专利名称：一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法
技术领域：
本发明涉及农业机器人技术领域，尤其是一种轮式移动水果采摘机器人及水果采 摘方法。
背景技术：
水果是我国重要的经济作物，目前水果己成为继粮食、蔬菜之后的第三大农作物。 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。自1978年 中国实行农业结构调整政策以来，中国的水果产业得到快速发展，1997年一跃成为世界第 一水果生产大国。水果产量从1978年的657万吨增长至1997年的5089. 3万吨。到2006 年，中国水果产量己达9599. 2万吨，占世界水果产量的18. 1%。除了具有总量优势外，中国 许多水果的产量都居于世界前列，2006年中国苹果和梨产量为沈05. 9万吨和1198. 6万吨， 分别占世界产量的40. 8%和61. 4%，均居于世界第一位。柑橘产量达1591. 9万吨，占世界 产量的50. 5%，也居于世界第一位。以上数据显示，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一直排在前三位。因此，本发明的轮式移动水果采摘机器人主要 采摘对象是针对以上几种水果。进入21世纪以来，我国人口面临老龄化问题日趋严重，而且随着工业的迅速发 展，农业劳动力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力成本短缺严重且成本逐渐提高。水 果采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的环节，其收获又属于劳动密集型作业。以上种 种因素给水果的收获带来了很大的困难，因此研究开发一种智能化的水果采摘装置势在必 行。轮式移动水果采摘机器人不仅能够降低果农的劳动强度、降低果树采摘成本、提高采摘 效率、保证果实及时收获、保证果品质量，而且对于促进农村经济发展，提高我国农业机械 的现代化、智能化水平，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。相对于发达国家，我国在水果采摘机器人领域的研究起步较晚，大概始于20世纪 90年代中期。目前国内有不少科研院校和研究所在进行采摘机器人和智能农业机械相关的 研究。中国发明专利ZL200310118301. 6，发明名称为“一种移动机器人平台的驱动结构 和驱动方法”。该专利介绍了一种用于轮式移动机器人平台的驱动结构，采用协调的驱动方 式，它包括一个主动导向轮和两个独立的驱动轮。主动导向轮由小功率较高减速比的电机 驱动，控制导向轮的转角；两个驱动后轮分别由两个低控制精度的扁平电机或轮毂电机驱 动。平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控 制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。但该专利中没有描 述详细的机械结构，而且也没有针对果园路面环境进行设计，因此该结构很难应用于水果 的采摘。中国发明专利ZL200410053041. 3，发明名称为“智能移动机器人”。该专利介绍了 一种智能移动机器人，包括车体平台和大脑两大部分，采用笔记本电脑作为机器人大脑。机器人大脑负责采集处理视觉信号，负责与外界对象通信和高层决策，下位机负责机器人执 行机构的底层控制，并将获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态信息上传给机 器人大脑。该专利主要对控制系统组成进行了描述，但没有涉及到机器人的具体机械结构 的详细描述。