一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是：所述机械执行系统包括智能移动平台、水果采摘机械臂和两指式采摘机械手，所述智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架、支撑立柱、横梁、减速机等。所述控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、编码器、GPS、单目摄像机组件、双目摄像机、激光测距传感器、控制电路等。本发明专利技术将水果采摘机械臂、两指式采摘机械手、智能移动平台和传感器系统几个部分集成在一起，将果实的识别、采摘机械臂的运动、末端执行器的抓取和移动平台的自主导航与避障等几个关键技术进行整合，真正实现水果采摘的自动化、无人化。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人
，尤其是一种自主导航的履带式水果采摘机器人。
技术介绍
我国是水果生产大国，近年水果的年产量在9500万吨左右，约占世界水果总产量的18%。从20世纪70年代至今，果园的种植面积和总产量一直呈现上升的趋势。根据以往调查数据显示，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，约占整个水果产量的50%左右。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，水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的50%。而且在水果采摘作业中经常需要借助梯子登高，长时间作业不仅劳动强度大而且具有一定的危险性。以上众多因素给水果的收获带来了极大的困难，因此研究开发一种自动化的水果采摘机器人迫在眉睫。水果采摘机器人不仅能够降低果农的劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本、保证果实及时采收、保证果品质量， 而且对于促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。放眼全球，对农业机器人的研究大概始于20世纪80年代初。目前日本、法国和美国在该领域已成为研究的先锋。相对于这些发达国家，我国在该领域的研究起步较晚，大概始于20世纪90年代中期。目前国内有不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。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；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等。此外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发出草莓拣选机器人；赵杰文等研究了基于HIS颜色特征的田间成熟番茄识别技术；梁喜凤等对番茄收获机械手运动学特性进行了分析，并对番茄收获机械手运动学优化与仿真进行了试验。从以上研究可以看出，国内的科研人员在果蔬采摘领域做了大量的工作，但是水果的采摘是个极其复杂的系统工程，目前仍有很多难题没有解决。比如以上研究大多是集中在水果采摘机械臂、各种末端执行器、视觉传感器系统等几个单方面的研究，几乎没有人将水果采摘机械臂、末端执行器、传感器系统和智能移动平台整个系统结合在一起深入研究。这就带来一个问题，研究出来的采摘机器人仍然需要人的协助(将采摘机器人固定在车辆上， 人工驾驶车辆，不能自主导航)才能完成采摘任务。该问题不仅在国内出现，而且在国外也广泛存在。因此，从本质上讲，水果的采摘还没有真正实现完全自动化，无人化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自主导航的履带式水果采摘机器人，本专利技术就是针对以上研究中存在的问题，将六自由度的采摘机械臂、末端执行器、传感器系统和智能移动平台整个系统结合在一起，将六自由度的采摘机械臂的运动、末端采摘机械手的抓取和智能移动平台的自主导航等几个关键步骤融合在一起，真正实现了水果采摘的完全自动化，无人化。本专利技术的技术方案是一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是 所述机械执行系统包括履带式智能移动平台、六自由度的采摘机械臂和两指式末端采摘机械手；所述履带式智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架、支撑立柱、横梁、减速机、前箱体和后箱体及侧面挡板，其中两个履带总成通过四根横梁与履带支撑梁焊接，实验设备固定机架和履带式智能移动平台之间通过四根支撑立柱连接，前箱体和后箱体及侧面挡板由支撑立柱上的支架支撑；每个所述履带总成包括承重轮、导向轮、张紧轮、驱动轮、履带、履带支撑梁、减速机及减速机固定座，减速机安装在减速机固定座上；所述采摘机械臂固定在履带式智能移动平台前端的采摘机械臂固定基座上，采摘机械臂的控制柜固定在履带式智能移动平台的后端；所述双目摄像机位于六自由度的采摘机械臂末端关节的上侧，两个GPS接收机分别位于工控机的前后两侧。伺服电机驱动器及电气柜放置在履带式智能移动平台中部，工控机主机位于电气柜上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内，单目摄像机组件位于工控机上方。所述控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机、光电编码器、两个GPS接收机、单目摄像机组件、双目摄像机、激光测距传感器、力传感器、滑觉传感器、控制电路、伺服电机驱动器及电气柜。