿(37)朝向採摘杯切口(45)運動； 左剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，左剪切刀具電機驅動器的輸出端與左剪切刀具電機的輸入端相連；右剪切刀具電機驅動器的輸入端與末端執行器控制器的輸出端相連，右剪切刀具電機驅動器的輸出端與右剪切刀具電機的輸入端相連； 所述上位置傳感器(40)、中位置傳感器(41)和下位置傳感器(42)分別安裝在採摘杯(49)的側壁上，上位置傳感器(40)、中位置傳感器(41)和下位置傳感器(42)的輸出端分別通過電纜與末端執行器控制器相連；壓力傳感器(48)安裝在位於採摘杯側的推桿(37)的前端，壓力傳感 器(48 )通過電纜與末端執行器控制器相連。
4.如權利要求3所述的果實採摘裝置，其特徵在於，所述上位置傳感器的數量為二；所述兩個上位置傳感器同水平面安裝在採摘杯的側壁上；所述上位置傳感器位於採摘杯上的切槽(39)的下方。
5.如權利要求1所述的果實採摘裝置，其特徵在於，所述緩衝片(24)設置在位於採摘杯(22)—側的果實回收管(23)內。
【文檔編號】A01D46/30GK203775715SQ201420192950
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】李國利, 王芳, 姬長英, 吳敏, 陸濤 申請人:金陵科技學院