枸杞采摘机器人及其控制方法
【专利说明】枸杞采摘机器人及其控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械自动化设计技术领域，特别涉及一种枸杞采摘机器人。 【【背景技术】】
[0002] 枸杞是具有养生和治病功能的药材，还可以当做具有丰富营养价值的水果来食 用。在我国西北、东北、北方大量的种植。枸杞含水量大果皮相对较薄属于浆果，摘取时容 易受到损伤。枸杞的采摘工作一直以人力为主，枸杞成熟季节相对集中，劳动强度较大。而 且枸杞一般在夏季6、7月成熟，该季节属于暑期，温度极度上升。枸杞地中一般有自然肥化 肥等刺鼻气味。然而现在的枸杞采摘均为人工采摘，并且人力采摘时一般带口罩作业加重 炎热程度。不因采摘效率地下，而且在热天给工人带来不适感，严重可能导致中暑情况。
[0003] 目前来讲，虽然采摘机器人有了较大的发展和进步，但任然存在以下几方面的问 题。
[0004] 1、定位和识别工能较差。在采摘过程中环境相对较复杂，叶子与水果容易重复在 一起，造成识别困难。而且天气具有不稳定性，同时还有噪音等干扰信息，降低了识别和定 位的准确度。对枸杞的识别和定位需要进一步的研究。
[0005] 2、采摘效率不高。各国以研发的各类采摘机器人的采摘效率，都没有人工效率高。 例如农业大学张铁中教授研制的草莓采摘速度为6枚/min ;韩国的苹果自动采摘机器人， 摘取一枚苹果平均需要15s ;荷兰IMG研发的黄瓜采摘机器人摘一根黄瓜需要45s。因为 需要控制系统还要图像处理等，效率不高。要使果蔬采摘机器人真正应用于实际生产，就必 须要提高作业效率以及作业准确度。
[0006] 3、成本较高。果蔬采摘机器人系统和结构更加复杂，而且使用周期短，平常基本不 用。维护，使用，制造成本都要高于工业机器人。
[0007] 4、通用性差。一种采摘机器人只是针对某一特定植物完成单一的任务，各类机器 人之间几乎没有通用性。
[0008] 为了突破限制果蔬采摘机器人的发展因素，就必须解决以上的问题，这样才能加 速果蔬采摘机器人的发展，尽快实现商品化。 【
【发明内容】
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[0009] 本发明的目的在于提供一种枸杞采摘机器人，该机器人能够结合枸杞的生长特点 和采摘要求进行采摘，完全替代人力完成采摘工作。
[0010] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0011] 枸杞采摘机器人，包括小车，所述的小车上设置有电源及动力控制设备、路障传感 器、机械臂、采摘头和果实收集箱；其中，路障传感器设置在小车车头上；所述机械臂上端 和采摘头连接，采摘头上设置有树枝夹子，树枝夹子上设置有用于判断枸杞位置的传感器； 采摘头底部设有与果实收集箱连通的果实输送管；所述的小车的电气控制系统、机械臂的 电气控制系统、采摘头的电气控制系统、路障传感器、树枝夹子的电气控制系统及传感器均 与电源及动力控制设备连接。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述的机械臂包括依次连接的升降台、腰部旋转关节、 大臂、小臂和棱柱关节，升降台底部设置在小车上，升降台上设置有驱动腰部旋转关节旋转 的腰部电机和驱动大臂旋转的大臂电机，大臂的顶部设置有驱动小臂转动的小臂电机和驱 动棱柱关节伸缩的棱柱关节电机；棱柱关节上端和采摘头连接；升降台的电气控制系统、 腰部电机、大臂电机、小臂电机和棱柱关节电机均与电源及动力控制设备连接。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述的升降台的升降高度为0~0. 8m ;腰部旋转关节 旋转角度为-160°~160° ;大臂的旋转角度为-80°~80°、小臂的旋转角度为-80°~ 80°和棱柱关节的伸缩长度为0~0.5m。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述的采摘头包括由外壳体和上盖围成的空间，且顶 部开始采摘入口；采摘头内靠近上盖一端设置有上座板和下座板，采摘头内的另一端设置 有底座板；直流电机通过电机座设置在上盖上，直流电机的前端固定在上座板上，且直流电 机的输出轴上设有中间齿轮；左转子体和右转子体并排设置成组合转子，左转子体和右转 子体的两端分别设置在下座板和底座板上，左转子体和右转子体靠近下座板的一端上均设 置有转子齿轮，两个齿轮和中间齿轮相嗤合，左转子体和右转子体转动方向相反；米摘头的 底部设置有采摘出口，采摘出口与果实输送管连通。