一种多机械手串番茄采摘机器人及其采摘方法

摘要

本发明涉及一种多机械手串番茄采摘机器人及其采摘方法。该串番茄采摘机器人包括移动平台车、机械臂、末端执行器、视觉识别装置和控制模块；多个沿移动平台车的行进方向等间距布置的机械臂竖直地固接在升降机构的顶部平面上；所述末端执行器包括电动夹爪、摇杆、第一连杆、主夹持体、第二连杆、刀片和辅助夹持体；两个摇杆、第一连杆、第二连杆和电动夹爪内部的两个相互啮合的齿轮共同构成五连杆机构，实现对串番茄的包络。本发明结构简单、操作方便、成本低廉，采摘效率和成功率高，实现了对串番茄的整串采收，不损伤串番茄，降低了串番茄和主茎的损坏率。

说明书

技术领域

本发明属于智能农业机械技术领域，更具体地，涉及一种多机械手串番茄采摘机器人及其采摘方法。

背景技术

中国是鲜食番茄的生产和消费大国，种植面积达732600hm²，人均年消费量约21kg，其中串番茄因其营养丰富、食用方便、品种多样，在鲜食番茄消费总量中占重要地位。我国种植的串番茄在收获时基本上还是依靠手工来完成，其采摘作业量大，机械化水平低。目前国内外已经研究出了一些番茄采摘机器人，多是针对普通番茄进行采摘，对串番茄的采摘较少，主要原因是：1、串番茄成穗状生长，一串上有多个果实，采摘过程中容易造成果实脱落；2、串番茄生长姿态多样，现有的末端执行器适应性不强，采摘成功率低。

现有的采摘机器人行走机构多是轮式和履带式，而真实的地面环境非常复杂，容易造成车体摇晃，影响采摘成功率。

现有的视觉识别装置安装在平台车上，多是采用双目立体相机进行视觉识别，使得机械臂的移动空间变小，降低采摘效率。

现有的机械臂多是关节式的，成本高。

现有的采摘机器人多是单臂采摘，采摘效率低。

因此，研究一种多机械手串番茄采摘机器人，有助于提高串番茄的采摘效率和采摘成功率，对于保障未来鲜食番茄的安全供应和高效生产具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种多机械手串番茄采摘机器人，能够实现对被采摘串番茄的位置和果实个数进行精确判断，进而实现对串番茄进行精确采摘。若采摘过程中发生未采摘成功或漏采果实的情况，机械臂会进行二次采摘，提高采摘成功率。采摘时不损伤周围水果，能够很好地适应不同串番茄姿态进行采摘。

温室中串番茄生长环境复杂、空间狭小、果实数量多；相邻串番茄种植行之间的过道会铺设导轨，根据温室串番茄种植的这一特点，本发明的另一个目的是提供一种基于所述多机械手串番茄采摘机器人的采摘方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种多机械手串番茄采摘机器人包括移动平台车1、机械臂2、末端执行器3、视觉识别装置4和控制模块。

所述移动平台车1包括底部行走机构1-1、升降机构1-2和导航装置1-4；所述升降机构1-2固接在底部行走机构1-1的顶部平面上，所述导航装置1-4固接在底部行走机构1-1的前端。

多个沿移动平台车1的行进方向等间距布置的机械臂2竖直地固接在升降机构1-2的顶部平面上。

所述机械臂2包括滑块连接件2-3、同步带直线模组2-4、水平旋转台2-8和滚珠丝杠直线模组2-10。

其中，所述水平旋转台2-8固接在底部行走机构1-1的顶部平面上，所述水平旋转台2-8上具有一水平的圆盘2-7，所述滚珠丝杠直线模组2-10通过机械臂连接件2-9垂直地固接在水平旋转台2-8的圆盘2-7上。

所述同步带直线模组2-4通过滑块连接件2-3与滚珠丝杠直线模组2-10垂直接连；所述滑块连接件2-3能够在滚珠丝杠直线模组2-10上沿竖直方向滑动；同步带直线模组2-4能够在滑块连接件2-3上沿水平方向滑动。

所述末端执行器3包括电动夹爪3-2、摇杆3-4、第一连杆3-5、主夹持体3-7、第二连杆3-9、刀片3-10和辅助夹持体3-11。

所述电动夹爪3-2通过末端执行器连接件3-1安装在机械臂2的同步带直线模组2-4的朝向串番茄植株的一端；所述电动夹爪3-2包括两个分别与电动夹爪3-2本体内部的两个相互啮合的齿轮连接的夹爪，两个夹爪分别通过夹爪连接件3-8与摇杆3-4的后端固接，两个摇杆3-4的前端分别与第一连杆3-5的后端和第二连杆3-9的后端通过销轴连接，所述第一连杆3-5的前端与第二连杆3-9的前端通过销轴连接；两个摇杆3-4、第一连杆3-5、第二连杆3-9和电动夹爪3-2内部的两个相互啮合的齿轮共同构成五连杆机构，实现对串番茄的包络。