该专利使用的是普通的超声波传感器，虽然价格便宜，经济性好，但是普通的 超声波传感器发射角大，探测范围大，但是其致命的缺点是方向性不好。而对于路面环境比 较复杂的果园，使用普通的超声波传感器极易造成障碍物的误判，因此该平台并不适宜在 果园环境中使用。此外，南京农业大学对茄子收获的视觉系统和机械臂的避障进行了研究；上海交 通大学对黄瓜采摘进行了研究；江苏大学对番茄收获机械手进行相应研究；西北农林科技 大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究；浙江大学对番茄收获机械手进行了运动学分 析。从以上研究可以看出，在采摘机器人领域国内的科研人员做了大量的探索性工作，但是 水果的采摘是个极其复杂的过程，目前仍有很多难题很难解决。比如以上研究大多是集中 在智能移动平台、采摘机械臂、各种末端执行器、视觉传感器系统、果实的各种分割和识别 算法等几个单方面的研究，由于工作量太大，研究难度高，所以几乎没有人将果实采摘的各 个环节整合在一起深入研究。这就带来一些重要的问题，研究出来的成果比较零散，采摘机 器人执行采摘任务仍然需要人的协助，只能实现半自动化，而且采摘的效率普遍比较低。这 些问题在国内外都广泛存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法，本发明就 是针对以上研究中存在的问题，将轮式智能移动平台、电动滑台、采摘机械臂、欠驱动采摘 机械手、传感器系统整合在一起，将采摘机械臂的运动、欠驱动采摘机械手的抓取和轮式智 能移动平台的行走等几个关键步骤整合在一起，真正实现了水果的智能化采摘。采摘的几 个关键步骤的整合并非几个步骤的简单叠加，采摘机械臂的运动、欠驱动采摘机械手的抓 取和轮式智能移动平台的行走是非常复杂的系统工程，不仅机械结构、软件和算法需要完 美地融合在一起，而且整个系统运转要结合果园实际的采摘工作环境。要想取得良好的采 摘效果，以上几个关键因素缺一不可。本发明的技术方案是
一种轮式移动水果采摘机器人，包括机械执行装置和控制系统， 所述机械执行装置包括轮式智能移动平台、采摘机械臂和欠驱动采摘机械手和电动滑
台；
所述轮式智能移动平台包括第一驱动轮总成、第二驱动轮总成、第一从动轮总成、第二 从动轮总成、平台机架、电机控制柜、水果收集箱以及侧面挡板，其中第一驱动轮总成、第二 驱动轮总成、第一从动轮总成、第二从动轮总成与平台机架之间采用螺栓联接，侧面挡板用 铆钉铆接平台机架上，电机控制柜固定在轮式智能移动平台的中部；水果收集箱位于采摘 机械臂和电机控制柜之间；
所述第一驱动轮总成和第二驱动轮总成分别包括驱动轴、轴承、减速器、直流伺服电 机、编码器、轴承盖、平键、轴承座固定法兰、轴承、轴承座、轴承盖和轮毂联接法兰，第一从
5动轮总成和第二从动轮总成分别包括轴、轴承、轴承座、轴承盖、轴承座固定法兰和轮毂联 接法兰；
所述采摘机械臂固定在轮式智能移动平台前端的电动滑台上，采摘机械臂的结构包 括大臂、小臂、伸缩臂、两个直流伺服舵机、两个直流伺服电机、水果下滑管道和漏斗状缓冲 节；
所述伸缩臂的结构包括伸缩臂连接架、第一套筒、深沟球轴承、滑槽、深沟球轴承、第二 套筒、直线轴承、机械手连接框、深沟球轴承、直线轴承、滑杆、第一圆形滑块、深沟球轴承、 水果接收篮固定架、第二圆形滑块、双向丝杠、深沟球轴承、轴承盖、联轴器、电机固定法兰 和直流伺服电机；
所述电动滑台包括直流伺服电机、联轴器、滑杆、螺杆、滑杆、轴承座、机械臂固定滑块、 轴承座和电机固定架；
