一种多轴水果采摘机器人.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710534653.1 (22)申请日 2017.07.03 (71)申请人 彭紫薇 地址 400065 重庆市南岸区崇文路2号重庆 邮电大学 (72)发明人 赵立明 彭紫薇 陈东云 王剑桥 宋浩鸣 (51)Int.Cl. A01D 46/24(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01) B25J 19/02(2006.01) (54)发明名称 一种多轴水果采摘机器人 (57)摘要 本发明公开了一种多轴水果采摘机器人， 包。

2、 括底部支架、 机械执行系统和总线控制系统， 底 部支架上设有前置导向轮和后置动力轮， 且前置 导向轮电性连接转向驱动电机， 后置动力轮电性 连接行进驱动电机， 机械执行系统包括固定支 架、 三轴丝杆滑台、 丝杆步进电机和机械手爪， 固 定支架固定在底部支架上， 三轴丝杆滑台固定在 固定支架内， 三轴丝杆滑台上固定有丝杆、 直线 导轨和碳纤维杆， 直线导轨设置在丝杆两侧， 丝 杆电性连接设置在固定支架底部的丝杆步进电 机， 碳纤维杆前端固定安装有机械手爪， 且机械 手爪电性连接机械手爪驱动电机， 本发明结构设 计新颖， 操作方便， 能够实现对水果的自动识别 和采摘， 降低果农的劳动强度、 提高。

3、劳动生产率。 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 CN 107094429 A 2017.08.29 CN 107094429 A 1.一种多轴水果采摘机器人， 包括底部支架(1)、 机械执行系统和总线控制系统， 其特 征在于： 所述底部支架(1)上设有前置导向轮(2)和后置动力轮(3)， 且所述前置导向轮(2) 电性连接转向驱动电机(4)， 所述后置动力轮(3)电性连接行进驱动电机(5)， 所述机械执行 系统包括固定支架(6)、 三轴丝杆滑台(7)、 丝杆步进电机(8)和机械手爪(9)， 所述固定支架 (6)固定在底部支架(1)上， 所述三轴丝杆滑台(7)固定在固定支架(6)内， 所述三轴。

4、丝杆滑 台(7)上固定有竖向丝杆(10)、 直线导轨(11)和碳纤维杆(12)， 所述直线导轨(11)设置在竖 向丝杆(10)两侧， 所述固定支架(6)上底部还设有横向丝杆(13)， 所述竖向丝杆(10)和横向 丝杆(13)均通过中间轴连接联轴器连接丝杆步进电机(8)； 所述碳纤维杆(12)前端固定安 装有机械手爪(9)， 且所述机械手爪(9)电性连接机械手爪驱动电机(14)； 所述固定支架(6) 顶部设置第一摄像头(15)和光电距离传感器(16)， 所述底部支架(1)前端设置第二摄像头 (17)。 2.根据权利要求1所述的一种多轴水果采摘机器人， 其特征在于： 所述总线控制系统电 性连接机械。

5、执行系统， 所述总线控制系统包括CAN总线(18)、 CAN收发控制器(19)、 信号采集 模块(20)和导航模块(21)， 所述CAN总线(18)连接CAN收发控制器(19)， 所述CAN收发控制器 (19)分别连接转向驱动电机(4)、 行进驱动电机(5)、 丝杆步进电机(8)和机械手爪驱动电机 (14)； 所述CAN总线(18)双向信号连接信号采集模块(20)， 所述信号采集模块(20)输入端分 别连接第一摄像头(15)、 光电距离传感器(16)、 第二摄像头(17)和导航模块(21)。 3.根据权利要求1所述的一种多轴水果采摘机器人， 其特征在于： 所述前置导向轮(2) 采用工业橡胶定向。

6、轮， 所述后置动力轮(3)采用12V大扭矩直流电机驱动的麦克纳姆轮。 4.根据权利要求1所述的一种多轴水果采摘机器人， 其特征在于： 所述第二摄像头(17) 采用RER-USBFHDO1镜头。 5.根据权利要求1所述的一种多轴水果采摘机器人， 其特征在于： 所述三轴丝杆滑台 (7)的升降高度为100cm-160cm。 6.根据权利要求1所述的一种多轴水果采摘机器人， 其特征在于： 所述总线控制系统还 连接工控机(22)， 所述工控机(22)上设有触摸显示屏。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 107094429 A 2 一种多轴水果采摘机器人 技术领域 0001 本发明涉及水果采摘技术。