所述主夹持体3-7固接在第一连杆3-5的前部，所述刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7相对应地分别固接在第二连杆3-9的前部的上侧和下侧。

所述第一连杆3-5和第二连杆3-9的上端面分别设有第一压力传感器3-6和第二压力传感器3-12。

所述主夹持体3-7与番茄果梗的接触面设有第三压力传感器3-13。

所述视觉识别装置4包括深度相机4-1和相机连接件4-2，所述深度相机4-1通过相机连接件4-2安装在机械臂2的同步带直线模组2-4的朝向串番茄的一端。

所述控制模块与移动平台车1、机械臂2的水平旋转台2-8、滚珠丝杠直线模组2-10和同步带直线模组2-4、末端执行器3的电动夹爪3-2、第一压力传感器3-6、第二压力传感器3-12和第三压力传感器3-13以及视觉识别装置4连接。

所述水平旋转台2-8内置有零点开关；所述滚珠丝杠直线模组2-10设有用于设定初始位置的垂直轴零点开关2-2；所述同步带直线模组2-4设有用于设定初始位置的水平轴零点开关2-1。

所述滑块连接件2-3通过设置在滚珠丝杠直线模组2-10上部和下部的两个垂直轴限位开关2-6限制竖直方向的位移；同步带直线模组2通过设置在同步带直线模组2-4前部和后部的两个水平轴限位开关2-5限制水平方向的位移。

所述主夹持体3-7上设有与刀片3-10相对应的切断槽。

所述主夹持体3-7和辅助夹持体3-11的与番茄果梗的接触部分设有软垫层。

所述电动夹爪3-2上设置有限位块3-3，用于限制电动夹爪3-2的两个夹爪的张开角度。

所述升降机构1-2的顶部平面上沿移动平台车1的行进方向安装四个机械臂2，且机械臂2连接的末端执行器3左右交替地分别朝向左右两侧的串番茄植株。

所述底部行走机构1-1为导轨式行走机构，进一步包括果框支撑架1-3，所述果框支撑架1-3设置在升降机构1-2的左右两侧，用于悬挂果实收集装置5；所述果实收集装置5位于机械臂2的正下方。

一种利用所述的多机械手串番茄采摘机器人的串番茄采摘方法，该方法包括如下步骤：

采摘作业开始前，控制模块控制多个机械臂2定位于初始位姿；移动平台车1通过导航装置1-4沿非导轨路面铺设的导航线自主行走，到达相邻串番茄种植排之间的导轨上；

采摘作业开始，移动平台车1沿着导轨向前行走，并通过视觉识别装置4判断视野内是否有可采摘的串番茄，当发现有串番茄可以采摘时，移动平台车1停止前进；控制模块通过视觉识别装置4得到串番茄的位姿，并驱动机械臂2将末端执行器3运动到串番茄的底部，同时末端执行器3的电动夹爪3-2带动五连杆机构张开至最大状态，确保五连杆机构可以顺利包络串番茄果实，机械臂2的滚珠丝杠直线模组2-10向上运动带动末端执行器3向上包络串番茄，当第一连杆3-5的第一压力传感器3-6和/或第二连杆3-9上的第二压力传感器3-12碰到果梗时，机械臂2的滚珠丝杠直线模组2-10停止运动，机械臂2的同步带直线模组2-4向后移动一定距离，使果梗进入第一连杆3-5和第二连杆3-9前部的夹持和剪切区域；此时电动夹爪3-2带动五连杆机构闭合，刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7相互靠近，刀片3-10和切断槽配合切断果梗，根据主夹持体3-7设置的第三压力传感器3-13反馈的信号确定果梗是否被夹持：若未接收到反馈的信号，说明果实未被夹持，此时，五连杆机构张开，机械臂2按原路返回；若接收到反馈的信号，说明果实已被夹持；此时，机械臂2带动末端执行器3将果实放入果实收集装置中，一次采摘结束，机械臂2回到初始位姿。

一个机械臂2将采摘动作做完后，若发生未成功采到或者漏采的果实，同侧的另一个机械臂2会继续对该目标果实进行采摘，确保目标果实被成功采摘，通过移动平台车1底部的行走机构1-1移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明结构简单、操作方便、成本低廉。