所述欠驱动采摘机械手包括第一手指关节、第一手指连杆、第二手指关节、手掌、第二 手指连杆、连杆、驱动杆、联轴器、下支撑杆、下底盘、直流伺服电机、长连接杆、上支撑杆、中 间法兰和螺杆轴；手掌与中间法兰通过上支撑杆进行联接；下底盘与中间法兰通过下支撑 杆进行联接，行程开关安装在下支撑杆与中间法兰的连接处；手指安装在手掌上，两个手指 平行对称布置；联轴器将螺杆轴与直流伺服电机轴联接在一起，使得工作时伺服电机转动， 将螺杆轴的转动则转化为驱动杆的上下运动；
所述控制系统包括工控机、8轴运动控制卡、数据采集卡、直流伺服电机、编码器、 AHRS姿态方位参考系统、单目摄像机组件、双目摄像机、工业级超声波传感器、力传感器、滑 觉传感器、位置传感器、控制电路及电机控制柜。所述轮式智能移动平台后端左侧设有工控机，轮式智能移动平台后端右侧设有锂 电池供电箱，给工控机供电的蓄电池和逆变器位于工控机和锂电池供电箱中间，运动控制 卡、数据采集卡、分别插装在工控机的PCI插槽内，双目摄像机位于所述机械手连接框的上 侧，智能移动平台前端设有AHRS姿态方位参考系统和单目摄像机组件。所述欠驱动采摘机械手、螺杆轴和驱动杆的材料为45号钢，第一手指关节、第一 手指连杆、第二手指关节、手掌、第二手指连杆、连杆、下支撑杆、下底盘、长连接杆、上支撑 杆和中间法兰的材料均为尼龙。所述水果下滑管道内部有多个漏斗状缓冲节，缓冲节由软橡胶材料制成。所述伸缩臂设置在采摘机械臂末端关节处，伸缩臂还包括传动机构，传动机构由 双向丝杠、圆形滑块、滑槽和滑杆等组成。伸缩臂的外部由第一套筒和第二套筒用螺栓联接 在一起，第一套筒上侧开有滑槽，下侧开有腰型通孔，第二套筒上下两侧均开有滑槽；第一 圆形滑块的上下两侧分别装有一个深沟球轴承，深沟球轴承轴承卡在滑槽内，第一圆形滑 块中间有内螺纹孔；第二圆形滑块上侧装有深沟球轴承，轴承卡在滑槽内，下侧与水果接收 篮固定架相连接，第二圆形滑块中间设有内螺纹孔。一种利用轮式移动水果采摘机器人进行的水果采摘方法，包括以下步骤 水果采摘时，机械臂将采摘机械手送到果实附近；
采摘机械手上的位置传感器检测采摘机械手与果实的相对位置，当检测到果实已进入 采摘机械手采摘范围时，直流伺服电机正向转动，采摘机械手开始抓取果实，压力传感器检 测手指和果实之间的夹持力，并判断是否达到实验所给出的水果所能承受的力阈值；若达到力阈值则采摘机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘的上抬动作，完成果枝与 果柄的分离；
接下来采摘机械臂伸缩关节回缩，采摘机械手的手指张开，将果实放入水果接收篮内， 最后水果经水果下落管道和缓冲漏斗缓慢地滑落到水果收集箱内。本发明的有益效果是
本发明的优点如下(1)欠驱动采摘机械手的螺杆轴和驱动杆的材料为45钢，其它部 分材料均为尼龙，质量相比之下采摘机械手总重量降低约25%，重量降低会直接导致采摘机 械臂系统的能耗随之降低约25% ； (2)在机械臂下方设计水果接收篮和水果下落管道，当果 实与果枝分离后直接放入水果接收篮，果实经下落管道直接滑落到水果收集箱内，这样机 械臂工作时就会大大减小了机械臂多数关节的旋转角度，有些关节甚至无需动作，而采摘 的效率却提高40%左右，机械臂动作部分能耗也随之降低约40% ； (3)水果下滑管道内部有 多个漏斗状缓冲节，缓冲节由软橡胶材料制成，能够降低果实下滑过程中的速度，从而减少 果实在下滑过程中因碰撞或摩擦引起的损伤；(4)整个机械臂固定在电动滑台上，在工作 时机械臂可以在电动滑台上左右滑动，这样设计的优点是智能移动平台在果园行间行走一 次就可以采摘完其两侧的果实，整个智能移动平台行走的路程可以减半，行走部分的能耗 可以降低35%-40%; (5)机械臂末端关节的伸缩臂传动机构由双向丝杠、圆形滑块、滑槽和 滑杆等部分组成，当机械臂在采摘水果时机械手伸进树冠，同时水果接收篮退出树冠，这样 既可以减少果实下滑管道与果枝碰撞而损伤果枝和果胎现象，也可以防止果实下滑管道被 果枝阻挡造成果实滑落不畅的现象；(6) AHRS姿态方位参考系统，可输出智能移动平台的 三轴的角速度、航向角度、加速度值。