草莓采摘机器人精准采摘执行机构及垄作草莓采摘机器人

摘要

本发明属于农业机械领域，涉及一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构以及一种垄作草莓采摘机器人。草莓采摘机器人精准采摘执行机构包括混合坐标式运动装置、与所述混合坐标式运动装置相连接的机械爪装置以及固定所述混合坐标式运动装置的支撑连接装置。该采摘执行机构结构简单、体积紧凑、操作灵活，机器成本低，不仅能适应不同栽培模式的垄作草莓采摘，并且能够多方位采摘不同方向不同位置的草莓。垄作草莓采摘机器人包括：包括所述草莓采摘机器人精准采摘执行机构(101)的精密采摘收纳装置以及大范围移动支撑装置，其能够实现垄作草莓的连续采摘。

说明书

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及一种草莓采摘机器人精准采摘执 行机构以及一种垄作草莓采摘机器人，其能够实现垄作草莓的自动采 摘。

背景技术

目前，草莓的收获完全依靠人工采摘，劳动强度大、效率低，既 耗费了大量的人力，也浪费了较多的时间。国内外学者一直都在寻找 机械化、自动化的草莓收获方法。然而，由于草莓柔软多汁，容易受 伤，且外形独特，实现机械化收获具有一定的难度。

我国一般在日光温室中进行垄作草莓的栽培。并且，为了充分利 用光能，有利于草莓生长，畦垄方向一般与温室长度方向垂直，即与 温室宽度方向一致。但由于垄作栽培的草莓的垄沟狭窄，果实吊挂位 置比较低矮，因而垄作栽培草莓果实的采摘要求机械体须小巧灵活。 日本研发了用来采收草莓果实平铺于地垄表面的机器人装置，然而其 采收方式不能用于我国日光温室垄作草莓果实采摘，并且结构比较复 杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供了一种草莓采摘机器人 精准采摘执行机构，该机构能够在水平、竖直、纵深三个方向做精密 导航运动，末端机械爪可做旋转运动并调节倾斜角度，在图像等信息 反馈设备的辅助下能够精确定位夹持并剪切目标草莓果柄。

本发明的另一个目的是提供了一种针对垄作草莓栽培方式进行果 实采摘的垄作草莓采摘机器人，其能够准确、平稳、高效地实现垄作 草莓的连续采摘。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其特征在于：所述机构 包括混合坐标式运动装置、与所述混合坐标式运动装置相连接的机械 爪装置以及固定所述混合坐标式运动装置的支撑连接装置。

所述混合坐标式运动装置包括水平运动单元、竖直运动单元、旋 转运动单元、俯仰调节单元以及纵深运动单元，其中：

所述水平运动单元包括水平运动单元电机1、水平运动单元导轨- 丝杠模组2、水平运动单元滑块3以及水平运动单元第一传感器固定板 4a、水平运动单元第二传感器固定板4b，其中，水平运动单元电机1 通过连轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组2的一端连接，水平运动单 元滑块3可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组2上，水平运动 单元第一传感器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b固定连 接在水平运动单元导轨-丝杠模组2的一侧的两端；

所述竖直运动单元包括竖直运动单元电机5、竖直运动单元导轨- 丝杠模组6、竖直运动单元滑块7以及竖直运动单元第一传感器固定板 8a、竖直运动单元第二传感器固定板8b，其中，竖直运动单元电机5 通过连轴器与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一端连接，竖直运动单 元滑块7可滑动地连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组6上，竖直运动 单元第一传感器固定板8a、竖直运动单元第二传感器固定板8b连接在 竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一侧的两端；

所述旋转运动单元包括旋转运动单元电机9、框架法兰10，其中， 旋转运动单元电机9的机身与框架法兰10的一侧固定连接，旋转运动 单元电机9的电机轴与框架法兰10另一侧的圆孔保持同轴；

所述俯仰调节单元包括传动连接轴11、一侧开有弧形长孔15的俯 仰支撑架12、固定销钉13以及活动销钉14，其中，固定销钉13穿过 俯仰支撑架12的下部固定连接传动连接轴11与俯仰支撑架12，活动 销钉14通过弧形长孔15连接传动连接轴11与俯仰支撑架12；