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述的左转子体和右转子体均包括转子体，所述的转 子体包括柱体，柱体上有三条沿螺旋线均匀设置的软管；其中柱体是由具有机械强度的柔 性硅胶管制成，在硅胶管的三个螺旋方向上按照每隔15mm的距离钻设孔阵列，将空心软管 和硅胶管沿孔阵列用尼龙线穿接固定，相邻孔之间的空心软管形成弧形结构的突起；左转 子体和右转子体上的空心软管的螺旋方向相反。
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述的树枝夹子上设置有碰撞传感器、位置传感器、压 力传感器和视觉传感器；碰撞传感器设置在树枝夹子的顶端，位置传感器和压力传感器分 别设置在树枝夹子的两个夹片上，视觉传感器设置在树枝夹子的两个夹片底部，碰撞传感 器、位置传感器、压力传感器和视觉传感器均与电源及动力控制设备通讯。
[0017] 枸杞采摘机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0018] 1)启动，枸杞采摘机器人启动，小车从收集地行走到枸杞树下；
[0019] 2)识别，视觉传感器上的摄像机采用针孔成像技术进行图像采集，反馈给电源及 动力控制设备；
[0020] 3)定位，电源及动力控制设备内的工控机将采集的图像进行处理，进行图像识别 处理，识别所在区域与枸杞颜色匹配的图像进行位置识别固定；
[0021] 4)采摘，工控机采用模糊PID自适应控制，驱动机械臂的电机进行位置调整，位置 传感器上的信号被有枸杞的树枝遮挡时，启动采摘头的直流电机，枸杞进入采摘头顶部的 采摘入口进行采摘工序，左转子体和右转子体的相对转动，枸杞完成采摘，采摘好的枸杞通 过果实输送管进入果实收集箱；树枝架子上位置传感器信号恢复后，采摘头停止工作，完成 单个树枝的采摘；返回步骤，继续采摘枸杞；
[0022] 5)收集，当枸杞采摘机器人上的果实收集箱的重量超过预设值时，枸杞采摘机器 人返回收集地，完成枸杞收集过程。
[0023] 进一步，机械臂的位置调整的具体几何关系为：摄像机坐标系（X。，y。，z。）与机器 人基座坐标系（Χ(]，％，Ζ。）的各坐标轴相互平行；目标果实在基坐标系内的坐标为（Xn^Y rt, Zm。)，其在摄像机坐标系内的坐标为（Xn，Yn，Zn)，在米摘时当棱柱关节是收缩在小臂内时，将 采摘机器人看做是只有三个关节机器人处理，摄像机坐标和机器人坐标之间的变换关系式 为：
[0025] Y = XXctgei
[0026] Z = L^L2 XsinB 2+L3 X sin ( θ 2+ θ 3) (1)
[0027] 式中L1表示腰部长度、L 2表示大臂长度、L 3表示小臂的长度；Θ i、Θ 2、Θ 3分别为 机械臂的中间三个旋转自由度的关节角度；
[0028] 由⑴式可以得到目标果实在基坐标系的坐标（X"。，Y"。，Z"。）与成熟枸杞在摄像机 坐标系的坐标（X〇，Y〇，Z。）关系：
[0029] Xn= X n〇-X, Yn= Y n〇-Y, Zn= Z η〇-Ζ (2)。
[0030] 进一步，定位过程中，摄像机坐标与位置坐标的关系具体建立方法为，建立坐标系 u，V，每个像素都可以用其所对应的坐标（u，V)来表示其行数和列数，，再建立图像坐标系 (X，Υ)，其具有物理单位（_)，OidX轴平行于u轴，OJ轴平行于V轴，取光轴于图像的交点〇。 为原点；取0。在U，V坐标系中的坐标为（u。，V。)，dx，dy为该像素点在两轴上的距离，则图 像中的所有像素点都有如下的坐标关系：
[0033] 两点重合时，则有
[0034] 进一步，图像识别处理的具体步骤为：
[0035] 工控机将采集的图像中的枸杞颜色与预设的图像中的枸杞颜色进行比对，满足则 进行进行位置识别固定；
[0036] 果实收集箱的重量预设值为30Kg~32Kg ;
[0037] 还包括路障控制步骤和防碰撞控制步骤，所述的路障控制步骤为：枸杞采摘机器 人