基于树莓派的草莓采摘机器人.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 202010573112.1 (22)申请日 2020.06.23 (71)申请人 王孟超 地址 272100 山东省济宁市中御桥北路136 号 (72)发明人 王孟超杨家宝李隆基马敬东 王超 (51)Int.Cl. A01D 46/30(2006.01) G06T 7/70(2017.01) G06K 9/00(2006.01) G06K 9/34(2006.01) F16M 11/42(2006.01) B25J 11/00(2006.01) B25J 9/16(2006.0。

2、1) G05D 1/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于树莓派的草莓采摘机器人 (57)摘要 本发明提供了一种基于树莓派的草莓采摘 机器人， 属于农业收获机械技术领域， 该采摘机 器人包括移动平台模块、 坐标式机械臂模块、 采 摘机构模块、 控制模块、 视觉模块， 所述移动平台 模块位于采摘机器人最下层， 用于实现采摘机器 人在草莓大棚内的行进； 所述坐标式机械臂模块 置于底盘上方偏左侧， 用于使采摘机构模块靠近 成熟草莓果实； 所述采摘机构模块置于坐标式机 械臂模块上， 用于采摘草莓果实； 所述控制模块 和视觉模块都置于底盘上， 视觉模块用于采集草 莓图像， 控制模块用于进行图。

3、像处理和采摘机器 人运动控制； 实现机器人在草莓大棚内全自动运 行， 识别定位并采摘成熟草莓。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 111684924 A 2020.09.22 CN 111684924 A 1.一种基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 包括移动平台模块、 坐标式机械臂 模块、 采摘机构模块、 控制模块、 视觉模块； 所述移动平台模块组成部分包括(15)橡胶轮子、 (11)底盘、 (10)步进电机及支架， 用于 机器人的行进与停止； 所述坐标式机械臂模块包括(1)Y向微型丝杠滑台和(7)Z向微型丝杠滑台， 用于使采摘 机构靠近成熟草莓果实； 所述采摘机构模块包括(。

4、2)连接板及步进电机、 (3)中间支撑板、 (4)粘有刀片的采摘 爪、 (5)下支撑板、 (6)上支撑板组成， 用于采摘草莓； 所述控制模块包括(9)树莓派和(12)步进电机驱动器， 用于处理草莓图像， 定位草莓坐 标并控制相应步进电机运行； 所述视觉模块包括(14)相机支架和(13)单目相机， 用于采集草莓果实图像。 2.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 所述视觉模块， 首先是拍摄采集草莓果实图像， 随后将图像传至树莓派进行图像处理， 先进行图像分割， 依 据的是HSV颜色模型中的红色分量， 设置红色分量上下阈值来对采集到的草莓果实图像进 行分割， 提取红色区域。

5、， 从而识别出成熟的红色草莓果实， 随后对图像进行开运算、 闭运算 去除噪声等干扰， 再进行Hough圆变换定位图像中的果实坐标， 再进行坐标系变换， 得到果 实的实际坐标。 3.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 图像分割方法 为： 在HSV颜色模型下提取图像中的红色分量， 而去除其他部分， 识别出成熟的红色草莓果 实。 4.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 所述移动平台模 块采用4个步进电机驱动的橡胶轮胎。 5.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 所述的采摘机构 模块通过(2)连接板及步进电机与(1)Y向。

6、微型丝杠滑台相连接， (2)连接板及步进电机同时 控制(4)粘有刀片的采摘爪的开闭。 6.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于： 所述坐标式机械 臂模块通过两个微型丝杠滑台， 实现采摘机构模块在三维空间中Z向和Y向移动。 7.根据权利要求2所述的基于机器视觉的草莓采摘机器人， 其特征在于： 采用树莓派进 行图像处理和整体运行控制。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111684924 A 2 一种基于树莓派的草莓采摘机器人 技术领域 0001 本发明涉及一个成熟草莓识别采摘装置， 属于农业收获机械技术领域。 背景技术 0002 目前我国农业发展迅速， 往自动化、 智能化。

7、方向发展。 针对地里的农作物， 现已有 着许多农业机械， 辅助农民进行农作物的播种、 种植、 收获等等。 而针对较为脆弱娇嫩的水 果， 目前大多还是采用的人工集中采摘， 即在果实的收获期采用大量工人进行手工采摘收 获和运输。 因此， 针对各类果实的采摘收获， 多所大学、 研究所和多家公司都曾研究设计过 果实采摘机器人， 来帮助果农快速采摘收获果实， 减少人工成本， 降低工人劳作强度。 同时， 高温大棚已经成为了水果蔬菜种植业的主流种植方法,尤其是草莓的种植。 大棚使草莓的 生长环境更加可控可调， 更利于草莓的种植生长。 在草莓的收获时节到来时， 往往需要在短 时间内将成熟的草莓及时采摘下来， 。