所述纵深运动单元包括纵深运动单元电机16、纵深运动单元导轨- 丝杠模组17、纵深运动单元滑块18以及纵深运动单元传感器固定板 19，其中，纵深运动单元电机16与纵深运动单元导轨-丝杠模组17连 接，纵深运动单元滑块18可滑动地连接在纵深运动单元导轨-丝杠模组 17上，纵深运动单元导轨-丝杠模组17的一侧连接有纵深运动单元传 感器固定板19；

所述水平运动单元滑块3和竖直运动单元滑块7固定连接，旋转 运动单元通过其上的框架法兰10与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的下 端固定连接，俯仰调节单元的传动连接轴11穿过框架法兰10上的圆 孔与旋转运动单元电机9的电机轴连接，纵深运动单元滑块18与俯仰 支撑架12的底部固定连接，且通过调节活动销钉14在弧形长孔15中 的位置可间接调节纵深运动单元的倾斜角度。

所述机械爪装置包括平行气爪20、第一气爪滑块21、第二气爪滑 块22、第一机械指23、第二机械指24、刀片25、第一指间物体感应 传感器固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27、摄像头固定块 28以及摄像头29，其中，第一气爪滑块21、第二气爪滑块22分别可 滑动地连接在平行气爪20上，第一机械指23、第二机械指24的一端 分别与第一气爪滑块21、第二气爪滑块22固定连接，且第一机械指 23、第二机械指24的另一端分别固定连接第一指间物体感应传感器固 定块26、第二指间物体感应传感器固定块27，且第一机械指23上还 固定连接了刀片25，摄像头固定块28与平行气爪20的下部固定连接， 摄像头29固定在摄像头固定块28上，所述平行气爪20固定连接纵深 运动单元导轨-丝杠模组17的一端。

所述支撑连接装置包括第一连接杆30a、第二连接杆30b、支撑框 31、控制箱32，其中，第一连接杆30a和第二连接杆30b固定连接在 支撑框31底部，控制箱32固定连接在支撑框31上部，所述水平运动 单元导轨-丝杠模组2的两端与支撑连接装置的第一连接杆30a、第二 连接杆30b固定连接。

所述垄作草莓采摘机器人包括：精密采摘收纳装置以及大范围移 动支撑装置；

所述精密采摘收纳装置包括如权利要求1-4所述的草莓采摘机器 人精准采摘执行机构101，一端固定连接在草莓采摘机器人精准采摘执 行机构101上、另一端分别与第三收纳连杆104、第四收纳连杆105固 定连接的第一收纳连接杆102、第二收纳连接杆103，固定连接在第三 收纳连杆104、第四收纳连杆105上的收纳托盘106，与草莓采摘机器 人精准采摘执行机构101的支撑连接装置固定连接的第一直线滑块 107a、第二直线滑块107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d， 通过行走电机法兰108与草莓采摘机器人精准采摘执行机构101固定 连接的行走电机109，以及与行走电机109的电机轴固连，在行走电机 109的带动下转动的行走齿轮110；

大范围移动支撑装置包括框架111，平行放置在框架111上且与框 架111固定连接的第一导轨112a、第二导轨112b，以及布置在框架111 内侧的齿条113；

其中，精密采摘收纳装置通过第一直线滑块107a、第二直线滑块 107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d与大范围移动支撑装置 的第一导轨112a、第二导轨112b连接，行走齿轮110与齿条113啮合， 在行走电机109的带动下，精密采摘收纳装置在大范围移动支撑装置 上移动。

所述框架111的下端安装有4个行走轮，该行走轮的朝向垂直于 草莓垄的方向。

所述框架111的下端安装有4个行走轮，该行走轮的朝向平行于 草莓垄的方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其能够实 现水平、竖直、纵深三个方向做精密导航运动，末端机械爪可做旋转 运动并调节倾斜角度，在图像等信息反馈设备的辅助下能够精确定位 夹持并剪切目标草莓果柄，实现草莓果实的准确采摘；并且由于草莓 采摘机器人精准采摘机构能够在大范围垄沟平行移动支撑装置上的移 动、以及大范围垄沟平行移动支撑装置的移动，从而实现垄作草莓果 实的连续采摘。

