自动采摘机器人的制作方法

本实用新型涉及自动化设备技术领域，具体而言，涉及一种自动采摘机器人。

背景技术：

众所周知，常见的蘑菇(食用菌)有：香菇、草菇、蘑菇、木耳、银耳、猴头、竹荪、松口蘑(松茸)、口蘑、红菇和牛肝菌等。

目前，蘑菇栽培已经实现了工厂化生产，工厂化菇房内需要安装升温、降温、通风换气和增湿设备等，对温湿度、通气和光照等条件可以实现自动化或半自动化的控制，生产不受季节限制，可以天天出菇，周年生产，产量高，效益好。工厂化菇房一般长20～30米、宽6～10米、高5～6米，房内可顺菇房的长度方向设置2～4列多层床架。床架多用金属结构型材制作，床宽1～1.6米，层数5～6层，层间距50～70厘米，床架最下一层和地面的距离约30厘米，最上一层距屋顶1米以上。床架之间的通道宽80～100厘米，床架和墙壁之间的通道宽40～80厘米。

蘑菇生长成熟后，需要大量劳动力进行人工手动采摘作业，劳动强度大，耗时长，效率低，周期长，成本高，采摘作业是整个生产链中耗时最长、最辛苦的环节。此外，由于蘑菇生长具有各向异性、密疏不均等差异，也增加了人工采摘的难度。

技术实现要素：

本实用新型就是为了解决现有工厂化蘑菇栽培过程中，人工手动采摘作业劳动强度大，难度大，耗时长，效率低，周期长，成本高的技术问题，提供了一种效率高，成本低，代替人工操作的自动采摘机器人。

本实用新型的技术方案是，提供一种自动采摘机器人，包括基座、行走机构、x方向线性模组、y方向线性模组和摘取装置，行走机构与基座连接，x方向线性模组与基座连接，y方向线性模组与x方向线性模组连接，摘取装置与y方向线性模组连接，y方向线性模组包括支撑板、y方向平移驱动电机、主动同步带轮、从动同步带轮、同步带、滑轨组件和双目摄像头，y方向平移驱动电机与支撑板固定连接，主动同步带轮与y方向平移驱动电机的输出轴连接，从动同步带轮与支撑板转动连接，同步带连接于主动同步带轮和从动同步带轮之间，滑轨组件与支撑板固定连接，支撑板设有孔道，双目摄像头与支撑板连接，支撑板与x方向线性模组连接；

摘取装置包括支架、升降丝杆电机、螺母座、导轨组件、吸盘安装架、吸盘转动驱动电机、主同步带轮、从同步带轮、空心转轴、吸盘、传感器安装座、真空泵、气管和距离传感器，升降丝杆电机固定连接于支架的顶面，升降丝杆电机上的丝杆穿过支架，螺母座与升降丝杆电机的丝杆连接匹配，导轨组件与支架固定连接，吸盘安装架设有螺母座连接部，螺母座连接部与螺母座固定连接，螺母座连接部设有通孔，丝杆穿过通孔，导轨组件上的滑块与螺母座连接部的侧面固定连接，吸盘安装架设有导轨通道，导轨通道用于使导轨组件穿过；吸盘转动驱动电机与吸盘安装架的一端连接，主同步带轮与吸盘转动驱动电机的输出轴连接，空心转轴通过轴承与吸盘安装架的另一端转动连接，从同步带轮与空心转轴的上端固定连接，主同步带轮和从同步带轮之间连接有同步带，吸盘与空心转轴的下端固定连接，传感器安装座与空心转轴固定连接，距离传感器与传感器安装座连接，气管的一端穿过空心转轴的中心通孔后与吸盘连接，真空泵固定连接在支架的底面，气管的另一端与真空泵连接；螺母座连接部位于主同步带轮和从同步带轮之间；支架通过同步带连接件与y方向线性模组的同步带固定连接，支架的顶面与y方向线性模组中滑轨组件的滑块固定连接，升降丝杆电机的本体穿过支撑板的孔道。

