本發(fā)明涉及水果采摘技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多軸水果采摘機器人。

背景技術(shù)：

目前水果己成為繼糧食、蔬菜之后的第三農(nóng)作物，水果產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中具有重要地位。在食品消費結(jié)構(gòu)中，隨著主食消費比重的緩慢下降和副食品消費比重的上升，水果消費在整個食物消費中的比重也在逐步上升。蘋果、柑橘、梨是我國水果的主要種植品種，無論是面積還是產(chǎn)量均在前三位，約占整個水果產(chǎn)量的50％左右。綜上所述，我國蘋果、柑橘、梨種植、特別巨大，若采用人工收獲，效率必然低下，而且也不能滿足市場對果蔬時令性和新鮮度的要求。且21世紀(jì)以來，我國面臨人口老齡化問題日趨嚴(yán)重，而且隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力逐漸向工業(yè)及其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)勞動力嚴(yán)重短缺且成本逐漸提高。水果釆摘作業(yè)是水果生產(chǎn)中最耗時、最費力的環(huán)節(jié)，水果收獲期間需投入的勞力約占整個生產(chǎn)過程的50％-70％左右。而且在水果采摘作業(yè)中經(jīng)常需要借助梯子登高，長時間作業(yè)不僅勞動強度大也具有一定的危險性。以上眾多因素給水果的收獲帶了極大的困難，因此在果實收獲中，機械和計算機智能控制行業(yè)的不斷發(fā)展，使得智能機器人在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，故在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用智能采摘機器人；國外在采摘機器人研究方面，雖然取得了不少研究成果，但由于沒有一個清晰的戰(zhàn)略思想，很多研究工作也基本處于停滯狀態(tài)。而且由于受到技術(shù)、市場和價格等條件的影響，真正能實現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品很少。雖然國內(nèi)在采摘機器人領(lǐng)域起步相對較晚，但近些年發(fā)展速度很快。目前已有很多國內(nèi)科研人員在該領(lǐng)域做了不少研究和探索工作，但水果智慧化釆摘極其復(fù)雜，目前仍有不少難題有待研究和探索。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供一種多軸水果采摘機器人。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種多軸水果采摘機器人，包括底部支架、機械執(zhí)行系統(tǒng)和總線控制系統(tǒng)，所述底部支架上設(shè)有前置導(dǎo)向輪和后置動力輪，且所述前置導(dǎo)向輪電性連接轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機，所述后置動力輪電性連接行進驅(qū)動電機，所述機械執(zhí)行系統(tǒng)包括固定支架、三軸絲桿滑臺、絲桿步進電機和機械手爪，所述固定支架固定在底部支架上，所述三軸絲桿滑臺固定在固定支架內(nèi)，所述三軸絲桿滑臺上固定有豎向絲桿、直線導(dǎo)軌和碳纖維桿，所述直線導(dǎo)軌設(shè)置在豎向絲桿兩側(cè)，所述固定支架上底部還設(shè)有橫向絲桿，所述豎向絲桿和橫向絲桿均通過中間軸連接聯(lián)軸器連接絲桿步進電機；所述碳纖維桿前端固定安裝有機械手爪，且所述機械手爪電性連接機械手爪驅(qū)動電機；所述固定支架頂部設(shè)置第一攝像頭和光電距離傳感器，所述底部支架前端設(shè)置第二攝像頭。

優(yōu)選的，所述總線控制系統(tǒng)電性連接機械執(zhí)行系統(tǒng)，所述總線控制系統(tǒng)包括can總線、can收發(fā)控制器、信號采集模塊和導(dǎo)航模塊，所述can總線連接can收發(fā)控制器，所述can收發(fā)控制器分別連接轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機、行進驅(qū)動電機、絲桿步進電機和機械手爪驅(qū)動電機；所述can總線雙向信號連接信號采集模塊，所述信號采集模塊輸入端分別連接第一攝像頭、光電距離傳感器、第二攝像頭和導(dǎo)航模塊。