附图说明

图1为本发明草莓采摘机器人精准采摘执行机构示意图；

图2为混合坐标式运动装置示意图；

图3为水平运动单元示意图；

图4为竖直运动单元示意图；

图5为旋转运动单元示意图；

图6为俯仰调节单元示意图；

图7为纵深运动单元示意图；

图8为机械爪装置示意图一；

图9为机械爪装置示意图二；

图10为支撑连接装置示意图；

图11为本发明的垄作草莓采摘机器人整体机构示意图；

图12为精密采摘收纳装置；

图13为行走电机、行走法兰、行走齿轮示意图；

图14为大范围移动支撑装置示意图。

附图标记

1     水平运动单元电机          2     水平运动单元导轨-丝杠模组

3     水平运动单元滑块

4a    水平运动单元第一传感器固定板

4b    水平运动单元第二传感器固定板

5     竖直运动单元电机          6     竖直运动单元导轨-丝杠模组

7     竖直运动单元滑块

8a    竖直运动单元第一传感器固定板

8b    竖直运动单元第二传感器固定板

9     旋转运动单元电机          10    框架法兰

11    传动连接轴                12    俯仰支撑架

13    固定销钉                  14    活动销钉

15    弧形长孔                  16    纵深运动单元电机

17    纵深运动单元导轨-丝杠模组

18    纵深运动单元滑块          19    纵深运动单元传感器固定板

20      平行气爪                  21      第一气爪滑块

22      第二气爪滑块              23      第一机械指

24      第二机械指                25      刀片

26      第一指间物体感应传感器固定块

27      第二指间物体感应传感器固定块

28      摄像头固定块              29      摄像头

30a     第一连接杆                30b     第二连接杆

31      支撑框                    32      控制箱

101     草莓采摘机器人精准采摘执行机构

102     第一收纳连杆              103     第二收纳连杆

104     第三收纳连杆              105     第四收纳连杆

106     收纳托盘

107a    第一直线滑块              107b    第二直线滑块

107c    第三直线滑块              107d    第四直线滑块

108     行走电机法兰              109     行走电机

110     行走齿轮                  111     框架

112a    第一导轨                  112b    第二导轨

113     齿条

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1～10所示，本发明的一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构， 包括混合坐标式运动装置、机械爪装置以及支撑连接装置。

其中，如图2～7所示，混合坐标式运动装置包括水平运动单元、 竖直运动单元、旋转运动单元、俯仰调节单元以及纵深运动单元。

如图3所示，水平运动单元包括水平运动单元电机1、水平运动单 元导轨-丝杠模组2、水平运动单元滑块3以及水平运动单元第一传感 器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b。水平运动单元电机 1通过连轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组2的一端连接，水平运动 单元滑块3可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组2上，当水平 运动单元电机1带动水平运动单元导轨丝杠模组2的丝杠轴转动时， 水平运动单元滑块3沿水平运动单元导轨-丝杠模组2滑动。水平运动 单元第一传感器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b固定连 接在水平运动单元导轨-丝杠模组2的一侧的两端，便于安装各种规格 的限位传感器。

如图4所示，竖直运动单元包括竖直运动单元电机5、竖直运动单 元导轨-丝杠模组6、竖直运动单元滑块7以及竖直运动单元第一传感 器固定板8a、竖直运动单元第二传感器固定板8b。竖直运动单元电机 5通过连轴器与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一端连接，竖直运动 单元滑块7可滑动地连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组6上，当竖直 运动单元电机5带动竖直运动单元导轨丝杠模组6的丝杠轴转动时， 竖直运动单元滑块7沿竖直运动单元导轨-丝杠模组6滑动。竖直运动 单元第一传感器固定板8a、竖直运动单元第二传感器固定板8b连接在 竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一侧的两端，便于安装各种规格的限 位传感器。

如图5所示，旋转运动单元包括旋转运动单元电机9、框架法兰 10。旋转运动单元电机9的机身与框架法兰10的一侧固定连接，旋转 运动单元电机9的电机轴与框架法兰10另一侧的圆孔保持同轴。

如图6所示，俯仰调节单元包括传动连接轴11、一侧开有弧形长 孔15的俯仰支撑架12、固定销钉13以及活动销钉14。固定销钉13 穿过俯仰支撑架12的下部固定连接传动连接轴11与俯仰支撑架12， 活动销钉14通过弧形长孔15连接传动连接轴11与俯仰支撑架12。