优选地，自动采摘机器人还包括转运装置，转运装置与基座连接，转运装置位于y方向线性模组的下方。

优选地，转运装置包括左端连接架、转运驱动电机、锥齿轮组件、第一左同步带轮、第二左同步带轮、第一右同步带轮、第二右同步带轮、第一传送同步带、第二传送同步带、右端连接架和转轴，转运驱动电机固定连接在左端连接架上，转轴与左端连接架转动连接，转运驱动电机的输出轴通过锥齿轮组件与转轴连接，第一左同步带轮、第二左同步带轮分别与转轴固定连接，第一右同步带轮、第二右同步带轮分别与右端连接架转动连接，第一传送同步带连接于第一左同步带轮和第一右同步带轮之间，第二传送同步带连接于第二左同步带轮和第二右同步带轮之间，第一传送同步带和第二传送同步带相互平行并排布置；右端连接架固定连接在基座的右侧，左端连接架固定连接在基座的左侧，基座的右侧正对右端连接架的位置设有出口。

优选地，距离传感器的数量是3个以上。

优选地，x方向线性模组包括x方向平移驱动电机、x方向主动同步带轮、x方向从动同步带轮、x方向同步带和x方向滑轨组件，x方向平移驱动电机通过电机支架与基座固定连接，x方向主动同步带轮与x方向平移驱动电机的输出轴连接，x方向从动同步带轮与基座的顶部转动连接，x方向同步带连接于x方向主动同步带轮和x方向从动同步带轮之间，x方向滑轨组件与基座的顶部连接，y方向线性模组的支撑板与x方向滑轨组件的滑块连接，支撑板通过同步带连接件与x方向同步带连接。

优选地，行走机构包括转轮驱动电机、两个主动转轮以及两个从动转轮，两个主动转轮与基座的后部连接，两个从动转轮与基座的前部连接，转轮驱动电机通过支架与基座的后侧连接，转轮驱动电机的输出轴通过转轴与两个主动转轮连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型占用空间小，尤其高度小从而适用于层间距较小的床架。实现了自动化、智能化采摘作业，代替人工手动采摘作业，无需大量劳动力，采摘速度快、准确度高、效率高，大幅降低了生产成本；采摘质量高，不会发生遗漏。对于密疏不均生长在一起的蘑菇，本实用新型也是适用的。