優(yōu)選的，所述前置導(dǎo)向輪采用工業(yè)橡膠定向輪，所述后置動力輪采用12v大扭矩直流電機驅(qū)動的麥克納姆輪。

優(yōu)選的，所述第二攝像頭采用rer-usbfhdo1鏡頭。

優(yōu)選的，所述三軸絲桿滑臺的升降高度為100cm-160cm。

優(yōu)選的，所述總線控制系統(tǒng)還連接工控機，所述工控機上設(shè)有觸摸顯示屏。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對水果的自動識別和采摘，降低果農(nóng)的勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、保證果實及時采收、保證果品質(zhì)量，而且對于促進我國農(nóng)業(yè)科技進步，加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程有著重大的現(xiàn)實意義；本發(fā)明中采用的攝像頭自動對焦馬達鏡頭采集水果顏色信息，通過圖像顏色矩陣處理識別水果的成熟度，可控的區(qū)分水果的可采與不可采設(shè)計，使得多軸水果采摘機器人能更好的滿足果園主對采摘水果效果的意愿；另外，本發(fā)明中，前置導(dǎo)向輪和后置驅(qū)動輪形成三輪機構(gòu)能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的果園地理環(huán)境地面，減少許多移動過程中物理因素的干涉，提高工作效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明主視圖；

圖2是本發(fā)明側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明俯視圖；

圖4為本發(fā)明的控制原理框圖；

圖5為本發(fā)明的水果識別流程圖；

圖6為本發(fā)明的整體控制流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述：

如圖1、圖2、圖3、涂4、圖5、圖6所示，一種多軸水果采摘機器人，包括底部支架1、機械執(zhí)行系統(tǒng)和總線控制系統(tǒng)，所述底部支架1上設(shè)有前置導(dǎo)向輪2和后置動力輪3，前置導(dǎo)向輪2采用工業(yè)橡膠定向輪，所述后置動力輪3采用12v大扭矩直流電機驅(qū)動的麥克納姆輪。該輪橡膠輪面以及多向移動的特點可以提高多軸水果采摘機器人底盤的抓地力和實時進行方向的移動，便于減少執(zhí)行控制系統(tǒng)指令的反應(yīng)時間，以適應(yīng)更為狹窄的果園環(huán)境；且所述前置導(dǎo)向輪2電性連接轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機4，所述后置動力輪3電性連接行進驅(qū)動電機5，所述機械執(zhí)行系統(tǒng)包括固定支架6、三軸絲桿滑臺7、絲桿步進電機8和機械手爪9，所述固定支架6固定在底部支架1上，所述三軸絲桿滑臺7固定在固定支架6內(nèi)，三軸絲桿滑臺7的升降高度為100cm-160cm；所述三軸絲桿滑臺7上固定有豎向絲桿10、直線導(dǎo)軌11和碳纖維桿12，所述直線導(dǎo)軌11設(shè)置在豎向絲桿10兩側(cè)，所述固定支架6上底部還設(shè)有橫向絲桿13，所述豎向絲桿10和橫向絲桿13均通過中間軸連接聯(lián)軸器連接絲桿步進電機8；所述碳纖維桿12前端固定安裝有機械手爪9，且所述機械手爪9電性連接機械手爪驅(qū)動電機14；所述固定支架6頂部設(shè)置第一攝像頭15和光電距離傳感器16，所述底部支架1前端設(shè)置第二攝像頭17；第二攝像頭17采用rer-usbfhdo1鏡頭。

本發(fā)明中，總線控制系統(tǒng)電性連接機械執(zhí)行系統(tǒng)，所述總線控制系統(tǒng)包括can總線18、can收發(fā)控制器19、信號采集模塊20和導(dǎo)航模塊21，所述can總線18連接can收發(fā)控制器19，所述can收發(fā)控制器19分別連接轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機4、行進驅(qū)動電機5、絲桿步進電機8和機械手爪驅(qū)動電機14；所述can總線18雙向信號連接信號采集模塊20，所述信號采集模塊20輸入端分別連接第一攝像頭15、光電距離傳感器16、第二攝像頭17和導(dǎo)航模塊21；總線控制系統(tǒng)還連接工控機22，所述工控機22上設(shè)有觸摸顯示屏。第一攝像頭實時捕捉果園路況標(biāo)志，經(jīng)圖像處理后傳至控制系統(tǒng)中心，由can總線控制根據(jù)程序設(shè)定的算法程序使舵機轉(zhuǎn)向有停靠標(biāo)志的待采摘果樹，再驅(qū)動后輪大扭矩動力電機行進。

