基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，机械臂、嵌入式主控制端、视觉识别机构和筛选机构安装在底座支撑机构上，机械臂的末端安装有末端执行机构；末端执行器固定架安装在机械臂的末端，末端执行器舵机安装在末端执行器固定架上，凸轮安装在末端执行器舵机传动轴上，凸轮的下端与柔性上蜈蚣爪相接触，柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪通过蜈蚣爪卡扣相连接，蜈蚣爪卡扣的中间安装有扭簧，用于柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪的啮合；柔性下固定爪固定在末端执行器固定架上。本发明专利技术具有很好的仿生效果，柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪的仿生蜈蚣爪细长形状可以很好地适用于果实定位与采摘，可以迅速促进果实和枝条的分离。条的分离。条的分离。

【技术实现步骤摘要】
基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人


[0001]本专利技术属于农业机械领域，具体涉及一种基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人。

技术介绍

[0002]枸杞在我国种植范围广泛，目前枸杞采收机械主要包括往复振动采收装置和气吸式采收装置。如专利CN106612960A公开了一种全自动枸杞采摘机，振摇系统、收集运输系统以及果叶分离系统，其中振摇系统用于将枸杞、枸杞叶从枸杞树上以振摇的方式分离下来；但是该装置在采摘和振摇过程中，目标果实、枝叶与机械机构间的刚性接触会将枸杞果实和枸杞叶一起振落下来，加大后续的果叶分离难度，且易损伤果实表皮，采摘效率较低。如专利CN111034461A公开了一种气吸梳刷式枸杞采摘机，工作时将树枝夹入两逆向旋转的梳刷工作头之间，引风机启动后将果柄由下垂状变为水平状，当枝条通过两逆向转动的工作头时，与其产生相对运动，果实从枝条梳摘进入输送管；但是该装置在气吸过程中对叶片和枝条存在一定的损伤程度。因此，如何减少枸杞采摘过程中对枸杞枝叶的损伤，提高采摘效率，是本领域迫切需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，结构简单，同时保护果实和枝叶，采摘效率高。
[0004]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0005]一种基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，包括机械臂、末端执行机构2、嵌入式主控制端3、视觉识别机构4、底座支撑机构5、筛选机构6；机械臂、嵌入式主控制端3、视觉识别机构4和筛选机构6安装在底座支撑机构5上，机械臂的末端安装有末端执行机构2。
[0006]所述机械臂为四自由度舵机机械臂1，包括大底座7、小底座8、机械臂舵机固定架9、机械臂舵机10、交叉滚子轴承11、主动臂12、从动臂13；大底座7安装在底座支撑机构5上，大底座7与小底座8通过螺纹紧固连接，机械臂舵机固定架9安装在大底座7与小底座8之间，交叉滚子轴承11通过机械臂舵机10的舵机头安装在小底座8上，该机械臂舵机10通过传动轴带动交叉滚子轴承11旋转；另有三个相同型号的机械臂舵机分别安装在主动臂12上、主动臂12与从动臂13的交界处、从动臂的末端，分别用于控制主动臂12、从动臂与末端执行机构的运动。
[0007]所述的末端执行机构2，包括末端执行器固定架14、凸轮15、末端执行器舵机传动轴16、末端执行器舵机17、柔性上蜈蚣爪18、柔性下固定爪19、柔性蜈蚣爪卡扣20、扭簧21；末端执行器固定架14安装在四自由度舵机机械臂的末端，末端执行器舵机17安装在末端执行器固定架14上，凸轮15安装在末端执行器舵机传动轴16上，凸轮15的下端与柔性上蜈蚣爪18相接触，柔性上蜈蚣爪18与柔性下固定爪19通过蜈蚣爪卡扣20相连接，蜈蚣爪卡扣20