8、并加以良好的储存。 而一个大棚往往种植有很多亩草 莓， 并且农户同时拥有许多个大棚。 因此收获时节的采摘工作量是比较大的。 但是高温大棚 中的湿度和温度较高， 超过人体较为适应的温度和湿度， 因此人们无法做到连续工作很长 时间。 而在高温大棚中， 草莓是高速生长的， 如果劳动力不足导致无法及时采摘， 由于大棚 内的高温高湿度， 会使果实很容易烂掉， 造成不必要的损失。 所以通常采摘时， 需要许多工 人共同劳作， 并且由于草莓植株高度较低， 工人们都需要弯着腰、 背着筐、 忍受着不舒适的 环境采摘成熟草莓果实很长时间。 以上这些目前的实际采摘情况， 为进行以机代人采摘草 莓提供了前提条件。 00。

9、03 目前， 草莓采摘机器人在功能性上有一定程度的发展， 但距离实际使用还有一定 的差距， 因此本项目设计了一种高度自动化， 结构简单， 工作效率高的草莓采摘机器人。 发明内容 0004 针对现有大棚草莓的实际采摘需求， 本发明设计了一种基于树莓派的草莓采摘机 器人， 实现草莓大棚内自主行进、 自动识别及定位成熟草莓果实、 自动采摘成熟草莓果实功 能， 能代替人工更加高效及时地进行成熟草莓的采摘收获。 0005 为达到上述发明目的， 本发明采用以下技术方案： 0006 一种基于树莓派的草莓采摘机器人， 其特征在于， 包括移动平台模块、 坐标式机械 臂模块、 采摘机构模块、 控制模块、 视觉模块。

10、； 0007 所述移动平台模块位于采摘机器人最底端， 负责采摘机器人的行进， 同时承载采 摘机器人的其他部件； 0008 所述坐标式机械臂模块安装于移动平台上方偏左侧， 用于使采摘机构靠近成熟草 莓果实； 0009 所述采摘机构模块安装于坐标式机械臂Y向机械臂上， 用于完成草莓采摘； 0010 所述控制模块置于移动平台上方， 用于处理草莓图像， 识别定位成熟草莓并控制 步进电机运行； 说明书 1/4 页 3 CN 111684924 A 3 0011 所述视觉模块安装于移动平台上， 用于拍摄采集草莓图像。 0012 进一步地， 所述视觉模块， 首先是拍摄采集草莓果实图像， 随后将图像传至树莓派。

11、 进行图像处理， 先进行图像分割， 依据的是HSV颜色模型中的红色分量， 设置红色分量上下 阈值来对采集到的草莓果实图像进行分割， 提取红色区域， 从而识别出成熟的红色草莓果 实， 随后对图像进行开运算、 闭运算去除噪声等干扰， 再进行Hough圆变换定位图像中的果 实坐标， 再进行坐标系变换， 得到果实的实际坐标。 0013 进一步地， 所述移动平台模块采用4个步进电机驱动的橡胶轮胎。 0014 进一步地， 所述采摘机构模块由连接板、 步进电机、 中间支撑板、 粘有刀片的采摘 爪、 下支撑板、 上支撑板组成。 0015 进一步地， 所述的采摘机构模块通过连接板与Y向微型丝杠滑台相连接， 通过。

12、步进 电机控制粘有刀片的采摘爪的开闭， 实现采摘动作。 0016 本发明的有益效果是： 0017 本发明提出采用步进电机控制的橡胶轮胎作为行走机构， 实现装置X方向的行进， 精度较高； 0018 本发明提出了HSV颜色模型下根据红色量设定阈值的具体的图像分割方法， 该方 法可以高效率的提取出图像中的红色部分， 去除掉其他颜色部分， 实现成熟红色草莓果实 的准确识别； 0019 本发明提出基于Hough圆变换的草莓果实定位策略， 实现对成熟草莓果实的定位。 0020 本发明提出了一种特殊的坐标式机械臂设计， 该机械臂仅有Z向Y向两向移动， 而X 向简化为通过移动平台实现， 降低了机械臂的结构复杂。

13、程度， 简化了机械臂的控制难度。 0021 本发明提出使用树莓派作为主控制器， 对视觉模块采集到的图像进行处理， 对移 动平台、 坐标式机械臂和采摘机构进行运动控制， 使采摘机器人结构更加精简小巧。 附图说明 0022 图1是本发明所述草莓采摘机器人的结构图。 0023 图2是本发明所述草莓采摘机器人另一个视角下的结构图。 0024 图3为本发明所述草莓采摘机器人的控制系统接线图。 0025 图4是本发明所述草莓采摘机器人的硬件原理图。 0026 图5是本发明所述草莓采摘机器人的采摘工作流程图。 0027 图中： 0028 1-Y向微型丝杠滑台， 2-连接板及步进电机， 3-中间支撑板， 4-。