本实用新型进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是蘑菇自动采摘机器人的立体图；

图2是蘑菇自动采摘机器人的主视图；

图3是蘑菇自动采摘机器人俯视图；

图4是蘑菇自动采摘机器人左视图；

图5是摘取装置与y方向线性模组安装在一起的立体图；

图6是图5所示结构的主视图；

图7是图5所示结构的俯视图；

图8是图5所示结构的左视图；

图9是摘取装置的立体图；

图10是摘取装置的主视图；

图11是摘取装置的俯视图；

图12是摘取装置的剖视图；

图13是转运装置的结构示意图；

图14是图13所示转运装置上摆放若干个蘑菇的示意图；

图15是蘑菇自动采摘机器人安装在多层床架上的结构示意图；

图16是图15中的局部位置放大图；

图17是基座的设置用于输出蘑菇的出口的结构示意图；

图18是x方向线性模组的结构示意图；

图19是x方向线性模组的剖视图；

图20是控制系统原理框图；

图21是蘑菇自动采摘机器人工作过程流程图；

图22是图21所示流程中，图像算法的一种具体实现过程流程图。

图中符号说明：

100.基座，200.行走机构，300.x方向线性模组，301.x方向平移驱动电机，302.x方向主动同步带轮，303.x方向从动同步带轮，304.x方向同步带，305.x方向滑轨组件，306.电机支架，307.同步带连接件；400.y方向线性模组，401.支撑板，401-1.孔道，402.y方向平移驱动电机，403.主动同步带轮，404.从动同步带轮，405.同步带，406.滑轨组件，406-1.滑块，407.双目摄像头，500.摘取装置，501.支架，502.同步带连接件，503.升降丝杆电机，503-1.螺母座，503-2.丝杆，504.导轨组件，504-1.滑块，505.吸盘安装架，505-1.螺母座连接部，505-2.导轨通道，506.吸盘转动驱动电机，507.主同步带轮，508.从同步带轮，510.空心转轴，511.轴承，512.吸盘，513.传感器安装座，514.真空泵，515.气管，516.距离传感器，517.同步带；600.转运装置，601.左端连接架，602.转运驱动电机，603.锥齿轮组件，604.第一左同步带轮，605.第二左同步带轮，606.第一右同步带轮，607.第二右同步带轮，608.第一传送同步带，609.第二传送同步带，610.右端连接架，611.转轴，

1.蘑菇，2.多层床架，2-1.金属型材。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1-4所示，蘑菇自动采摘机器人包括基座100、行走机构200、x方向线性模组300、y方向线性模组400、摘取装置500、转运装置600，行走机构200安装在基座100的底部，行走机构200采用现有公知的结构，具体可以采用转轮和电机的结构，电机的输出轴通过链传动组件或皮带传动组件等传动机构与转轮连接；x方向线性模组300与基座100连接，y方向线性模组400与x方向线性模组300连接，x方向线性模组300动作能够带动y方向线性模组400按照图3所示的方位左右平移运动。摘取装置500与y方向线性模组400连接，y方向线性模组400动作能够带动摘取装置500按照图3所示的方位上下平移运动。

如图5-8所示，y方向线性模组400包括支撑板401、y方向平移驱动电机402、主动同步带轮403、从动同步带轮404、同步带405、滑轨组件406、双目摄像头407，y方向平移驱动电机402通过支架固定安装在支撑板401上，主动同步带轮403与y方向平移驱动电机402的输出轴固定连接，从动同步带轮404与支撑板401转动连接，同步带405连接于主动同步带轮403和从动同步带轮404之间，滑轨组件406固定安装在支撑板401上；支撑板401设有孔道401-1。双目摄像头407安装在支撑板401上，双目摄像头407能够采集支撑板401下方区域蘑菇的图像信息。

如图9-12所示，摘取装置500位于z方向，摘取装置500包括支架501、同步带连接件502、升降丝杆电机503、螺母座503-1、导轨组件504、吸盘安装架505、吸盘转动驱动电机506、主同步带轮507、从同步带轮508、空心转轴510、轴承511、吸盘512、传感器安装座513、真空泵514、气管515、距离传感器516、同步带517，升降丝杆电机503固定安装在支架501的顶面，升降丝杆电机503上的丝杆503-2穿过支架501，螺母座503-1与升降丝杆电机503的丝杆连接匹配，导轨组件504固定安装在支架501上，吸盘安装架505设有螺母座连接部505-1，螺母座连接部505-1与螺母座503-1通过螺钉固定连接，螺母座连接部505-1设有通孔505-1-1，丝杆503-2穿过通孔505-1-1，导轨组件504上的滑块504-1与螺母座连接部505-1的侧面固定连接，吸盘安装架505设有导轨通道505-2；升降丝杆电机503工作带动吸盘安装架505沿竖直方向上下运动时，导轨组件504能够穿过导轨通道505-2；吸盘转动驱动电机506固定安装在吸盘安装架505的一端，主同步带轮507与吸盘转动驱动电机506的输出轴固定连接，空心转轴510通过轴承511与吸盘安装架505的另一端转动连接，从同步带轮508套在空心转轴510的上端进行固定连接，同步带517连接于主同步带轮507和从同步带轮508之间，吸盘512与空心转轴510的下端固定连接，传感器安装座513与空心转轴510固定连接，距离传感器516与传感器安装座513连接(距离传感器516的数量优选为3个以上)，气管515的一端穿过空心转轴510的中心通孔后与吸盘512连接，真空泵514固定安装在支架501的底面，气管515的另一端与真空泵514连接。吸盘转动驱动电机506工作能够通过主同步带轮507、同步带517和从同步带轮508构成的传动组件带动空心转轴510转动，空心转轴510进而带动吸盘512转动。螺母座连接部505-1位于主同步带轮507和从同步带轮508之间。参考图5，支架501通过同步带连接件502与y方向线性模组400的同步带405固定连接，支架501的顶面与y方向线性模组400中滑轨组件406的滑块406-1固定连接，升降丝杆电机503的本体穿过支撑板401的孔道401-1。整个摘取装置500的结构巧妙，小型化设计，占用空间小。