如图7所示，纵深运动单元包括纵深运动单元电机16、纵深运动 单元导轨-丝杠模组17、纵深运动单元滑块18、纵深运动单元传感器固 定板19。纵深运动单元电机16与纵深运动单元导轨-丝杠模组17连接， 纵深运动单元滑块18可滑动地连接在纵深运动单元导轨-丝杠模组17 上，当纵深运动单元电机16带动纵深运动单元导轨-丝杠模组17的丝 杠轴转动时，纵深运动单元滑块18沿纵深运动单元导轨-丝杠模组17 滑动。纵深运动单元导轨-丝杠模组17的一侧连接有纵深运动单元传感 器固定板19，其两端可安装各种规格的限位传感器。

请参阅图2，其中，水平运动单元滑块3和竖直运动单元滑块7固 定连接。

旋转运动单元的框架法兰10上与旋转运动单元电机9平行的一侧 与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的下端固定连接。

俯仰调节单元的传动连接轴11穿过框架法兰10上的圆孔与旋转 运动单元电机9的电机轴连接，传动连接轴11在旋转运动单元电机9 的带动下可绕固定销钉13进行旋转运动。

纵深运动单元滑块18与俯仰支撑架12的底部固定连接，且通过 调节活动销钉14在弧形长孔15中的位置可间接调节纵深运动单元的 倾斜角度。

如图8～9所示，机械爪装置包括平行气爪20，第一气爪滑块21、 第二气爪滑块22，第一机械指23、第二机械指24，刀片25，第一指 间物体感应传感器固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27，摄 像头固定块28以及摄像头29。第一气爪滑块21、第二气爪滑块22分 别可滑动地连接在平行气爪20上，第一机械指23、第二机械指24的 一端分别与第一气爪滑块21、第二气爪滑块22固定连接，且第一机械 指23、第二机械指24的另一端分别固定连接第一指间物体感应传感器 固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27，且第一机械指23上 还固定连接了刀片25，第二机械指24的前端与刀片25相对应的位置 开有纳刀缝隙25.5。摄像头固定块28与平行气爪20的下部固定连接， 摄像头29固定在摄像头固定块28上。在气体动力下，第一气爪滑块 21、第二气爪滑块22分别带动第一机械指23、第二机械指24做相向 平动。

如图10所示，支撑连接装置包括第一连接杆30a、第二连接杆30b、 支撑框31、控制箱32。其中，第一连接杆30a和第二连接杆30b固定 连接在支撑框31底部，控制箱32固定连接在支撑框31上部。支撑框 31的边缘可进一步加工连接孔，便于在其上安装扩展功能装置，或将 该装置安装在不同类型的草莓采摘机器人上。

如图1所示，混合坐标式运动装置的水平运动单元导轨-丝杠模组 2的两端与支撑连接装置的第一连接杆30a、第一连接杆30b固定连接， 并且，机械爪装置的平行气爪20固定连接于混合坐标式运动装置的纵 深运动单元导轨-丝杠模组17的一端。

如图11所示，本发明的一种垄作草莓采摘机器人包括精密采摘收 纳装置和大范围移动支撑装置。

如图1、图12～13所示，精密采摘收纳装置包括草莓采摘机器人精 准采摘执行机构101，第一收纳连杆102、第二收纳连杆103，第三收 纳连杆104、第四收纳连杆105，收纳托盘106，第一直线滑块107a、 第二直线滑块107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d，行走电 机法兰108，行走电机109，以及行走齿轮110。

其中，第一收纳连杆102、第二收纳连杆103的一端固定连接在草 莓采摘机器人精准采摘执行机构101的支撑框31的两端，且另一端分 别与第三收纳连杆104、第四收纳连杆105固定连接。收纳托盘106固 定连接在第三收纳连杆104、第四收纳连杆105上，且其上可放置用来 盛放草莓果实的容器。第一直线滑块107a、第二直线滑块107b、第三 直线滑块107c、第四直线滑块107d与草莓采摘机器人精准采摘执行 机构101的支撑框31固定连接。行走电机109通过行走电机法兰108 固定连接在草莓采摘机器人精准采摘执行机构101的支撑框31上，且 行走齿轮110与行走电机109的电机轴固连，在行走电机109的带动 下转动。