AHRS、工业级超声波传感器和双目立体视觉系统信息 融合后大大提高了智能移动平台导航精度和避障能力；(7)轮式智能移动平台由直流伺服 电机和减速机驱动，由编码器来反馈当前位置信息，能够实现精确的位置控制；(8)机械手 的旋转关节模拟人工采摘的上台动作，实现果实与果枝的分离，这样设计就是为了避免在 采摘机械手上增加复杂的果实分离装置，简化了欠驱动机械手的结构，降低了机械臂末端 的重量。(9)采摘机械臂是根据果园实际使用环境自行研制的，虽然精度与工业机械臂相比 还有距离，但是完全能够满足果实采摘的使用要求，而且整个机械臂的成本仅为同类工业 机械臂的25%左右，大大降低了果农的使用成本。(10)轮式智能移动平台由两个驱动轮来 驱动，由两个驱动轮的速度差和软件转向模型实现转向，这样就避免使用结构复杂且笨重 的平行四边形转向机构，减轻了整个系统的重量，节约了成本。本发明提高了水果采摘劳动生产率、降低了果农的劳动强度、降低了水果采摘成 本、解决了劳动力短缺且成本过高这一问题，保证了果实及时采收、保证了果品质量。本发明对于促进农村经济发展，提高我国农业的现代化、智能化水平，加快农业科 技进步具有重要意义。
图1是本发明一个实施例的侧面结构示意图。图2是本发明一个实施例的结构俯视图。图3是本发明的驱动轮总成和从动轮总成与平台机架联接图。
图4是本发明一个实施例的结构左视图。。图5是本发明的机械臂的结构图。图6是本发明的机械臂末端关节剖视图。图7是本发明的电动滑台结构图之一。图8是本发明的电动滑台结构图之二。图9是本发明的机械手的结构示意图。图10是本发明的驱动系统装配图。图11本发明的控制系统的主要功能模块构成示意图。图1中，1为双目摄像机、2为欠驱动采摘机械手、3为水果接收篮、4为水果下滑管 道、5为采摘机械臂、6为单目摄像机组件、7为AHRS姿态方位参考系统、8为电动滑台、9为 侧面挡板、10为驱动轮、11为从动轮、12为工控机、13为锂电池供电箱、14为显示器、15为 电机控制柜、16为水果收集箱。图2中，17为蓄电池、18为逆变器。图3中，19为驱动轮总成1、20为驱动轮总成2、21为平台机架、22为轮胎、23为从 动轮总成1J4为从动轮总成2。图5中，25为直流伺服舵机J6为机械臂大臂、27为直流伺服舵机、观为机械臂小 臂、四为直流伺服电机、30为漏斗状缓冲节。图6中，31为伸缩臂连接架、32为第一套筒、33为深沟球轴承、34为滑槽、35为 深沟球轴承、36为第二套筒、37为直线轴承、38为机械手连接框、39为深沟球轴承、40为直 线轴承、41为滑杆、42为第一圆形滑块、43为深沟球轴承、44为水果接收篮固定架、45为第 二圆形滑块、46为双向丝杠、47为深沟球轴承、48为轴承盖、49为联轴器、50为电机固定法 兰、51为直流伺服电机。图7中，52为直流伺服电机、53为联轴器、54为滑杆、55为螺杆、56为滑杆、57为 轴承座、58为机械臂固定滑块、59为轴承座、60为电机固定架。图8中，61为第一手指关节、62为第一手指连杆、63为第二手指关节、64为手掌、 65为第二手指连杆、66为连杆、67为驱动杆、68为联轴器、69为下支撑杆、70为下底盘、71 为直流伺服电机、72为长连接杆、73为上支撑杆、74为中间法兰、75为螺杆轴。图9中，76为轮毂联接法兰、77为驱动轴、78为轴承、79为减速器、80为直流伺服 电机、81为编码器、82为轴承盖、83为平键、84为轴承座固定法兰、85为轴承、86轴承座、87 为轴承盖。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述
