本发明涉及智能农业采摘机器技术领域，尤其涉及一种自走式智能果蔬采摘收集机器人及其实现方法。
背景技术：
我国是农业大国，也是农产品和水果需求大国，随着城镇化进程加快，大量农村劳动力人口涌入城镇以及其他产业，导致农业劳动人口减少。我国是菠萝水果的消费大国，由于菠萝的口感好以及营养价值高，受到了大家欢迎。目前我国的菠萝种植一般集中在我国南方地区，采摘方式为手工采摘，人工采摘的方式一般有两种，一种是拿小刀切断菠萝果茎；另外一种就是通过折弯来采摘。由于菠萝的采摘季节短，利用现有的采摘方式采摘效率低，若劳动力不足将造成收获不及时导致菠萝过熟影响运输和储藏。
技术实现要素：
为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种自走式智能果蔬采摘收集机器人及其实现方法，通过设置智能识别路径小车、两轴直线移动装置、采摘装置、运输与收集装置和图像采集装置，实现实时调整农业机器人的行走路径，准确控制农业机器人的行走精度，提高果蔬采摘效率。
本发明采用以下技术方案来实现：一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，包括智能识别路径小车、两轴直线移动装置、采摘装置、运输与收集装置和图像采集装置；其中，智能识别路径小车作为主体搭配和移动平台，分别与两轴直线移动装置、运输与收集装置、图像采集装置连接，采摘装置与两轴直线移动装置连接。
本发明方法采用以下技术方案来实现：一种自走式智能果蔬采摘收集实现方法，包括以下步骤：
s1、利用水平图像采集相机采集前方路径图像，将路径图像信息传至华为云端，华为云端返回路径信息，闭环控制系统控制智能识别路径小车沿识别的路径行走；通过距离传感器检测路径情况，将获取的信号传至闭环控制系统，控制智能识别路径小车通过转向装置转向，绕过障碍物；
s2、双目相机将采集到的图像信号传到华为云端，当识别出有果蔬时，华为云端返回数据结果，闭环控制系统自动控制智能识别路径小车停止移动，根据双目相机测距原理和算法计算出摄像头与果蔬的垂直距离；
s3、通过几何关系计算出果蔬与原始标定在智能识别路径小车上相对点的实际距离，利用闭环控制系统控制两轴直线移动装置使采摘装置的机械爪包裹果蔬，并通过驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸伸长，推动控制板往前移动，使机械爪闭合，夹紧果蔬；
s4、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸伸长，利用双摇杆原理，将整个采摘机械手绕着气缸附件旋转达到采摘的目的；
s5、通过驱动两轴直线移动装置使机械爪移动至调节好的初始位置即传送带上方，驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸缩回来，推动控制板往后移动，使机械爪张开，果蔬将置于传送带上；
s6、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸缩回去，机械爪回归原位，且处于张开状态进行下一个循环采摘；
s7、果蔬通过传送带运输落入收集箱中，若收集箱装满，则转动挡板，换上新的收集箱继续储存。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过设置智能识别路径小车、两轴直线移动装置、采摘装置、运输与收集装置、图像采集装置和闭环控制系统，实现实时调整农业机器人的行走路径，准确控制农业机器人的行走精度，提高果蔬采摘效率。
2、本发明通过两轴直线移动装置，在控制系统的控制下精确达到菠萝的位置，结构紧凑且简单。
3、本发明采用简单的四杆机构实现果蔬从植株上采摘下来，实现果蔬从植株上分离开来的前提下，减少对果蔬的伤害。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明智能识别路径小车的结构示意图；
图3是本发明两轴直线移动装置结构示意图；
图4是本发明两轴直线移动装置的横向直线移动模块示意图；
图5是本发明两轴直线移动装置的纵向直线移动模块示意图；
图6是本发明采摘装置结构示意图；
图7是机械爪结构示意图；
图8是本发明运输与收集装置的传送装置结构示意图；
图9是本发明运输与收集装置的收集装置结构示意图；
图10是本发明图像采集装置结构示意图；
图11是本发明果蔬收集装置移动至传送带的结构示意图；