本发明利用导轨式移动平台车，保证采摘过程车体的稳定性，不会出现大幅度的抖动，提高采摘的成功率。

本发明设计了圆柱型坐标式机械臂，降低机械臂的成本。

本发明根据串番茄的生长环境，提出多个机械臂联合进行采收，可以同时实现对两侧串番茄的采摘，提高采摘效率及成功率。

本发明将视觉识别装置安装在机械臂末端，采用深度相机获得串番茄的三维坐标信息和姿态信息，提高识别的准确性并增大机械臂的作业空间。

本发明通过末端执行器，实现对串番茄的整串采收，不损伤串番茄，降低了串番茄和主茎的损坏率。

附图说明

图1为本发明的多机械手串番茄采摘机器人的结构示意图；

图2为本发明的移动平台车1的结构示意图；

图3为本发明的机械臂2的结构示意图；

图4为本发明的末端执行器3的结构示意图；

图5为本发明的视觉识别装置4的结构示意图；

图6为本发明的采摘方法流程图。

其中的附图标记为：

1移动平台车 1-1行走机构

1-2升降机构 1-3果框支撑架

1-4导航装置 2机械臂

2-1水平轴零点开关 2-2垂直轴零点开关

2-3滑块连接件 2-4同步带直线模组

2-5水平轴限位开关 2-6垂直轴限位开关

2-7圆盘 2-8水平旋转平台

2-9机械臂连接件 2-10滚珠丝杠直线模组

3末端执行器 3-1末端执行器连接件

3-2电动夹爪 3-3限位块

3-4摇杆 3-5第一连杆

3-6第一压力传感器 3-7主夹持体

3-8夹爪连接件 3-9第二连杆

3-10刀片3-11辅助夹持体

3-12第二压力传感器3-13第三压力传感器

4视觉识别装置 4-1深度相机

4-2相机连接件 5果实收集装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种多机械手串番茄采摘机器人，包括移动平台车1、机械臂2、末端执行器3、视觉识别装置4、果实收集装置5和控制模块，其中：

如图2所示，所述移动平台车1包括底部行走机构1-1、升降机构1-2、果框支撑架1-3和导航装置1-4。所述升降机构1-2固接在底部行走机构1-1的顶部平面上，所述导航装置1-4固接在底部行走机构1-1的前端。所述底部行走机构1-1为导轨式行走机构，通过行走机构的车轮与相邻串番茄种植排之间的过道上铺设的导轨的紧密接触，使采摘机器人可以平稳地运行在导轨上。所述升降机构1-2的作用是通过升降调整机械臂2的高度，实现不同高度的采摘。所述果框支撑架1-3设置在升降机构1-2的左右两侧，用于悬挂果实收集装置5；所述导航装置1-4的作用是当串番茄采摘机器人在非导轨路面时，可以通过铺设在路面的导航线自主行走，将移动平台车1移动到导轨上。

多个沿移动平台车1的行进方向等间距布置的机械臂2竖直地固接在升降机构1-2的顶部平面上。如图3所示，所述机械臂2包括滑块连接件2-3、同步带直线模组2-4、水平旋转台2-8和滚珠丝杠直线模组2-10。

其中，内置有零点开关的水平旋转台2-8固接在底部行走机构1-1的顶部平面上，所述水平旋转台2-8上具有一水平的圆盘2-7，所述滚珠丝杠直线模组2-10通过机械臂连接件2-9垂直地固接在水平旋转台2-8的圆盘2-7上。

所述同步带直线模组2-4通过滑块连接件2-3与滚珠丝杠直线模组2-10垂直接连，其中，所述滑块连接件2-3能够在滚珠丝杠直线模组2-10上沿竖直方向滑动，并通过设置在滚珠丝杠直线模组2-10上部和下部的两个垂直轴限位开关2-6限制竖直方向的位移；同步带直线模组2-4能够在滑块连接件2-3上沿水平方向滑动，并通过设置在同步带直线模组2-4前部和后部的两个水平轴限位开关2-5限制水平方向的位移。

所述滚珠丝杠直线模组2-10设有用于设定初始位置的垂直轴零点开关2-2；所述同步带直线模组2-4设有用于设定初始位置的水平轴零点开关2-1。

如图4所示，所述末端执行器3包括电动夹爪3-2、限位块3-3、摇杆3-4、第一连杆3-5、主夹持体3-7、第二连杆3-9、刀片3-10和辅助夹持体3-11。

所述电动夹爪3-2通过末端执行器连接件3-1安装在机械臂2的同步带直线模组2-4的朝向串番茄植株的一端；所述电动夹爪3-2包括两个分别与电动夹爪3-2本体内部的两个相互啮合的齿轮连接的夹爪，两个夹爪分别通过夹爪连接件3-8与摇杆3-4的后端固接，两个摇杆3-4的前端分别与第一连杆3-5的后端和第二连杆3-9的后端通过销轴连接，所述第一连杆3-5的前端与第二连杆3-9的前端通过销轴连接；两个摇杆3-4、第一连杆3-5、第二连杆3-9和电动夹爪3-2内部的两个相互啮合的齿轮共同构成五连杆机构，实现对串番茄的包络。