对照图1，本实施例的轮式移动水果采摘机器人主要由双目摄像机1、欠驱动采摘机械 手2、水果接收篮3、水果下滑管道4、采摘机械臂5、单目摄像机组件6、AHRS姿态方位参考 系统7、电动滑台8、侧面挡板9、驱动轮10、从动轮11、工控机12、锂电池供电箱13、显示器 14、电机控制柜15、水果收集箱16等组成。对照图1、图2、图3和图4，轮式智能移动平台包括第一驱动轮总成(19)、第二驱 动轮总成(20)、第一从动轮总成(23)、第二从动轮总成(24)、平台机架(21)、及侧面挡板(9)，其中第一驱动轮总成(19)、第二驱动轮总成(20)和第一从动轮总成(23)、第二从动轮 总成(24)与平台机架(21)之间采用螺栓联接，侧面挡板(9)用铆钉铆接平台机架(21)上， 电机控制柜(15)固定在轮式智能移动平台的中部；水果收集箱(16)位于采摘机械臂(5)和 电机控制柜(15)之间；
对照图5，采摘机械臂(5)固定在轮式智能移动平台前端的电动滑台(8)上，采摘机械 臂的结构包括大臂(26)、小臂(28)、伸缩臂、两个直流伺服舵机(25、27)，两个直流伺服电 机(29、51)，水果下滑管道(4)、漏斗状缓冲节(30)。对照图6，伸缩臂的结构包括伸缩臂连接架31、第一套筒32、深沟球轴承33、滑槽 34、深沟球轴承35、第二套筒36、直线轴承37、机械手连接框38、深沟球轴承39、直线轴承 40、滑杆41、圆形滑块42、深沟球轴承43、水果接收篮固定架44、圆形滑块45、双向丝杠46、 深沟球轴承47、轴承盖48、联轴器49、电机固定法兰50、直流伺服电机51。对照图7，电动滑台8包括直流伺服电机52、联轴器53、滑杆M、螺杆55、滑杆56、 轴承座57、机械臂固定滑块58、轴承座59、电机固定架60。对照图8，欠驱动采摘机械手2包括第一手指关节61、第一手指连杆62、第二手指 关节63、手掌64、第二手指连杆65、连杆66、驱动杆67、联轴器68、下支撑杆69、下底盘70、 直流伺服电机71、长连接杆72、上支撑杆73、中间法兰74、螺杆轴75。手掌64与中间法兰 74通过上支撑杆73进行联接；下底盘70与中间法兰74通过下支撑杆69进行联接，行程 开关安装在下支撑杆69与中间法兰74的连接处。手指安装在手掌64上，两个手指平行对 称布置。联轴器68将螺杆轴75与直流伺服电机轴联接在一起，工作时伺服电机转动，将螺 杆轴75的转动则转化为驱动杆67的上下运动。对照图9，第一驱动轮总成19和第二驱动轮总成20包括、驱动轴77、轴承78、减 速器79、直流伺服电机80、编码器81、轴承盖82、平键83、轴承座固定法兰84、轴承85、轴 承座86、轴承盖87和轮毂联接法兰76，从动轮总成23和从动轮总成M包括轴、轴承、轴承 座、轴承盖、轴承座固定法兰和轮毂联接法兰；
轮式移动水果采摘机器人的控制系统包括工控机、8轴运动控制卡、数据采集卡、直流 伺服电机、编码器、AHRS姿态方位参考系统、单目摄像机组件、双目摄像机、工业级超声波传 感器、力传感器、滑觉传感器、位置传感器、控制电路及电机控制柜等。欠驱动采摘机械手2通过机械手连接框38与机械臂的伸缩臂相连，水果接收篮3 通过其固定架44与圆形滑块45下侧的螺栓相联接，果实接收篮上的水果下滑管道内有多 个软橡胶材料的漏斗状缓冲节30，在水果下滑时缓冲节30可以降低水果下滑的速度，从而 降低果实下滑过程中因碰撞和摩擦造成的损伤。整个采摘机械臂5固定在智能移动平台的 前端的电动滑台8上，在工作时机械臂5可以在电动滑台8上左右滑动。