的中间安装有扭簧21，用于柔性上蜈蚣爪18与柔性下固定爪19的啮合；柔性下固定爪19固定在末端执行器固定架14上。所述柔性上蜈蚣爪18与柔性下固定爪19均为软性硅胶材料。
[0008]本专利技术仿生蜈蚣爪结构末端执行器的工作步骤为：采摘机器人接近待采摘枸杞枝条，末端执行器舵机传动轴16转动，带动凸轮15在前后
±
60
°
的角度上进行旋转，由于凸轮15与柔性上蜈蚣爪18始终处于相切约束，凸轮15转动时带动柔性上蜈蚣爪18后端下压，使得柔性上蜈蚣爪18相对于柔性下固定爪19张开一个可调角度并保持不变；当采摘机器人到达待采摘枸杞枝条时，末端执行器舵机17反转，柔性上蜈蚣爪18在扭簧21弹性回复力的作用下自动向下咬合夹持枸杞枝条，完成枸杞枝条的抓取；最后末端执行器在机械臂整体配合运动下往空间坐标
‑
Z方向进行平移运动，将枸杞与其枝条分离，完成枸杞的采摘。
[0009]本专利技术仿生蜈蚣爪结构末端执行器的工作原理是：本专利技术末端执行器是仿生蜈蚣爪结构，柔性上蜈蚣爪18与柔性下固定爪19在工作期间啮合抓取枝条，实现牢固抓取枝条，其啮合的紧密程度与目标枝条的抓取点直径相关；在凸轮15转动过程中，凸轮15处于从动件，柔性上蜈蚣爪18与柔性下固定爪19啮合处于凸轮15的回程运动，爪子张开处于凸轮15的推程运动，凸轮的转动角度根据抓取枝条的直径自适应调整，其自适应算法采用最小二乘法准则，由嵌入式主控制端3实现。因为本专利技术的采摘过程为低转速与轻载场合，所以凸轮15的运动规律为等速运动。
[0010]所述的嵌入式主控制端3，包括无线通信发送模块、电机驱动模块，安装在底座支撑机构5上。
[0011]所述的视觉识别机构4包括侧置双目识别系统和前置双目识别系统，具体包括PC视觉处理端22、侧置双目相机23、前置双目相机24、相机固定架25。PC视觉处理端22安装在底座支撑机构5上。侧置双目相机23和前置双目相机24分别通过相机固定架25固定于底座支撑机构5的侧边和前方。
[0012]所述的底座支撑机构5，包括铝型材机架26、底盘连接板27、底盘28、履带29、履带轮30、钣金件31。底盘连接板27安装在铝型材机架26的底部，底盘28通过钣金件31安装在底盘连接板27上。底盘28的内部安装有电源，作为采摘机器人的电力源。履带轮30安装在履带上，用于带动履带29运动。
[0013]所述的筛选机构6，包括筛板固定架32、大孔径上筛板33、小孔径下筛板34、收集框35。大孔径上筛板33、小孔径下筛板34、收集框35均通过固定架32安装在底座支撑机构上；大孔径上筛板33与小孔径下筛板34以10
°
～20
°
的角度交错安装；大孔径上筛板33的孔径直径为15mm～25mm；小孔径下筛板34的孔径直径为5mm～12mm。
[0014]所述基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人的应用，包括下述步骤：
[0015](1)获取枸杞树位姿坐标：通过侧置双目相机23获取枸杞树图片，通过计算进行三维重构，得到枸杞果实数量情况与枸杞枝条位置信息；
[0016](2)目标枸杞枝条选择：统计同一根枸杞枝条上的成熟枸杞数量，若该枸杞枝条上被识别的枸杞红果(即要采摘的成熟的枸杞果实)数量为15颗以上，则视该枝条为目标枝条；枝条选择原则为由外至内，由上至下；
[0017](3)抓取点确认：根据上述目标枝条，选取最高点枸杞的位置，末端执行器的抓取点位置设计为最高点枸杞的位置上沿5～10cm，根据目标枝条夹取点所在的空间区域确定目标抓取点的位置信息，得到抓取点坐标；
[0018](4)靠近抓取点：首先粗定位，即根据抓取点坐标，四自由度舵机机械臂规划做优运动轨迹，快速靠近至距离目标区域10～15cm内；然后精定位，即在粗定位的基础上，根据目标枝条的位姿调整末端执行机构的位姿，并张开末端执行机构的柔性上蜈蚣爪18，并以匀速靠近目标枝条，柔性上蜈蚣爪18向柔性下固定爪19靠拢合并进行果实抓取；
