[發明專利]柑橘采摘機器人的柔性采摘裝置和方法

無效

• 申請號: 200810024764.9
• 申請日: 2008-05-05
• 公開（公告）號: CN101273688A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 蔡健榮
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: A01D46/30
• 分類號: A01D46/30;B25J9/12;B25J13/08;B25J15/08;B25J18/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種針對柑橘類球形水果采摘方法和裝置，將力覺、溫覺、視覺、距離等多傳感器信息融合，及時反饋信息以實現執行部件對水果的柔性采摘。

背景技術

在水果生產作業中，果實采摘約占整個作業量的33～50％。由于采摘作業的復雜性，采摘自動化程度仍然很低。目前，農業勞動力將逐漸向社會其它產業轉移，世界各國面臨著人口老齡化問題，勞動力資源不足將逐漸變為現實，水果收獲機器人作為農業機械的重要分支，能夠降低人勞動強度，提高勞動生產率和產品質量，保證果實適時采收，具有很大發展潛力。

人工柑橘采摘時，采用“復剪法”采果，第一剪離果蒂1cm附近處剪下，再齊果蒂剪第二剪，要求果蒂平整，萼片完整。由于同一樹的果實成熟期不同，因此在采摘時不能損傷未成熟果以及枝葉。

柑橘采摘機器人系統中，末端執行器設計是難點，要求能準確抓取水果，實現果、樹分離，如何切斷柑橘短而堅硬的果梗是果、樹分離的關鍵。日本學者研究了一種夏橙收獲機器人，該裝置由橡膠手指抓住水果，汽缸驅動剪刀剪斷果梗。如果末端執行器和水果之間枝葉等障礙物，橡膠手指靠近水果時會過早彎曲，無法抓取水果，即使抓住果實，當果梗不在剪切范圍也無法剪斷，這種裝置手爪過于笨重，影響機器人整體結構。美國研究人員研制的柑橘采摘機器人，其末端執行器有一個圓弧刀片，可以快速轉動180度，切斷果梗，由于柑橘果梗堅硬，如果刀片不夠鋒厲，一次切割難以切斷，這種設計很容易傷及果實，據報導采摘時造成44％的水果損傷，可見這種裝置缺乏柔性。經美國專利檢索，Fruit?Picker(5428947)，Citrus?Harvesting?Machine(5666795)，Dual?Pressure?Release?Assembly?For?A?Fruit?HarvestingMachine(6006507)，Continuously?Advancing?Fruit?Harvesting?Machine(US?6263652?B1)等專利，主要利用移動機械將梳狀的果實采摘臂伸入果樹，當手臂收回時安裝在采摘臂上的鉤子鉤住果梗，并將其折斷，實現果、樹分離。這是一種單純的收獲機械，既不考慮果實成熟期，也不判斷鉤住的是否為果梗，因此極易損傷果實和果樹。其他柑橘類水果采摘裝置大多是為方便人工采摘而設計，如Fruit?Picking?Apparatus(US?6182431?B1)等，國內相關柑橘采摘裝置的專利也是主要為人工采摘設計。

發明內容

鑒于現有裝置和方法存在的缺陷，本發明的目的是提供一種柑橘采摘機器人的柔性采摘裝置和方法。

本發明的技術方案如下：

本發明所述柑橘采摘機器人的柔性采摘裝置由兩部分組成：果實采摘硬件裝置和軟件控制系統。

果實采摘硬件裝置由計算機視覺系統、工控系統、機械手臂、末端執行器幾部分組成。

末端執行器部分包括：真空吸附裝置、手爪和切割裝置。

1)機械手臂：完成將末端執行器送到指定位置的工作。如圖1所示，機械臂由5個自由度旋轉關節組成，機械臂包括底座(1)、腰關節(2)、肩部(3)、肩關節(4)、大臂(5)、肘關節(6)、小臂(7)、腕關節(8、9)、末端執行器安裝架(10)、末端執行器(11)。其中腕關節有2個自由度，可以實現轉動(8)和上下擺動(9)。每個關節都由齒輪(16)、齒型帶(17)、編碼盤(18)、減速器(19)、電機(20)和電機驅動器(21)連接組成。

2)視覺系統：主要實現非結構性工作環境的信號采集，完成目標和背景分割，果實成熟度判定和定位功能，如圖1所示。主要硬件為安裝在機械臂基座上的雙目立體視覺系統(12)，通過USB接口與主計算機(13)相連，實現環境信息的采集。自行編制的計算機軟件完成成熟果實識別、定位，障礙物識別，規劃機器人運動路徑。

3)工控系統：實現各部件的運動控制。如圖1所示，包括工控機(14)，內插多個運動控制卡(15)用于控制機械臂各關節(2，4，6，8，9)和末端執行器(11)運動。

4)真空吸附裝置：實現吸附和牽引水果的功能。如圖2所示，該裝置末端是橡膠吸盤(30)，安裝在吸盤導桿(47)上，吸盤導桿固定在吸盤支架(48)上，吸盤支架和螺桿(49)相連，螺桿末端和吸盤電機(27)連接，電機驅動實現吸盤的前后運動，電機固定在末端執行器安裝架(10)上。水果采摘時，吸盤伸出，并驅動真空泵(29)抽真空，當吸盤吸住水果時，吸盤內的壓力傳感器(31)檢測到真空度發生突變控制吸盤回收，可以牽引出樹枝中的水果，便于采摘。