工控机12位于智能移动平台后端左侧，锂电池供电箱13位于智能移动平台后端 右侧，给工控机12供电的蓄电池17和逆变器18位于工控机和锂电池供电箱中间，运动控 制卡、数据采集卡、分别插装在工控机的PCI插槽内，双目摄像机1位于机械手连接框38的 上侧，AHRS姿态方位参考系统)和单目摄像机组件6位于智能移动平台前端。机械臂末端关节的伸缩臂传动机构由双向丝杠、圆形滑块、滑槽和滑杆组成，伸缩 臂的外部由第一套筒32、第二套筒36用螺栓联接在一起，第一套筒32上侧开有滑槽，下侧 开有腰型通孔，第二套筒36上下两侧均开有滑槽。圆形滑块42的上下两侧装有深沟球轴承35、深沟球轴承43，轴承卡在滑槽内，圆形滑块42中间有内螺纹孔，圆形滑块45上侧装 有深沟球轴承33，轴承卡在滑槽内，下侧与水果接收篮固定架44相连接，圆形滑块45中间 也有内螺纹孔，直流伺服电机51转动使双向丝杠上的两个圆形滑块在滑槽内同时往里缩 进或同时往外伸出运动。本发明的工作原理和工作过程如下
采摘机器人工作时，单目摄像机组件6检测路面导航信息，AHRS姿态方位参考系统7检 测智能移动平台的航向角度、加速度值，编码器反馈智能移动平台的移动速度和移动距离 信息。双目摄像机1检测待采摘果树的位置，当检测到视野范围内有果树时，工控机12向8 轴运动控制卡发送轮式智能移动平台停止前进指令。双目摄像机1用来采集果树、果实的 图像信息以及采摘机械臂采摘路径中的障碍物图像信息，接下来主控制器工控机对成熟果 实图像及障碍物图像进行识别，并且解算出果实相对机械臂基坐标的空间位置坐标，获取 水果抓取所需位姿信息，然后工控机13对采摘路径进行规划，并向采摘机械臂5的控制器 (8轴运动控制卡)发送果实采摘指令。当采摘机械手2被机械臂5送到待摘果实附近时， 采摘机械手2上的位置传感器对采摘机械手与苹果的相对位置进行检测，当检测到果实已 进入采摘机械手采摘范围时，直流伺服电机71正向转动，采摘机械手2开始抓取果实，压力 传感器检测手指和果实之间的夹持力，并判断是否达到实验所给出的水果所能承受的力阈 值。若达到力阈值则直流伺服电机71停止转动，机械臂模拟人工采摘的上抬动作，完成果 枝与果柄的分离。接下来采摘机械臂伸缩关节回缩，采摘机械手的手指张开，将果实放入水果 接收篮3内，最后水果经水果下落管道4和漏斗缓冲节30缓慢地滑落到水果收集箱16内。重复执行以上过程，直到采摘范围里的水果全部采摘完毕，移动平台继续前进，并 重复以上行走和果实采摘过程。如果前进过程中单目摄像机组件6和工业级超声波传感器 检测到智能移动平台前进方向上有障碍物，工控机12就会将单目摄像机组件6检测的障 碍物大小信息、超声波传感器与单目摄像机组件6检测的采摘机器人距离障碍物的深度信 息、AHRS姿态方位参考系统7检测到的智能移动平台的航向角度以及路面的环境信息进行 综合处理计算。如果计算结果显示采摘机器人可以避障，则系统立刻启动避障程序，如果计 算结果显示不能绕过障碍物，采摘机器人就立刻停止在原地并发出警报。当单目摄像机组 件6检测到路面果树行特征丢失，即采摘机器人到达地头，立刻启动转弯程序，当再次检测 到果树行特征时，采摘机器人继续跟踪行特征，并重复以上的水果采摘过程。本世纪以来，我国人口老龄化问题日趋严重，而且随着工业的迅速发展，农业劳动 力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力短缺日趋严重且成本不断提高。水果的采摘是 水果生产中最费力且耗时的环节之一，而且水果的采摘又属于劳动密集型作业。以上多种 因素给水果的收获带来了很大的困难，因此研究开发一种智能化的水果采摘装置势在必 行。本发明就是为了解决以上难题，本发明对降低果农的劳动强度、降低果树采摘成本、提 高采摘效率、保证果实及时收获、保证果品质量具有重要意义，而且对于促进农村经济发 展，提高我国农业机械的现代化、智能化水平，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构 思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发 明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技 术内容已经全部记载在权利要求书中。