如图13所示，转运装置600包括左端连接架601、转运驱动电机602、锥齿轮组件603、第一左同步带轮604、第二左同步带轮605、第一右同步带轮606、第二右同步带轮607、第一传送同步带608、第二传送同步带609、右端连接架610、转轴611，转运驱动电机602固定安装在左端连接架601上，转轴611与左端连接架601转动连接，转运驱动电机602的输出轴通过锥齿轮组件603与转轴611连接，第一左同步带轮604、第二左同步带轮605分别与转轴611固定连接，第一右同步带轮606、第二右同步带轮607分别与右端连接架610转动连接，第一传送同步带608连接于第一左同步带轮604和第一右同步带轮606之间，第二传送同步带609连接于第二左同步带轮605和第二右同步带轮607之间，第一传送同步带608和第二传送同步带609相互平行并排布置。转运驱动电机602工作能够带动第一传送同步带608和第二传送同步带609按照图中箭头方向同步运动。参考图1和3，右端连接架610固定安装在基座100的右侧，基座100的右侧正对右端连接架610的位置开有用于输出蘑菇的出口100-1(如图17所示)，左端连接架601固定安装在基座100的左侧，转运装置600位于y方向线性模组400的下方。

如图18和19所示，x方向线性模组300包括x方向平移驱动电机301、x方向主动同步带轮302、x方向从动同步带轮303、x方向同步带304、x方向滑轨组件305、电机支架306、同步带连接件307，x方向平移驱动电机301通过电机支架306固定安装在基座100的侧面，x方向主动同步带轮302与x方向平移驱动电机301的输出轴连接，x方向从动同步带轮303与基座100的顶部100-2转动连接，x方向同步带304连接于x方向主动同步带轮302和x方向从动同步带轮303之间，x方向滑轨组件305安装在基座100的顶部100-2上。y方向线性模组400的支撑板401的后端与x方向滑轨组件305的滑块连接，支撑板401的后端通过同步带连接件307与x方向同步带304连接。x方向平移驱动电机301工作能够带动支撑板401沿x轴方向运动。

如图1和19所示，行走机构200包括转轮驱动电机201、转轴203和两个主动转轮202以及两个从动转轮，两个主动转轮202安装在基座100的后部，两个从动转轮安装在基座100的前部，转轮驱动电机201通过支架安装在基座100后侧，转轮驱动电机201的输出轴通过转轴203与两个主动转轮202连接。转轮驱动电机201工作能够驱动两个主动转轮202转动。

下面以采摘双孢蘑菇为例，对蘑菇自动采摘机器人的工作过程进行说明：

如图15和16所示，将蘑菇自动采摘机器人安装在多层床架2其中一层两侧的金属型材2-1上，行走机构200左右两侧的转轮放置在两根金属型材2-1上，两根金属型材2-1作为轨道使用，行走机构200工作进而使整个机器人沿着两根金属型材2-1在一层床架上移动。

如图21所示，蘑菇自动采摘机器人的工作流程包括以下步骤：

步骤s101，在控制器的控制指令下，机器人整体沿轨道运动，进入采摘区域。

步骤s102，x方向线性模组300动作从而带动y方向线性模组400的支撑板401匀速运动，支撑板401带动双目摄像头407匀速运动，双目摄像头407对采摘区域的双孢蘑菇进行图像预扫描，将采集到的图像信息发送给控制器。