图中，1是智能识别路径小车，2是两轴直线移动装置，3是采摘装置，4是运输与收集装置，5是图像采集装置，101是第一横梁，102是立柱，103是动力轮，104是距离传感器，105是第一纵梁，106是转向轴，107是倾斜底座，108是第二横梁，109是第二纵梁，110是第三纵梁，111是转向轴支撑板，112转向电机，201是齿条，202是导轨，203是铝型材，204是大齿轮，205是小齿轮，206是纵轴移动连接板，207是横轴移动连接板，208是齿轮，209是电机，210是固定滑块连接板，211是同步传送带，212是大齿轮固定装置，213是第一滑块，214是第二滑块，301是第一气缸，302是第一连接板，303是气缸附件，304是第二连接板，305是第二气缸，306是第三连接板，307是控制杆支架，308是橡胶爪套，309是机械爪，310是控制杆连接口，311是控制杆，312是控制板，313是第四连接板，401是传送带，402是悬挂架，403是收集箱，404是挡板，405是支撑架水平支撑臂，406是支撑架垂直支撑臂，501是相机垂直支撑臂，502是水平图像采集相机，503是相机水平支撑臂，504是双目相机。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，包括智能识别路径小车1、两轴直线移动装置2、采摘装置3、运输与收集装置4和图像采集装置5；其中，智能识别路径小车作为主体搭配和移动平台，分别与两轴直线移动装置、运输与收集装置、图像采集装置连接，采摘装置与两轴直线移动装置连接。
如图2所示，本实施例中，智能识别路径小车包括第一横梁101、第二横梁108、四根立柱102、四个动力轮103、距离传感器104、第一纵梁105、第二纵梁109、第三纵梁110、转向轴106、倾斜底座107，转向轴支撑板111，转向电机112；第一纵梁、第二纵梁、第三纵梁均分别与第一横梁、第二横梁连接；四根立柱分别与第一横梁、第二横梁连接，四根立柱的底部分别与四个动力轮连接，倾斜底座倾斜安装在第二纵梁上；在转向轴支撑板111的前端安装有距离传感器；转向电机112安装在第一横轴和第二横轴上，使转向轴转动。
如图3所示，本实施例中，两轴直线移动装置包括横轴直线移动模块和纵轴直线移动模块，两轴直线移动装置安装在第一纵梁和第三纵梁之间；其中，如图5所示，纵轴直线移动包括齿条201、导轨202、铝型材203、大齿轮204、小齿轮205、齿轮208、纵轴移动连接板206、固定滑块连接板210、大齿轮固定装置212、电机209、同步传送带211和第一滑块213；导轨固定在铝型材两侧，齿条固定在铝型材上，小齿轮通过同步传送带与大齿轮连接，电机固定在纵轴移动连接板上，纵轴移动连接板固定在横轴直线移动模块上，通过大齿轮、小齿轮和齿条以及第一滑块实现纵轴移动直线模块移动，通过齿轮齿条以及导轨实现横轴移动直线模块移动。如图4所示，横轴直线移动模块包括铝型材203、导轨202、齿条201、电机209、齿轮208、横轴移动连接板207、第二滑块214。纵轴直线移动模块通过纵轴移动连接板固定在横轴直线移动模块横轴移动连接板上，且整个横轴直线移动模块通过铝型材固定在智能识别路径小车的倾斜底座上。
如图6、图7所示，本实施例中，采摘装置包括第一气缸301、第一连接板302、气缸附件303、第二连接板304、第二气缸305、第三连接板306、控制杆支架307、橡胶爪套308、机械爪309、控制杆连接口310、控制杆311、控制板312和第四连接板313；第一气缸通过气缸附件连接在第一连接板上，与第一连接板形成铰链，第一连接板固定在纵轴直线移动模块的铝型材上；第二连接板与第一气缸通过气缸附件连接在一起且形成铰链，第二连接板固定在第二气缸尾部；第三连接板、控制杆支架固定在第二气缸上；四根控制杆与控制杆支架连接，并且形成铰链，四根控制杆穿过控制板四个孔内，由控制板上的孔约束控制杆；如图7所示，机械爪通过控制杆连接口固定在控制杆上，橡胶爪套套在机械爪上，并且与其一起固定在控制杆上；第三连接板与第四连接板通过气缸附件来连接在一起，且彼此形成铰链；第四连接板固定在纵轴直线移动模块的铝型材上。通过第二气缸的伸缩以及控制杆、控制板的配合，使机械爪实现抓取松开。
本实施例中，运输与收集装置包括运输装置和收集装置；其中，运输装置包括传送带401、悬挂架402；收集装置包括收集箱403、挡板404、支撑架水平支撑臂405和支撑架垂直支撑臂406。如图8所示，运输装置的传送带固定在悬挂架上，悬挂架悬挂在智能识别路径小车的第二纵梁和第三纵梁上。如图9所示，收集装置的支撑架垂直支撑臂固定在智能识别路径小车第三立柱和第四立柱上，收集箱摆放在支撑架水平支撑臂上，挡板连接在支撑架水平支撑臂末端，与之形成铰链。