7、领域， 具体涉及一种多轴水果采摘机器人。 背景技术 0002 目前水果己成为继粮食、 蔬菜之后的第三农作物， 水果产业在国民经济中具有重 要地位。 在食品消费结构中， 随着主食消费比重的缓慢下降和副食品消费比重的上升， 水果 消费在整个食物消费中的比重也在逐步上升。 苹果、 柑橘、 梨是我国水果的主要种植品种， 无论是面积还是产量均在前三位， 约占整个水果产量的50左右。 综上所述， 我国苹果、 柑 橘、 梨种植、 特别巨大， 若采用人工收获， 效率必然低下， 而且也不能满足市场对果蔬时令性 和新鲜度的要求。 且21世纪以来， 我国面临人口老龄化问题日趋严重， 而且随着工业的迅速 发展， 农业。

8、劳动力逐渐向工业及其他行业转移， 农业劳动力严重短缺且成本逐渐提高。 水果 釆摘作业是水果生产中最耗时、 最费力的环节， 水果收获期间需投入的劳力约占整个生产 过程的50-70左右。 而且在水果采摘作业中经常需要借助梯子登高， 长时间作业不仅劳 动强度大也具有一定的危险性。 以上众多因素给水果的收获带了极大的困难， 因此在果实 收获中， 机械和计算机智能控制行业的不断发展， 使得智能机器人在各个领域的应用已经 十分普遍， 故在农业生产上广泛应用智能采摘机器人； 国外在采摘机器人研究方面， 虽然取 得了不少研究成果， 但由于没有一个清晰的战略思想， 很多研究工作也基本处于停滞状态。 而且由于受到。

9、技术、 市场和价格等条件的影响， 真正能实现商业化的产品很少。 虽然国内在 采摘机器人领域起步相对较晚， 但近些年发展速度很快。 目前已有很多国内科研人员在该 领域做了不少研究和探索工作， 但水果智慧化釆摘极其复杂， 目前仍有不少难题有待研究 和探索。 发明内容 0003 为了解决上述存在的问题， 本发明提供一种多轴水果采摘机器人。 0004 本发明是通过以下技术方案实现： 0005 一种多轴水果采摘机器人， 包括底部支架、 机械执行系统和总线控制系统， 所述底 部支架上设有前置导向轮和后置动力轮， 且所述前置导向轮电性连接转向驱动电机， 所述 后置动力轮电性连接行进驱动电机， 所述机械执行系。

10、统包括固定支架、 三轴丝杆滑台、 丝杆 步进电机和机械手爪， 所述固定支架固定在底部支架上， 所述三轴丝杆滑台固定在固定支 架内， 所述三轴丝杆滑台上固定有竖向丝杆、 直线导轨和碳纤维杆， 所述直线导轨设置在竖 向丝杆两侧， 所述固定支架上底部还设有横向丝杆， 所述竖向丝杆和横向丝杆均通过中间 轴连接联轴器连接丝杆步进电机； 所述碳纤维杆前端固定安装有机械手爪， 且所述机械手 爪电性连接机械手爪驱动电机； 所述固定支架顶部设置第一摄像头和光电距离传感器， 所 述底部支架前端设置第二摄像头。 0006 优选的， 所述总线控制系统电性连接机械执行系统， 所述总线控制系统包括CAN总 线、 CAN收。

11、发控制器、 信号采集模块和导航模块， 所述CAN总线连接CAN收发控制器， 所述CAN 说 明 书 1/4 页 3 CN 107094429 A 3 收发控制器分别连接转向驱动电机、 行进驱动电机、 丝杆步进电机和机械手爪驱动电机； 所 述CAN总线双向信号连接信号采集模块， 所述信号采集模块输入端分别连接第一摄像头、 光 电距离传感器、 第二摄像头和导航模块。 0007 优选的， 所述前置导向轮采用工业橡胶定向轮， 所述后置动力轮采用12V大扭矩直 流电机驱动的麦克纳姆轮。 0008 优选的， 所述第二摄像头采用RER-USBFHDO1镜头。 0009 优选的， 所述三轴丝杆滑台的升降高度为。