如图14所示，大范围移动支撑装置包括框架111，第一导轨112a、 第二导轨112b，以及齿条113。第一导轨112a、第二导轨112b平行布 置、且都与框架111上表面固连，齿条113布置在框架111内侧。

框架111的下端还可安装4个行走轮，该行走轮的朝向既可垂直 于草莓垄，也可平行于草莓垄，即其既可在电机的驱动下沿着与草莓 垄垂直方向行进，依次进行下一垄草莓采摘，也可在电机的驱动下沿 着草莓垄的方向行进，实现长距离垄沟草莓采摘。

如图11所示，精密采摘收纳装置通过第一直线滑块107a、第二直 线滑块107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d与大范围移动 支撑装置的第一导轨112a、第二导轨112b连接，行走齿轮110与齿条 113啮合，在行走电机109的带动下，精密采摘收纳装置可在大范围移 动支撑装置上移动。

工作过程：

(一)草莓采摘机器人精准采摘执行机构的工作过程

1.在水平运动单元电机1的带动下，水平运动单元滑块3在水平 运动单元导轨-丝杠模组2上水平移动，从而带动竖直运动单元、旋转 运动单元、俯仰调节单元、纵深运动单元以及机械爪装置水平移动， 实现摄像头29在水平方向搜索并使机械爪接近目标草莓的动作。

2.在竖直运动单元电机5的带动下，竖直运动单元滑块7在竖直 运动单元导轨-丝杠模组6上竖直移动，从而带动旋转运动单元、俯仰 调节单元、纵深运动单元以及机械爪装置在竖直方向移动，实现摄像 头爪在竖直方向搜索并使机械手接近草莓的动作。

3.在旋转运动单元电机9的带动下，俯仰调节单元、纵深运动单 元以及机械爪装置可实现以传动连接轴11为轴线的360°的转动，便 于摘取沟垄两侧的草莓和以不同方位将草莓果实放置于果盘中。

4.通过调节活动销钉14在弧形长孔15中的位置，便于调节机械 爪的前进角度，以适应不同栽培模式的草莓采摘。

5.纵深运动单元电机16的带动下，纵深运动单元滑块18在纵深 运动单元导轨-丝杠模组17上纵深方向移动，连同机械爪一同纵深方向 运动，实现接近或收回草莓果实的动作。

6.当机械爪在第一机械指23、第二机械指24张开状态下接近目 标草莓果柄时，第一指间物体感应传感器固定块26、第二指间物体感 应传感器固定块27上固定的传感器可及时感应到果柄是否已经进入到 第一机械指23和第二机械指24之间，并在气体动力的驱动下迅速闭 合机械指，首先第一机械指23和第二机械指24实现对草莓果柄的夹 持，随后固定在第一机械指23上的刀片25进入第二机械指纳刀缝隙 中完成草莓果柄的切割。

(二)垄作草莓采摘机器人的工作过程

1.将垄作草莓采摘机器人整体机构放置于垄作草莓垄沟之中，并 调整草莓采摘机器人精准采摘执行机构101中机械爪朝向挂有草莓果 实垄壁，即可开始进行草莓果实的自动采摘。

2.将草莓果实收纳器皿放置在收纳托盘106上，收纳托盘106可 跟随整个草莓采摘机器人精准采摘执行机构101运动，当一个草莓被 采摘下来后，小范围调整机械爪的水平位置，并转动机械爪到收纳器 皿上方，机械爪松开放下草莓果实。接着机械爪恢复到垄壁朝向，在 小范围继续对采摘目标果实进行搜索。

3.当较小范围内的需要采摘的草莓被采完，或草莓采摘机器人精准 采摘执行机构101水平放下的运动位置到达极限时，行走电机109开 启，即可带动行走齿轮110在齿条113中啮合行走，从而使整个精密 采摘收纳装置在大范围移动支撑装置上平稳运动，从而沿草莓垄的方 向进行更大范围的运动。

4.一般情况下，大范围移动支撑装置的长度略长于草莓垄的长度并 横跨草莓垄两端，当采摘完一垄草莓后，其上的4个行走轮在电机的 驱动下，沿与草莓垄垂直方向行进至下一垄草莓垄沟之上，依次进行 采摘。当草莓垄的长度较长时，可改变行走轮的方向，使其沿草莓垄 的方向行进，从而实现长距离垄沟草莓采摘。