14、粘有刀片的采摘爪， 5-下支撑板， 6-上支撑板， 7-Z向微型丝杠滑台， 8-直流移动电源， 9-树莓派， 10.步进电机及 支架11.底盘， 12.步进电机驱动器， 13-单目相机， 14-相机支架， 15-橡胶轮子。 具体实施方式 0029 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明， 但本发明的保护范围并 不限于此。 0030 本发明所述的基于树莓派的草莓采摘机器人， 主要分为机械结构和电控部分， 所 述机械结构包括移动平台模块、 坐标式机械臂模块、 采摘机构模块， 如图1所示。 所述移动平 说明书 2/4 页 4 CN 111684924 A 4 台模块包括橡胶轮子15、 底盘。

15、11、 步进电机及支架10， 具体的， 在底盘11上安置有4个步进电 机及支架10， 驱动4个橡胶轮子15， 移动平台模块结构简单， 便于控制， 位移精度高。 0031 坐标式机械臂模块用于使采摘机构模块靠近草莓果实， 采摘机构模块用于完成采 摘动作。 具体的， 通过连接板及步进电机2， 使采摘机构模块固定于坐标式机械臂模块中的Y 向微型丝杠滑台1的滑块上， 坐标式机械臂模块固定于底盘的上方偏左部分， 由Y向微型丝 杠滑台1和Z向微型丝杠滑台7的运动来使采摘机构模块靠近草莓果实， 粘有刀片的采摘爪4 由一个步进电机驱动控制开合， 实现采摘草莓的功能。 0032 所述的粘有刀片的采摘爪4采用不完。

16、全齿轮结构， 步进电机带动一侧采摘爪运动， 通过不完全齿轮的啮合使另一侧采摘爪进行相应的对侧运动， 实现整个采摘爪的开合， 从 而使其上粘附的刀片闭合剪断草莓果实与茎的连接， 实现采摘。 所述采摘机构模块包括连 接板及步进电机2、 中间支撑板3、 粘有刀片的采摘爪4、 下支撑板5、 上支撑板6组成。 0033 如图4所示， 所述电控部分包括树莓派、 步进电机驱动器、 单目摄像头、 步进电机。 所述视觉模块包括相机支架14和单目相机13， 置于底盘11上方左侧边缘， 用来拍摄采集草 莓图像， 并将草莓图像传输至树莓派进行图像处理。 所述步进电机及步进电机驱动器置于 底盘11上方， 用于驱动采摘机。

17、器人行进， 驱动机械臂运行和驱动采摘爪开合。 0034 所述树莓派安装在底盘11上， 与各个步进电机驱动器、 单目相机13相连， 用于接收 单目相机13传输来的草莓图像， 进行图像处理识别定位成熟草莓果实， 并控制步进电机进 行相应运动。 0035 采用单目相机进行拍摄， 完成草莓图像的采集， 并将图像传输至树莓派进行图像 处理。 树莓派首先对图像依据HSV颜色模型根据红色分量设定阈值从而进行图像分割， 提取 红色区域， 去除掉其他区域， 完成草莓图像的分割， 实现草莓果实的识别； 随后对分割后的 图像进行开运算和闭运算去除各种噪声干扰， 再进行Hough圆变换拟合定位草莓果实在相 机坐标系下。

18、的坐标位置， 并通过坐标系变换得到世界坐标系下草莓果实的实际坐标， 实现 成熟草莓果实的定位。 0036 图3所示为基于树莓派的草莓采摘机器人的控制系统接线图， 具体展示了该草莓 采摘机器人的整体接线方法， 其中， 步进电机驱动器采用共阳接法， 单目相机直接连接树莓 派上预留的USB接口。 0037 该基于树莓派的草莓采摘机器人的整体工作流程如图5所示， 该机器人于大棚内 通过移动平台行进， 并通过单目相机不断拍摄采集图像， 并传输至树莓派进行图像处理， 若 未检测到存在红色成熟草莓果实， 则该采摘机器人继续向前行进， 当识别出存在红色成熟 草莓果实时， 该采摘机器人停止行进， 根据定位的成熟。

19、红色草莓坐标分别控制坐标式机械 臂的Y向和Z向微型丝杠滑台运转， 使采摘机构模块靠近成熟草莓果实， 随后控制采摘爪开 合剪断草莓果实与茎的连接， 实现草莓果实的采摘， 随后坐标式机械臂回归原位， 采摘机器 人继续向前行进， 重复该工作流程。 0038 本发明是一种基于树莓派的草莓采摘机器人， 属于农业收获机械技术领域。 针对 大棚草莓的采摘收获， 采用了树莓派作为总控制器进行图像处理和机器人运动控制， 采用 了HSV颜色模型识别成熟草莓， 采用了Hough圆变换方法定位草莓果实， 采用了特殊的坐标 式机械臂和采摘爪， 共同完成本发明的目的， 具有结构简单， 控制简单， 高自动化， 高采摘效 率的优点。 说明书 3/4 页 5 CN 111684924 A 5 0039 所述实施例为本发明的优选的实施方式， 但本发明并不限于上述实施方式， 在不 背离本发明的实质内容的情况下， 本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、 替换 或变型均属于本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 111684924 A 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 111684924 A 7 图3 图4 说明书附图 2/3 页 8 CN 111684924 A 8 图5 说明书附图 3/3 页 9 CN 111684924 A 9 。