12、100cm-160cm。 0010 优选的， 所述总线控制系统还连接工控机， 所述工控机上设有触摸显示屏。 0011 与现有的技术相比， 本发明的有益效果是： 本发明结构设计新颖， 操作方便， 能够 实现对水果的自动识别和采摘， 降低果农的劳动强度、 提高劳动生产率、 降低生产成本、 保 证果实及时采收、 保证果品质量， 而且对于促进我国农业科技进步， 加速我国农业现代化进 程有着重大的现实意义； 本发明中采用的摄像头自动对焦马达镜头采集水果颜色信息， 通 过图像颜色矩阵处理识别水果的成熟度， 可控的区分水果的可采与不可采设计， 使得多轴 水果采摘机器人能更好的满足果园主对采摘水果效果的意愿；。

13、 另外， 本发明中， 前置导向轮 和后置驱动轮形成三轮机构能够更好地适应各种复杂的果园地理环境地面， 减少许多移动 过程中物理因素的干涉， 提高工作效率。 附图说明 0012 图1是本发明主视图； 0013 图2是本发明侧视图； 0014 图3是本发明俯视图； 0015 图4为本发明的控制原理框图； 0016 图5为本发明的水果识别流程图； 0017 图6为本发明的整体控制流程图。 具体实施方式 0018 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 0019 如图1、 图2、 图3、 涂4、 图5、 图6所示， 一种多轴水果采摘机器人， 包括底部支架1、 机 械执行系统和总线控制系统。

14、， 所述底部支架1上设有前置导向轮2和后置动力轮3， 前置导向 轮2采用工业橡胶定向轮， 所述后置动力轮3采用12V大扭矩直流电机驱动的麦克纳姆轮。 该 轮橡胶轮面以及多向移动的特点可以提高多轴水果采摘机器人底盘的抓地力和实时进行 方向的移动， 便于减少执行控制系统指令的反应时间， 以适应更为狭窄的果园环境； 且所述 前置导向轮2电性连接转向驱动电机4， 所述后置动力轮3电性连接行进驱动电机5， 所述机 械执行系统包括固定支架6、 三轴丝杆滑台7、 丝杆步进电机8和机械手爪9， 所述固定支架6 固定在底部支架1上， 所述三轴丝杆滑台7固定在固定支架6内， 三轴丝杆滑台7的升降高度 为100cm。

15、-160cm； 所述三轴丝杆滑台7上固定有竖向丝杆10、 直线导轨11和碳纤维杆12， 所述 直线导轨11设置在竖向丝杆10两侧， 所述固定支架6上底部还设有横向丝杆13， 所述竖向丝 杆10和横向丝杆13均通过中间轴连接联轴器连接丝杆步进电机8； 所述碳纤维杆12前端固 定安装有机械手爪9， 且所述机械手爪9电性连接机械手爪驱动电机14； 所述固定支架6顶部 说 明 书 2/4 页 4 CN 107094429 A 4 设置第一摄像头15和光电距离传感器16， 所述底部支架1前端设置第二摄像头17； 第二摄像 头17采用RER-USBFHDO1镜头。 0020 本发明中， 总线控制系统电性连。

16、接机械执行系统， 所述总线控制系统包括CAN总线 18、 CAN收发控制器19、 信号采集模块20和导航模块21， 所述CAN总线18连接CAN收发控制器 19， 所述CAN收发控制器19分别连接转向驱动电机4、 行进驱动电机5、 丝杆步进电机8和机械 手爪驱动电机14； 所述CAN总线18双向信号连接信号采集模块20， 所述信号采集模块20输入 端分别连接第一摄像头15、 光电距离传感器16、 第二摄像头17和导航模块21； 总线控制系统 还连接工控机22， 所述工控机22上设有触摸显示屏。 第一摄像头实时捕捉果园路况标志， 经 图像处理后传至控制系统中心， 由CAN总线控制根据程序设定的算。

17、法程序使舵机转向有停 靠标志的待采摘果树， 再驱动后轮大扭矩动力电机行进。 0021 工作原理： 水果识别方法包括以下步骤： 待摘水果信号采集： 摄物体的图像经过镜 头聚焦至CCD芯片上， CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷， 各个像素积累的电荷在视频 时序的控制下， 逐点外移， 经滤波、 放大处理后， 形成视频信号输出， 再处理得到的视频信 号， 采集特有的标志物信息， 再进行相应的回馈指令； 水果识别： 针对传统的Canny操作数进 行柑橘边缘检测存在假边缘的同时还会丢失灰度值变化缓慢的局部边缘问题， 本发明根据 柑橘图像边缘梯度特征信息， 提出了利用信息熵来自适应确定Canny操作数的。