步骤s103，控制器通过图像算法筛选出该采摘区域内所有成熟双孢蘑菇。

步骤s104，控制器计算所有成熟双孢蘑菇的坐标(x,y,z)。

步骤s105，控制器依据坐标(x,y)，指令x方向线性模组300和y方向线性模组400联动将摘取装置500的吸盘512移动至双孢蘑菇的上方。

步骤s106，控制器坐标值z指令摘取装置500的升降丝杆电机503工作，升降丝杆电机503工作进而带动吸盘512向下运动靠近双孢蘑菇的菌盖。

步骤s107，吸盘512持续接近双孢蘑菇的菌盖，距离传感器516检测吸盘512与菌盖之间的距离d并反馈给控制器。

步骤s108，控制器判断d是否小于等于0，如果是则进入步骤s109。

步骤s109，真空泵514工作，吸盘512产生负压将菌盖吸住。

步骤s110，控制器判断负压是否小于设定值，如果是则进行步骤s111。

步骤s111，吸盘转动驱动电机506工作，驱动吸盘512先正转一定角度，再反转一定角度，从而折断双孢蘑菇的菌柄。

步骤s112，升降丝杆电机503工作进而带动吸盘512向上运动，将双孢蘑菇提起。

步骤s113，x方向线性模组300和y方向线性模组400联动将双孢蘑菇移动至第一传送同步带608和第二传送同步带609上方。

步骤s114，真空泵514泄压，吸盘512释放双孢蘑菇，双孢蘑菇落入第一传送同步带608和第二传送同步带609之间的空隙，第一传送同步带608和第二传送同步带609支撑住双孢蘑菇，转运驱动电机602工作将双孢蘑菇输出，然后通过外部的收集装置对双孢蘑菇进行收集。

步骤s115，该区域是否采摘完毕，如果是则进行步骤s116，否则进入步骤s105继续进行下一个双孢蘑菇的采摘动作。

步骤s116，判断是否是最后一个采摘区，如果是则进入步骤s117，否则进入步骤s101使机器人进入下一个采摘区域。

步骤s117，机器人停止工作。

上述步骤s103、s104中，图像算法的具体过程的一种实现形式是(参考图22)：

采用双目视觉方式对双孢蘑菇进行识别与计算，首先根据所需采摘的双孢蘑菇样本图像开展训练，建立样本模型库，进而形成双孢蘑菇的特征库，供后续采摘过程中的图像识别比对。采摘作业开始时，双目摄像头对采摘区域的双孢蘑菇进行拍摄，获得若干照片，通过深度学习算法提取双孢蘑菇的图像特征，并与之前建立的双孢蘑菇特征库进行特征匹配，实现目标识别。在此基础上，开展轮廓识别并计算双孢蘑菇的直径，将达到采摘标准(成熟)的双孢蘑菇筛选出来，针对成熟双孢蘑菇分别计算其x、y、z坐标值，获得所有成熟双孢蘑菇的坐标集合，并将其发送至机器人的控制系统。

为克服双目视觉算法计算双孢蘑菇z坐标存在的测量误差，在吸盘周边均匀布置3个以上距离传感器，当吸盘沿z向(垂直方向)向下运动逼近双孢蘑菇的过程中，多个距离传感器将测得系列距离值{di}，对其取均值d＝(d1+d2+…+dn)/n，当d小于设定阈值时，可认为吸盘已零距离接触食用菌的菌伞部分，不会造成吸附过程中的漏气现象，从而有利于采摘的顺利进行。

需要说明的是，本实用新型的吸盘吸住双孢蘑菇后，吸盘512先向一个方向转一定角度，再反向转一定角度，进而折断双孢蘑菇的菌柄，是一种全新的，准确度高，采摘成功率非常高的摘取方式。当然，吸盘吸住双孢蘑菇后，也可以不让吸盘进行转动，直接将蘑菇提起。

需要说明的是，本实施例只是以双孢蘑菇作为举例，不限于采摘双孢蘑菇，还可以采摘其他食用菌。

以上所述仅对本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。