[發明專利]水果采摘機器人的機械臂和末端執行器及水果采摘方法

有效

• 申請號: 201410159066.5
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103950033A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 姬長英;李國利;顧寶興;王芳;陸濤
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00;B25J13/08;A01D46/30
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 蔣家華;查俊奎

技術領域

本發明涉及農業采摘機器人領域，特別涉及一種水果采摘機器人的機械臂和末端執行器及水果采摘方法。

背景技術

隨著社會人口的老齡化和農業勞動力的逐步減少，一些繁重、單調的農業生產越來越需要機械化、自動化、智能化的機器來替代。計算機技術、傳感器技術、電子通信技術、自動控制技術的發展給農業機器人技術的發展提供了前所未有的可能，因此，農業機器人技術在很多國家取得了較大的發展。采摘作業是水果生產中最耗時、最費力的一個環節，其費用約占成本的50%～70%。水果采摘機器人的機械臂和末端執行器是農業機器人的重要類型，它能夠降低工人勞動強度和生產費用，具有很大發展潛力。

水果采摘機器人的機械臂和末端執行器一般由視覺系統、行走機構、控制系統、采摘機械臂和末端執行器等部分組成。末端執行器是安裝在采摘機器人機械臂前端直接作用于作業對象的部分，是采摘機器人核心部件之一。水果采摘機器人的機械臂和末端執行器作業時，由視覺系統獲得果樹圖像交與計算機處理，獲得目標果實的空間三維坐標后，由采摘機械臂將末端執行器送達目標果實位置，最后由末端執行器完成果實采摘。從上個世紀80年代中期以來，國內外研究人員開發設計了多種水果采摘機器人的機械臂和末端執行器。這些水果采摘機器人的機械臂和末端執行器基本設計有單個末端執行器，采摘作業時采摘機械臂為一個末端執行器服務，每采摘一個果實均需要一個完整的采摘流程，每個果實的平均采摘周期較長，采摘效率較低。研究人員也發明了多種末端執行器。這些末端執行器大致可分為吸入式、夾持式和吸持式三種結構，結構及其控制比較復雜，果實的獲取與回收工作環節較多，采摘速度不高。目前大多數水果采摘機器人的機械臂和末端執行器及其末端執行器沒有商品化，有的只是在實驗室或溫室中得到了初步應用。當前影響水果采摘機器人的機械臂和末端執行器及其末端執行器實用化的因素主要有（1）機器人及其末端執行器結構、作業方法、控制系統及驅動方式復雜，采摘速度較慢。（2）采摘準確率有待提高。影響采摘準確率的原因主要有：機器人目標果實視覺定位及機械臂位置定位誤差較大；末端執行器不能成功獲取果實或獲取后果實失落；采摘過程中自然風等因素引起果實晃動而使果實定位不準確等。（3）末端執行器采摘水果種類單一，通用性不好，制造和運行成本高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題，針對現有技術中的水果采摘機器人的機械臂和末端執行器基本設計有單個末端執行器，采摘作業時采摘機械臂為一個末端執行器服務，每采摘一個果實均需要一個完整的采摘流程，每個果實的平均采摘周期較長，采摘效率較低的技術問題。

本發明的目的是提供一種水果采摘機器人的機械臂和末端執行器及水果采摘方法，可以實現蘋果、柑橘、梨等球形水果的高效、高準確率采摘。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

一種水果采摘機器人的機械臂和末端執行器，包括果實采摘機械裝置和控制系統，果實采摘機械裝置包括母機械臂、固定在母機械臂上的不少于一個的子機械臂和固定在子機械臂上的末端執行器；

本發明所述的母機械臂的工作內容為將安裝在支架上雙目攝像機送到指定圖像采集點和將子機械臂及固定在子機械臂上的末端執行器送達指定果實采摘點，末端執行器完成目標果實采摘后，母機械臂將子機械臂和末端執行器送達果實回收點。

本發明中所述的母機械臂包括母臂Z軸、母臂r軸、母臂θ軸、底座、端架和支架；母臂θ軸轉動設置在底座上，母臂Z軸垂直固定設置在母臂θ軸上，母臂r軸垂直設置在母臂Z軸上，所述母臂r軸沿著母臂Z軸的軸向方向滑動，所述子臂θ軸繞著自身的中心軸線轉動；端架固定在母臂r軸的端頭，支架固定在母臂r軸上。

本發明所述子機械臂的工作內容為在母機械臂的配合下完成將末端執行器送達指定采摘位置，末端執行器完成目標果實采摘任務后，子機械臂在母機械臂的配合下完成將末端執行器送達果實回收點。

本發明中所述子機械臂的安裝數量，具體可根據實際情況進行設置。設置的子機械臂數量多，其可采摘的范圍大；反之，可采摘的范圍小。

本發明中所述的子機械臂包括子臂Z軸、子臂r軸、子臂θ軸和子臂法蘭；子臂Z軸與前述端架相連，子臂θ軸設置在子臂Z軸上，子臂θ軸沿著子臂Z軸的軸向方向滑動；子臂r軸與子臂θ軸相連，所述子臂r軸沿著子臂r軸的軸向方向伸縮，子臂θ軸可在水平面內左右方向旋轉；子臂法蘭設置在子臂r軸的端頭。

本發明中所述末端執行器的工作內容為完成目標果實的采摘與回收。