18、高、 低阈值。 自我调整Canny操作数比传统的边缘检测方法得到的边缘连通性好， 定位精度高， 抗噪性能 强， 同时该方法提高了柑橘边缘检测的自动化程度； 待采果实的边缘识别自适应算法设计： 在水果识别的过程中如何得到清晰标准的图像是保证采摘的重要前提， 基于传统的边缘识 别算法， 得到的图像噪点多， 不好判断， 故采用自适应carry算子算法处理。 操作数算法设 计， 其步骤如下： 用高斯滤波器平滑图像； 用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方 向； 对梯度值进行非极大值抑制； 用双阈值算法检测和连接边缘。 0022 经过以上对图像处理流程， 可以得到较清晰图像， 同时拥有以下好处： 低错。

19、误率: 标识出尽可能多的实际边缘， 同一时候尽可能的降低噪声产生的误报； 高定位性:标识出的 边缘要与图像中的实际边缘尽可能接近； 最小回应:图像中的边缘仅仅能标识一次， 而且可 能存在的图像噪声不应标识为边缘。 0023 采摘原理： 轮式移动平台可根据摄像头和的数据信息实现导航， RER-USBFHDO1镜 头实时捕捉果园路况， 按规划好的路径前进， 当镜头采集到果树标志信息， 传输到控制端， 根据信息发出指令， 于待采摘的果树前适当位置停靠； 由第一摄像头采集视野内果实信息， 由近到远进行排序， 以不同成熟度的果实颜色的不同将得到不同的像素矩阵， 再以经过大 量训练后得出的果实成熟度颜色与。

20、当前视野最近距离果实果色像素矩阵进行比对， 得出是 否可以进行采摘行为信息； 若满足采摘要求则通知总线控制中心发出定位指令， 根据视野 信息得到待采水果三维坐标信息， 釆摘机械手爪旋转至各个图像采集位姿， 机械臂末端关 节处的第二摄像机采集果树果实图像， 保存果实中心点在摄像机坐标系下的空间位置坐 标， 然后再由工控机将果实中心点坐标换算到机械手爪的基坐标系下。 完成坐标换算后， 工 控机再对机械臂采摘路径进行规划和运动学求解。 当机械手爪运动至目标位姿， 驱动直流 丝杆电机架构的三轴定位工作台进行定位功能， 在采摘距离到达一定距离后由光电距离传 感器红外线漫反射进行衡量， 达到定位要求则输送。

21、信号给控制端， 驱动采摘机构实施采摘 行为， 当果实与树枝分离时， 机械手爪驱动电机工作， 当末端执行器运动至果实收集管道 说 明 书 3/4 页 5 CN 107094429 A 5 时， 机械手爪自动张开， 果实通过收集管道滑落到收集箱内； 若不满足采摘要求， 则发送信 息到控制端， 开始下一个果实成熟度信息采集， 直至采完， 开始下一棵树的果实采集。 0024 本发明结构设计新颖， 操作方便， 能够实现对水果的自动识别和采摘， 降低果农的 劳动强度、 提高劳动生产率、 降低生产成本、 保证果实及时采收、 保证果品质量， 而且对于促 进我国农业科技进步， 加速我国农业现代化进程有着重大的现。

22、实意义； 本发明中采用的摄 像头自动对焦马达镜头采集水果颜色信息， 通过图像颜色矩阵处理识别水果的成熟度， 可 控的区分水果的可采与不可采设计， 使得多轴水果采摘机器人能更好的满足果园主对采摘 水果效果的意愿； 另外， 本发明中， 前置导向轮和后置驱动轮形成三轮机构能够更好地适应 各种复杂的果园地理环境地面， 减少许多移动过程中物理因素的干涉， 提高工作效率。 0025 以上显示和描述了本发明的基本原理、 主要特征和优点。 本行业的技术人员应该 了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。 说 明 书 4/4 页 6 CN 107094429 A 6 图1 说 明 书 附 图 1/5 页 7 CN 107094429 A 7 图2 说 明 书 附 图 2/5 页 8 CN 107094429 A 8 图3 图4 说 明 书 附 图 3/5 页 9 CN 107094429 A 9 图5 说 明 书 附 图 4/5 页 10 CN 107094429 A 10 图6 说 明 书 附 图 5/5 页 11 CN 107094429 A 11 。