[0019](5)结束点确认：当末端执行机构已成功夹持抓取点时，侧置双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：机械臂、嵌入式主控制端、视觉识别机构和筛选机构安装在底座支撑机构上，机械臂的末端安装有末端执行机构；所述的末端执行机构，包括末端执行器固定架、凸轮、末端执行器舵机传动轴、末端执行器舵机、柔性上蜈蚣爪、柔性下固定爪、柔性蜈蚣爪卡扣、扭簧；末端执行器固定架安装在机械臂的末端，末端执行器舵机安装在末端执行器固定架上，凸轮安装在末端执行器舵机传动轴上，凸轮的下端与柔性上蜈蚣爪相接触，柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪通过蜈蚣爪卡扣相连接，蜈蚣爪卡扣的中间安装有扭簧，用于柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪的啮合；柔性下固定爪固定在末端执行器固定架上。2.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述机械臂为四自由度舵机机械臂，包括大底座、小底座、机械臂舵机固定架、机械臂舵机、交叉滚子轴承、主动臂、从动臂；大底座安装在底座支撑机构上，大底座与小底座通过螺纹紧固连接，机械臂舵机固定架安装在大底座与小底座之间，交叉滚子轴承通过机械臂舵机的舵机头安装在小底座上；另有三个机械臂舵机分别安装在主动臂上、主动臂与从动臂的交界处、从动臂的末端。3.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述柔性上蜈蚣爪与柔性下固定爪均为软性硅胶材料。4.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述的嵌入式主控制端，包括无线通信发送模块、电机驱动模块，安装在底座支撑机构上。5.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述的视觉识别机构包括侧置双目识别系统和前置双目识别系统；PC视觉处理端安装在底座支撑机构上；侧置双目相机和前置双目相机分别通过相机固定架固定于底座支撑机构的侧边和前方。6.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述的底座支撑机构，包括铝型材机架、底盘连接板、底盘、履带、履带轮、钣金件；底盘连接板安装在铝型材机架的底部，底盘通过钣金件安装在底盘连接板上；底盘的内部安装有电源；履带轮安装在履带上。7.根据权利要求1所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人，其特征在于：所述的筛选机构，包括筛板固定架、大孔径上筛板、小孔径下筛板、收集框；大孔径上筛板、小孔径下筛板、收集框均通过固定架安装在底座支撑机构上；大孔径上筛板与小孔径下筛板以10
°
～20
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的角度交错安装；大孔径上筛板的孔径直径为15mm～25mm；小孔径下筛板的孔径直径为5mm～12mm。8.一种权利要求1～7中任一项所述的基于视觉识别的仿生蜈蚣爪结构小果实采摘机器人的应用，其特征在于包括下述步骤：(1)获取枸杞树位姿坐标：通过侧置双目相机获取枸杞树图片，通过计算进行三维重构，得到枸杞果实数量情况与枸杞枝条位置信息；(2)目标枸杞枝条选择：统计同一根枸杞枝条上的成熟枸杞数量，若该枸杞枝条上被识别的枸杞红果数量为15颗以上，则视该枝条为目标枝条；枝条选择原则为由外至内，由上...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹湘军，李楚瑜，黄聪驰，何楚洪，李明欢，周浩，陈召仪，林怡延，潘耀强，邹天龙，
申请(专利权)人：佛山市中科农业机器人与智慧农业创新研究院，
类型：发明
国别省市：