如图10所示，本实施例中，图像采集装置包括相机垂直支撑臂501、水平图像采集相机502、相机水平支撑臂503和双目相机504；其中，相机垂直支撑臂安装在智能识别路径小车第一纵梁上，水平图像采集相机安装在相机垂直支撑臂上，双目相机安装在相机水平支撑臂上，用于获取果蔬的距离。
本实施例中，通过利用闭环控制系统与华为云端相结合，闭环控制系统主要采用两湖科技lhem-2416-6pd-007运动控制卡；华为云端主要用于处理图像采集装置采集的果蔬坐标信号以及路径行走信号，并且传回数据结果，闭环控制系统通过这些数据和信号来控制协调整个智能果蔬采集收集机器人的采摘和行走。
如图11所示，本实施例中，为本发明果实采摘后移动至传送带的结构示意图，采摘装置通过两轴直线移动装置结合控制到达传送带上方，再松开爪子，放下果实。
操作时，包括以下步骤：
s1、利用水平图像采集相机采集前方路径图像，将路径图像信息传至华为云端，华为云端返回路径信息，闭环控制系统控制智能识别路径小车沿识别的路径行走；通过距离传感器检测路径上是否有大的石头或者地块凸起等，将获取的信号传至闭环控制系统，控制智能识别路径小车通过转向装置转向，绕过障碍物；
s2、双目相机将采集到的图像信号传到华为云端，当识别出有果蔬时，华为云端返回数据结果，闭环控制系统自动控制智能识别路径小车停止移动，根据双目相机测距原理和算法计算出摄像头与果蔬的垂直距离；
s3、通过几何关系计算出果蔬与原始标定在智能识别路径小车上相对点的实际距离，利用闭环控制系统控制两轴直线移动装置使机械爪张开状态的采摘装置移动至距离果蔬的合适位置，即机械爪夹紧后能够包裹果蔬，具体地，验证机械爪夹紧后是否能包裹果蔬是通过将双目相机采集的机械爪和果蔬相对位置相近的照片放入华为云端深度学习网络中测试来判断机械爪是否达到合适位置；气动电磁阀主要控制气流的通道来使气缸进行伸长或者缩回，通过驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸伸长，推动控制板往前移动，使机械爪闭合，夹紧果蔬；
s4、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸伸长，利用双摇杆原理，将整个采摘机械手绕着气缸附件旋转达到采摘的目的；
s5、通过驱动两轴直线移动装置使机械爪移动至调节好的初始位置即传送带上方，驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸缩回来，推动控制板往后移动，使机械爪张开，果蔬掉在传送带上；
s6、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸缩回去，机械爪回归原位，且处于张开状态进行下一个循环采摘；
s7、果蔬通过传送带运输落入收集箱中，待收集箱满后，转动挡板，换上新的收集箱继续储存。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
1.一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，包括智能识别路径小车、两轴直线移动装置、采摘装置、运输与收集装置、图像采集装置；其中，智能识别路径小车作为主体搭配和移动平台，分别与两轴直线移动装置、运输与收集装置、图像采集装置连接，采摘装置与两轴直线移动装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，智能识别路径小车包括第一横梁、第二横梁、四根立柱、四个动力轮、距离传感器、第一纵梁、第二纵梁、第三纵梁、转向轴、倾斜底座、转向轴支撑板和转向电机；
第一纵梁、第二纵梁、第三纵梁均分别与第一横梁、第二横梁连接；
四根立柱分别与第一横梁、第二横梁连接，四根立柱的底部分别与四个动力轮连接，倾斜底座倾斜安装在第二纵梁上；
转向轴支撑板的前端安装距离传感器；
转向电机安装在第一横轴和第二横轴上，用于转向轴的转动。
3.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，两轴直线移动装置包括横轴直线移动模块和纵轴直线移动模块，两轴直线移动装置安装在第一纵梁和第三纵梁之间；