权利要求
1.一种轮式移动水果采摘机器人，包括机械执行装置和控制系统，其特征是 所述机械执行装置包括轮式智能移动平台、采摘机械臂(5)和欠驱动采摘机械手(2)和电动滑台(8)；所述轮式智能移动平台包括第一驱动轮总成(19)、第二驱动轮总成(20)、第一从动轮 总成(23)、第二从动轮总成(24)、平台机架(21)、电机控制柜(15)、水果收集箱(16)以及侧 面挡板(9)，其中第一驱动轮总成(19)、第二驱动轮总成(20)、第一从动轮总成(23)、第二 从动轮总成(24)与平台机架(21)之间采用螺栓联接，侧面挡板(9)用铆钉铆接平台机架 (21)上，电机控制柜(15)固定在轮式智能移动平台的中部；水果收集箱(16)位于采摘机械 臂(5)和电机控制柜(15)之间；所述第一驱动轮总成(19)和第二驱动轮总成(20)分别包括驱动轴(77)、轴承(78)、 减速器(79)、直流伺服电机(80)、编码器(81)、轴承盖(82)、平键(83)、轴承座固定法兰 (84)、轴承(85)、轴承座(86)、轴承盖(87)和轮毂联接法兰(76)，第一从动轮总成(23)和第 二从动轮总成(24)分别包括轴、轴承、轴承座、轴承盖、轴承座固定法兰和轮毂联接法兰；所述采摘机械臂(5)固定在轮式智能移动平台前端的电动滑台(8)上，采摘机械臂(5) 的结构包括大臂(26)、小臂(28)、伸缩臂、两个直流伺服舵机(25、27)、两个直流伺服电机 (29、51)、水果下滑管道(4)和漏斗状缓冲节(30)；所述伸缩臂的结构包括伸缩臂连接架(31)、第一套筒(32)、深沟球轴承(33)、滑槽 (34)、深沟球轴承(35)、第二套筒(36)、直线轴承(37)、机械手连接框(38)、深沟球轴承 (39)、直线轴承(40)、滑杆(41)、第一圆形滑块(42)、深沟球轴承(43)、水果接收篮固定架 (44 )、第二圆形滑块(45 )、双向丝杠(46 )、深沟球轴承(47 )、轴承盖(48 )、联轴器(49 )、电机 固定法兰(50 )和直流伺服电机(51)；所述电动滑台(8)包括直流伺服电机(52)、联轴器(53)、滑杆(54)、螺杆(55)、滑杆 (56 )、轴承座(57 )、机械臂固定滑块(58 )、轴承座(59 )和电机固定架(60 )；所述欠驱动采摘机械手(2)包括第一手指关节(61)、第一手指连杆(62)、第二手指 关节(63)、手掌(64)、第二手指连杆(65)、连杆(66)、驱动杆(67)、联轴器(68)、下支撑杆 (69)、下底盘(70)、直流伺服电机(71)、长连接杆(72)、上支撑杆(73)、中间法兰(74)和螺 杆轴(75);手掌(64)与中间法兰(74)通过上支撑杆(73)进行联接；下底盘(70)与中间法 兰(74 )通过下支撑杆(69 )进行联接，行程开关安装在下支撑杆(69 )与中间法兰(74 )的连 接处；手指安装在手掌(64)上，两个手指平行对称布置；联轴器(68)将螺杆轴(75)与直流 伺服电机轴联接在一起，使得工作时伺服电机转动，将螺杆轴(75)的转动则转化为驱动杆 (67)的上下运动；所述控制系统包括工控机(12)、8轴运动控制卡、数据采集卡、直流伺服电机、编 码器、AHRS姿态方位参考系统(7)、单目摄像机组件(6)、双目摄像机(1)、工业级超声波传 感器、力传感器、滑觉传感器、位置传感器、控制电路及电机控制柜。