所述主夹持体3-7通过螺栓固接在第一连杆3-5的前部，所述刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7相对应地分别通过螺栓固接在第二连杆3-9的前部的上侧和下侧，当电动夹爪3-2的两个夹爪相互靠近时，刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7相互靠近。

所述第一连杆3-5和第二连杆3-9的上端面分别设有第一压力传感器3-6和第二压力传感器3-12，用于在末端执行器3上升过程中感应番茄果梗的位置，以便使机械臂2停止运行，准备采摘。

所述主夹持体3-7与番茄果梗的接触面设有第三压力传感器3-13，用来判断番茄果梗是否被夹持住。

优选地，所述主夹持体3-7上设有与刀片3-10相对应的切断槽，便于刀片3-10切断果梗。

优选地，所述主夹持体3-7和辅助夹持体3-11的与番茄果梗的接触部分设有软垫层，增加夹持果梗的摩檫力。

所述限位块3-3设置在电动夹爪3-2上，用于限制电动夹爪3-2的两个夹爪的张开角度，进而使刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7每次以固定角度张开。未装限位块3-3时，电动夹爪3-2的两个夹爪可以张开180度，加上限位块3-3后，两个夹爪可以张开的角度为60度。

如图5所示，所述视觉识别装置4包括深度相机4-1和相机连接件4-2，所述深度相机4-1通过相机连接件4-2安装在机械臂2的同步带直线模组2-4的朝向串番茄的一端，用于识别和定位串番茄。

所述果实收集装置5设置在移动平台车1的支撑架1-3上、机械臂2的正下方，用于收集果实。

所述控制模块与移动平台车1、机械臂2的水平旋转台2-8、滚珠丝杠直线模组2-10和同步带直线模组2-4、末端执行器3的电动夹爪3-2、第一压力传感器3-6、第二压力传感器3-12和第三压力传感器3-13，以及视觉识别装置4连接。

优选地，所述升降机构1-2的顶部平面上沿移动平台车1的行进方向安装四个机械臂2，且机械臂2连接的末端执行器3左右交替地分别朝向左右两侧的串番茄植株，通过四个机械臂2的协同工作，实现对两侧串番茄的高效采摘。

一种基于所述多机械手串番茄采摘机器人的串番茄采摘方法，包括如下步骤：

采摘作业开始前，控制模块控制多个机械臂2通过水平轴限位开关2-5、垂直轴限位开关2-6和水平旋转台2-8的内置零点开关定位于初始位姿；移动平台车1通过导航装置1-4沿非导轨路面铺设的导航线自主行走，到达相邻串番茄种植排之间的导轨上；

采摘作业开始，移动平台车1沿着导轨向前行走，并通过视觉识别装置4判断视野内是否有可采摘的串番茄，当发现有串番茄可以采摘时，移动平台车1停止前进；控制模块通过视觉识别装置4得到串番茄的位姿，并驱动机械臂2将末端执行器3运动到串番茄的底部，同时末端执行器3的电动夹爪3-2带动五连杆机构张开至最大状态，确保五连杆机构可以顺利包络串番茄果实，机械臂2的滚珠丝杠直线模组2-10向上运动带动末端执行器3向上包络串番茄，当第一连杆3-5的第一压力传感器3-6和/或第二连杆3-9上的第二压力传感器3-12碰到果梗时，机械臂2的滚珠丝杠直线模组2-10停止运动，机械臂2的同步带直线模组2-4向后移动一定距离，使果梗进入第一连杆3-5和第二连杆3-9前部的夹持和剪切区域；此时电动夹爪3-2带动五连杆机构闭合，刀片3-10和辅助夹持体3-11与主夹持体3-7相互靠近，刀片3-10和切断槽配合切断果梗，根据主夹持体3-7设置的第三压力传感器3-13反馈的信号确定果梗是否被夹持：若未接收到反馈的信号，说明果实未被夹持，此时，五连杆机构张开，机械臂2按原路返回，这样可以保证不会伤到串番茄的主茎和果实；若接收到反馈的信号，说明果实已被夹持。此时，机械臂2带动末端执行器3将果实放入果实收集装置5中，一次采摘结束，机械臂2回到初始位姿。

实际的采摘作业时，左右两侧机械臂2同时工作，对两侧的串番茄果实同时进行采摘。

一个机械臂2将采摘动作做完后，若发生未成功采到或者漏采的果实，同侧的另一个机械臂2会继续对该目标果实进行采摘，确保目标果实被成功采摘，通过移动平台车1底部的行走机构1-1移动一定距离继续采摘，直到将全部水果采摘完成。