一种利用自主导航的履带式水果采摘机器人进行水果采摘的方法，其特征在于包括以下步骤单目摄像机检测果树的位置；当检测到视野范围内有果树时，工控机向运动控制卡发送履带式智能移动平台停止前进指令，同时向采摘机械臂的控制器发送指令，使采摘机械臂上的双目摄像机旋转到正对果树方向；双目立体视觉系统采集果树和障碍物的图像信息，对成熟果实及其周围障碍物进行图像识别，然后主控制器工控机解算出果实相对采摘机械臂基坐标的空间位置坐标以及水果抓取所需位姿信息。接下来主控制器工控机再对采摘路径进行规划，确保采摘过程中机械臂不会碰到障碍物。最后两指式末端采摘机械手抓取水果，将水果放入水果收集箱内；重复执行以上过程，直到采摘范围里的水果全部采摘完毕，履带式智能移动平台继续前进，并重复以上行走和水果采摘过程；当双目摄像机检测到路面果树行特征丢失，则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禾呈。还包括以下步骤如果前进过程中双目摄像机和激光测距传感器检测到移动平台前进方向上有障碍物， 工控机就会将双目摄像机检测的障碍物大小信息、激光测距传感器与双目摄像机检测的采摘机器人距离障碍物的深度信息、GPS系统检测的采摘机器人当前位姿信息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。本专利技术的有益效果是本专利技术的优点是(1)在水果采摘领域首次将采摘机器人的自主导航系统和水果自动采摘系统融合在一起，实现了水果采摘完全自动化、无人化；(2)履带式智能移动平台结构简单，重量轻，能适应多种复杂路况，驱动轮和承重轮采用的是高分子材料，在满足强度的前提下减轻了重量，同时还能起到一定的减震作用；(3)整个移动平台由伺服电机和减速机驱动，用编码器来反馈当前位置信息，能够实现精确的位置控制；(4)导航采用的DGPS系统，除了基站的接收机以外，智能移动平台上还有两个接收机。该系统不仅能获取智能移动平台位置和姿态信息，而且主控制器工控机还能将DGPS获取的导航信息与双目摄像机、激光测距传感器的信息进行融合，这就大大提高了智能移动平台导航精度和避障能力；(5) 所述采摘机器人视觉传感器中的双目摄像机采用分时复用方案，避免使用两个双目相机， 既满足了使用要求，又节约成本。当智能移动平台需要视觉导航时，六自由度的采摘机械臂旋转至导航所需的初始位姿，进行导航图像信息的采集。当需要采摘水果时，六自由度的采摘机械臂末端关节旋转至正对果树方向，采集果树图像信息，解算水果空间位置坐标，获取水果抓取所需位姿信息；(6)实验设备固定架与采摘机器人的底盘用螺栓联接，方便拆卸， 可以做到一机多用，如在非水果收获季节可用作除草、喷药、施本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是：所述机械执行系统包括履带式智能移动平台、六自由度的采摘机械臂和两指式末端采摘机械手；所述履带式智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架（６）、支撑立柱（９）、横梁（１２）、减速机（１４）、前箱体（７）和后箱体及侧面挡板（２１），其中两个履带总成通过四根横梁（１２）与履带支撑梁（１３）焊接，实验设备固定机架（６）和履带式智能移动平台之间通过四根支撑立柱（９）连接，前箱体（７）和后箱体及侧面挡板（２１）由支撑立柱（９）上的支架支撑；每个所述履带总成包括承重轮（１９）、导向轮（２０）、张紧轮（１０）、驱动轮（１６）、履带（１１）、履带支撑梁（１３）、减速机（１４）及减速机固定座（１５），减速机（１４）安装在减速机固定座（１５）上；所述采摘机械臂（３）固定在履带式智能移动平台前端的采摘机械臂固定基座（４）上，采摘机械臂（３）的控制柜（２２）固定在履带式智能移动平台的后端。
【技术特征摘要】
1.一种自主导航的履带式水果采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统，其特征是所述机械执行系统包括履带式智能移动平台、六自由度的采摘机械臂和两指式末端采摘机械手；所述履带式智能移动平台包括两个履带总成、实验设备固定机架(6)、支撑立柱(9)、 横梁(12)、减速机(14)、前箱体(7)和后箱体及侧面挡板(21)，其中两个履带总成通过四根横梁(12)与履带支撑梁(13)焊接，实验设备固定机架(6)和履带式智能移动平台之间通过四根支撑立柱(9 )连接，前箱体(7 )和后箱体及侧面挡板(21)由支撑立柱(9 )上的支架支撑；每个所述履带总成包括承重轮(19)、导向轮(20)、张紧轮(10)、驱动轮(16)、履带 (11)、履带支撑梁(13)、减速机(14)及减速机固定座(15)，减速机(14)安装在减速机固定座(15)上；所述采摘机械臂(3)固定在履带式智能移动平台前端的采摘机械臂固定基座(4)上， 采摘机械臂(3)的控制柜(22)固定在履带式智能移动平台的后端。2.根据权利要求1所述的自主导航的履带式水果采摘机器人，其特征在于所述双目摄像机(2)位于六自由度的采摘机械臂(3)末端关节的上侧，两个GPS接收机分别位于工控机 (27)的前后两侧；伺服电机驱动器(24)及电气柜(30)放置在履带式智能移动平台中部，工控机(27)主机位于电气柜(30)上侧，运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别插装在工控机的PCI插槽内，单目摄像机组件(28)位于工控机(27)上方。3.根据权利要求1所述的自主导航的履带式水果采摘机器人，其特征在于所述控制系统包括工控机(27)、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、伺服电机(19)、光电编码器、两个GPS接收机、单目摄像机组件(28)、双目摄像机(2)、...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾宝兴，姬长英，安秋，王海青，田光兆，赵文旻，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：84
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