其中，纵轴直线移动包括齿条、导轨、铝型材、大齿轮、小齿轮、齿轮、纵轴移动连接板、固定滑块连接板、大齿轮固定装置、电机、同步传送带和第一滑块；横轴直线移动模块包括铝型材、导轨、齿条、电机、齿轮、横轴移动连接板和第二滑块；
导轨固定在铝型材两侧，齿条固定在铝型材上，小齿轮通过同步传送带与大齿轮连接，电机固定在连接板上，纵轴移动连接板固定在横轴直线移动模块上；
纵轴直线移动模块通过纵轴移动连接板固定在横轴直线移动模块横轴移动连接板上，且整个横轴直线移动模块通过铝型材固定在智能识别路径小车的倾斜底座上。
4.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，采摘装置包括第一气缸、第一连接板、气缸附件、第二连接板、第二气缸、第三连接板、控制杆支架、橡胶爪套、机械爪、控制杆连接口、控制杆、控制板和第四连接板；
第一气缸通过气缸附件连接在第一连接板上，与第一连接板形成铰链，第一连接板固定在纵轴直线移动模块的铝型材上；
第二连接板与第一气缸通过气缸附件连接在一起且形成铰链，第二连接板固定在第二气缸尾部；
第三连接板、控制杆支架固定在第二气缸上；
四根控制杆与控制杆支架连接，并形成铰链，四根控制杆穿过控制板四个孔内，由控制板上的孔约束控制杆；
机械爪通过控制杆连接口固定在控制杆上，橡胶爪套套在机械爪上，并与其一起固定在控制杆上；
第三连接板与第四连接板通过气缸附件来连接在一起，且彼此形成铰链；
第四连接板固定在纵轴直线移动模块的铝型材上。
5.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，运输与收集装置包括运输装置和收集装置；其中，运输装置包括传送带、悬挂架；收集装置包括收集箱、挡板、支撑架水平支撑臂和支撑架垂直支撑臂；
运输装置的传送带固定在悬挂架上，悬挂架悬挂在智能识别路径小车的第二纵梁和第三纵梁上；
收集装置的支撑架垂直支撑臂固定在智能识别路径小车第三立柱和第四立柱上，收集箱摆放在支撑架水平支撑臂上，挡板连接在支撑架水平支撑臂末端，与其形成铰链。
6.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，图像采集装置包括相机垂直支撑臂、水平图像采集相机、相机水平支撑臂和双目相机；其中，相机垂直支撑臂安装在智能识别路径小车第一纵梁上，水平图像采集相机安装在相机垂直支撑臂上，双目相机安装在相机水平支撑臂上，用于获取果蔬的距离。
7.根据权利要求1所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人，其特征在于，闭环控制系统采用运动控制卡与华为云端信息交互；其中，华为云端用于处理图像采集装置采集的果蔬坐标信号以及路径行走信号且给予数据结果返回，并通过数据结果和运动控制卡控制和协调果蔬采摘过程。
8.一种自走式智能果蔬采摘收集实现方法，其特征在于，采用权利要求1～7中任一项所述的一种自走式智能果蔬采摘收集机器人进行果蔬采摘，包括以下步骤：
s1、利用水平图像采集相机采集前方路径图像，将路径图像信息传至华为云端，华为云端返回路径信息，闭环控制系统控制智能识别路径小车沿识别的路径行走；通过距离传感器检测路径情况，将获取的信号传至闭环控制系统，控制智能识别路径小车通过转向装置转向，绕过障碍物；
s2、双目相机将采集到的图像信号传到华为云端，当识别出有果蔬时，华为云端返回数据结果，闭环控制系统自动控制智能识别路径小车停止移动，根据双目相机测距原理和算法计算出摄像头与果蔬的垂直距离；
s3、通过几何关系计算出果蔬与原始标定在智能识别路径小车上相对点的实际距离，利用闭环控制系统控制两轴直线移动装置使采摘装置的机械爪包裹果蔬，并通过驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸伸长，推动控制板往前移动，使机械爪闭合，夹紧果蔬；
s4、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸伸长，利用双摇杆原理，将整个采摘机械手绕着气缸附件旋转达到采摘的目的；
s5、通过驱动两轴直线移动装置使机械爪移动至调节好的初始位置即传送带上方，驱动第二气缸气动电磁阀，使第二气缸缩回来，推动控制板往后移动，使机械爪张开，果蔬将置于传送带上；
s6、通过驱动第一气缸气动电磁阀，使第一气缸缩回去，机械爪回归原位，且处于张开状态进行下一个循环采摘；
s7、果蔬通过传送带运输落入收集箱中，若收集箱装满，则转动挡板，换上新的收集箱继续储存。
技术总结