2.根据权利要求1所述的一种轮式移动水果采摘机器人，其特征在于所述轮式智能移 动平台后端左侧设有工控机(12)，轮式智能移动平台后端右侧设有锂电池供电箱(13)，给 工控机(12)供电的蓄电池(17)和逆变器(18)位于工控机(12)和锂电池供电箱(13)中间， 运动控制卡、数据采集卡、分别插装在工控机(12 )的PCI插槽内，双目摄像机(1)位于所述 机械手连接框(38 )的上侧，智能移动平台前端设有AHRS姿态方位参考系统(7 )和单目摄像机组件(6)。
3.根据权利要求1所述的一种轮式移动水果采摘机器人，其特征在于所述欠驱动采摘 机械手(2)、螺杆轴(75)和驱动杆(67)的材料为45号钢，第一手指关节(61 )、第一手指连 杆(62)、第二手指关节(63)、手掌(64)、第二手指连杆(65)、连杆(66)、下支撑杆(69)、下 底盘(70)、长连接杆(72)、上支撑杆(73)和中间法兰(74)的材料均为尼龙。
4.根据权利要求1所述的一种轮式移动水果采摘机器人，其特征在于所述水果下滑管 道(4 )内部有多个漏斗状缓冲节，缓冲节由软橡胶材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种轮式移动水果采摘机器人，其特征在于所述伸缩臂设置 在采摘机械臂(5)末端关节处，伸缩臂还包括传动机构，传动机构由双向丝杠、圆形滑块、滑 槽和滑杆等组成；伸缩臂的外部由第一套筒(32)和第二套筒(36)用螺栓联接在一起，第一 套筒(32)上侧开有滑槽，下侧开有腰型通孔，第二套筒(36)上下两侧均开有滑槽；第一圆 形滑块(42)的上下两侧分别装有一个深沟球轴承(35、43)，深沟球轴承轴承卡在滑槽内， 第一圆形滑块(42)中间有内螺纹孔；第二圆形滑块(45)上侧装有深沟球轴承(33)，轴承卡 在滑槽内，下侧与水果接收篮固定架(44)相连接，第二圆形滑块(45)中间设有内螺纹孔。
6.一种利用如权利要求1所述的一种轮式移动水果采摘机器人进行的水果采摘方法， 其特征在于包括以下步骤水果采摘时，机械臂将采摘机械手送到果实附近；采摘机械手上的位置传感器检测采摘机械手与果实的相对位置，当检测到果实已 进入采摘机械手采摘范围时，直流伺服电机正向转动，采摘机械手开始抓取果实，压力传感 器检测手指和果实之间的夹持力，并判断是否达到实验所给出的水果所能承受的力阈值；若达到力阈值则采摘机械手停止运动，机械臂模拟人工采摘的上抬动作，完成果 枝与果柄的分离；接下来采摘机械臂伸缩关节回缩，采摘机械手的手指张开，将果实放入水果接收 篮内，最后水果经水果下落管道和缓冲漏斗缓慢地滑落到水果收集箱内。
全文摘要
本发明涉及一种针对苹果大小的近似球形水果的采摘方法和采摘机器人装置，采摘机器人装置包括机械执行装置和控制系统硬软件。所述机械执行装置包括采摘机械臂、欠驱动机械手、电动滑台和智能移动平台；所述控制系统硬件包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、AHRS、编码器、单双目摄像机以及力觉、滑觉等传感器。作业时，工控机将编码器、AHRS、单目摄像机组件、超声波传感器的信息进行融合，实现移动平台的自主导航和避障。双目视觉系统对成熟果实和障碍物的图像进行采集和特征提取，实现机械臂的避障和果实定位。最后工控机将力传感器、滑觉传感器、位置传感器的信息进行融合，进而实现对成熟果实的可靠抓取以及果实与果枝的分离。
文档编号A01D46/22GK102124866SQ20111002181
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者姬长英, 安秋, 彭磊, 顾宝兴 申请人:南京农业大学