工作原理：水果識別方法包括以下步驟：待摘水果信號采集：攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至ccd芯片上，ccd根據(jù)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出，再處理得到的視頻信號，采集特有的標(biāo)志物信息，再進行相應(yīng)的回饋指令；水果識別：針對傳統(tǒng)的canny操作數(shù)進行柑橘邊緣檢測存在假邊緣的同時還會丟失灰度值變化緩慢的局部邊緣問題，本發(fā)明根據(jù)柑橘圖像邊緣梯度特征信息，提出了利用信息熵來自適應(yīng)確定canny操作數(shù)的高、低閾值。自我調(diào)整canny操作數(shù)比傳統(tǒng)的邊緣檢測方法得到的邊緣連通性好，定位精度高，抗噪性能強，同時該方法提高了柑橘邊緣檢測的自動化程度；待采果實的邊緣識別自適應(yīng)算法設(shè)計：在水果識別的過程中如何得到清晰標(biāo)準(zhǔn)的圖像是保證采摘的重要前提，基于傳統(tǒng)的邊緣識別算法，得到的圖像噪點多，不好判斷，故采用自適應(yīng)carry算子算法處理。操作數(shù)算法設(shè)計，其步驟如下：用高斯濾波器平滑圖像；用一階偏導(dǎo)的有限差分來計算梯度的幅值和方向；對梯度值進行非極大值抑制；用雙閾值算法檢測和連接邊緣。

經(jīng)過以上對圖像處理流程，可以得到較清晰圖像，同時擁有以下好處：低錯誤率:標(biāo)識出盡可能多的實際邊緣，同一時候盡可能的降低噪聲產(chǎn)生的誤報；高定位性:標(biāo)識出的邊緣要與圖像中的實際邊緣盡可能接近；最小回應(yīng):圖像中的邊緣僅僅能標(biāo)識一次，而且可能存在的圖像噪聲不應(yīng)標(biāo)識為邊緣。

采摘原理：輪式移動平臺可根據(jù)攝像頭和的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)導(dǎo)航，rer-usbfhdo1鏡頭實時捕捉果園路況，按規(guī)劃好的路徑前進，當(dāng)鏡頭采集到果樹標(biāo)志信息，傳輸?shù)娇刂贫?，根?jù)信息發(fā)出指令，于待采摘的果樹前適當(dāng)位置停靠；由第一攝像頭采集視野內(nèi)果實信息，由近到遠(yuǎn)進行排序，以不同成熟度的果實顏色的不同將得到不同的像素矩陣，再以經(jīng)過大量訓(xùn)練后得出的果實成熟度顏色與當(dāng)前視野最近距離果實果色像素矩陣進行比對，得出是否可以進行采摘行為信息；若滿足采摘要求則通知總線控制中心發(fā)出定位指令，根據(jù)視野信息得到待采水果三維坐標(biāo)信息，釆摘機械手爪旋轉(zhuǎn)至各個圖像采集位姿，機械臂末端關(guān)節(jié)處的第二攝像機采集果樹果實圖像，保存果實中心點在攝像機坐標(biāo)系下的空間位置坐標(biāo)，然后再由工控機將果實中心點坐標(biāo)換算到機械手爪的基坐標(biāo)系下。完成坐標(biāo)換算后，工控機再對機械臂采摘路徑進行規(guī)劃和運動學(xué)求解。當(dāng)機械手爪運動至目標(biāo)位姿，驅(qū)動直流絲桿電機架構(gòu)的三軸定位工作臺進行定位功能，在采摘距離到達一定距離后由光電距離傳感器紅外線漫反射進行衡量，達到定位要求則輸送信號給控制端，驅(qū)動采摘機構(gòu)實施采摘行為，當(dāng)果實與樹枝分離時，機械手爪驅(qū)動電機工作，當(dāng)末端執(zhí)行器運動至果實收集管道時，機械手爪自動張開，果實通過收集管道滑落到收集箱內(nèi)；若不滿足采摘要求，則發(fā)送信息到控制端，開始下一個果實成熟度信息采集，直至采完，開始下一棵樹的果實采集。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對水果的自動識別和采摘，降低果農(nóng)的勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、保證果實及時采收、保證果品質(zhì)量，而且對于促進我國農(nóng)業(yè)科技進步，加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程有著重大的現(xiàn)實意義；本發(fā)明中采用的攝像頭自動對焦馬達鏡頭采集水果顏色信息，通過圖像顏色矩陣處理識別水果的成熟度，可控的區(qū)分水果的可采與不可采設(shè)計，使得多軸水果采摘機器人能更好的滿足果園主對采摘水果效果的意愿；另外，本發(fā)明中，前置導(dǎo)向輪和后置驅(qū)動輪形成三輪機構(gòu)能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的果園地理環(huán)境地面，減少許多移動過程中物理因素的干涉，提高工作效率。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。