一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人及其采摘方法与流程

1.本发明属于果蔬采摘技术领域，具体涉及一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人及其采摘方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国农业的高速发展，果蔬种植规模越来越大，产量也逐年随之增长，但众所周知果蔬采摘具有季节性，并且果蔬的采摘期往往较短，这就造成果蔬成熟后采摘时，需要在短时间内完成采摘工作。但就我国目前状况来讲，大部分果蔬的采摘还是以传统的人工采摘为主，机械化采摘程度不高，而传统人工采摘具有以下弊端：
3.一是成本高、效率低、劳动强度大：传统的果蔬采摘需要大量的人力投入，成本高昂，且人工采摘劳动强度大、效率低，难以满足市场需求；
4.二是劳动力短缺：随着我国城市化进程的加速，农村劳动力外流严重，导致农业生产劳动力短缺，影响果蔬采摘的效率和质量；
5.三是采摘过程中存在安全隐患：果蔬采摘需要攀爬、弯腰等动作，容易造成工人受伤，存在安全隐患。
6.为了解决传统人工采摘的上述弊端，国内外研究单位相继开发了多种果蔬采摘机器人，例如柑橘采摘机器人、西红柿采摘机器人等，但现有的采摘机器人适应采摘的果蔬大小、种类受到限制，有些甚至只能采摘单种果蔬，通用性差。加之现有一部分采摘机器人执行机构采用直角坐标系机械臂将末端采摘机构送至目标区域，缺点是移动响应速度较慢，且在移动三个轴时容易触碰甚至损坏果蔬和/或枝条；另外一部分采摘机器人选用多自由度的串联机械臂(关节式机械臂)作为执行机构，如中国公开号为cn111937591a，名称为多自由度果蔬采摘机器人的发明专利，但由于串联采摘机器人存在累积误差和动态特性差等特性，使得此类采摘机器人的作业效率较低，难以适应如枣、核桃、板栗、橘子、圣女果等密度集中的果蔬采摘。
7.有鉴于此，本发明人提出一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人及其采摘方法，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人及其采摘方法，该采摘机器人能够解决现有技术存在的采摘效率低、易触碰甚至损坏果蔬和/或枝条，且通用性差的问题，该采摘机器人能够采摘各种不同类型的果蔬，尤其是可针对如枣、核桃、板栗、橘子、圣女果等密度集中果蔬，实现高效采摘的目标。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
10.一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人，包括；
11.具有底盘的行走机构，用于根据采摘区域的位置信息将采摘机器人移至目标区域；
12.机械臂，设置在所述行走机构的底盘上，所述机械臂包括转动设置的直线导轨，所述直线导轨上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动设在直线导轨上的支撑组件沿所述直线导轨往复移动，所述支撑组件上活动设有伸缩臂，所述伸缩臂底部安装有用于驱动其在支撑组件上往复移动的第二驱动机构，且所述伸缩臂移动的方向与直线导轨垂直；
13.末端采摘机构，可拆卸地安装在所述伸缩臂的前端，用于实现果蔬与果梗的分离；
14.收集机构，用于实时收集末端采摘机构采摘的果蔬；
15.视觉识别系统，用于获取图像数据；
16.控制处理系统，设置在所述行走机构的底盘上，所述行走机构、机械臂、末端采摘机构、收集机构以及视觉识别系统分别与控制处理系统连接。
17.进一步地，所述支撑组件包括支撑座和与所述支撑座连接、并位于直线导轨两侧的第一滚轮以及与所述支撑座连接、并位于伸缩臂两侧的第二滚轮；
18.其中，所述直线导轨同一侧面的两端对称安装有用于限定支撑座移动极限位置的限位结构；
19.所述支撑座的底部与第一驱动机构固定连接，且所述支撑座的上部安装有第二传动机构；
20.所述直线导轨的两侧布设有用于对第一滚轮进行定位引导的第一轨道，且所述第一滚轮活动卡接在第一轨道上；
21.所述伸缩臂的底部两侧布设有用于对第二滚轮进行定位引导的第二轨道，且所述第二滚轮活动卡接在第二轨道上。
22.进一步地，所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括同步带轮传动结构和驱动电机；
23.所述同步带轮传动结构包括主动齿轮、从动齿轮和绕设于所述主动齿轮和所述从动齿轮上的同步齿形带，且所述同步齿形带分别与主动齿轮和从动齿轮啮合，所述主动齿轮由驱动电机提供驱动力；
24.所述第一驱动机构的同步齿形带与支撑座的底部固定连接，所述第二驱动机构的同步齿形带与支撑座的上部固定连接。
25.进一步地，所述机械臂还包括丝杠螺母驱动机构，所述丝杠螺母驱动机构包括丝杠电机、丝杠螺母传动单元以及“人”字型支架，所述丝杠电机固设在伸缩臂上；
26.所述“人”字型支架的顶部可拆卸安装有末端采摘机构，底部一端与所述丝杠螺母传动单元铰接，另一端与所述伸缩臂铰接；所述丝杠电机通过丝杠螺母传动单元对“人”字型支架施加拉力或推力，用于调整所述末端采摘机构倾斜的角度。
27.进一步地，所述行走机构底盘前后部分别固设有支撑立柱，所述直线导轨的一端与支撑立柱通过轴承连接，另一端与设在所述支撑立柱上的旋转电机的输出轴固定连接；
28.所述收集机构包括收集框、收集通道和暂存室，所述收集框放置于行走机构底盘中部区域，所述收集框通过收集通道与固定设置在末端采摘机构下方的暂存室连接。
29.进一步地，所述末端采摘机构包括夹持部、第一驱动单元和第二驱动单元；所述第一驱动单元与夹持部连接，用以驱动所述夹持部进行旋转和/或伸缩运动；所述第二驱动单元与第一驱动单元连接，用以驱动所述第一驱动单元上下俯仰和/或左右摆动。
30.进一步地，所述第一驱动单元包括第一安装架和安装在所述第一安装架内的滚珠丝杠花键结构；
31.所述滚珠丝杠花键结构包括丝杠花键轴、对称分布在所述丝杠花键轴上的第一从动轮和第二从动轮、对称分布在第一安装架一侧的第一减速电机和第二减速电机；
32.所述第一减速电机驱动第一主动轮转动，所述第一主动轮通过传送带带动第一从动轮转动；所述第二减速电机驱动第二主动轮转动，所述第二主动轮通过传送带带动第二从动轮转动；
33.所述丝杠花键轴沿轴向开设有若干组平行沟槽，沿螺旋向开设有一条螺旋槽；所述丝杠花键轴上还分别安装有滚珠丝杠螺母和花键螺母，所述滚珠丝杠螺母通过法兰盘与第一从动轮连接，所述花键螺母通过法兰盘与第二从动轮连接；
34.当所述第一从动轮和第二从动轮中的任意一个转动，且另一个不动时，所述丝杠花键轴在滚珠丝杠螺母或花键螺母的转动下沿轴向进行伸出/缩回；当所述第一从动轮和第二从动轮同方向同速度转动时，所述丝杠花键轴在滚珠丝杠螺母和花键螺母的共同作用下进行旋转运动。
35.进一步地，所述第二驱动单元包括u型支架、第三减速电机、传动组件和第四减速电机；
36.所述第三减速电机水平固定安装在u型支架内，所述第四减速电机竖直铰接安装在u型支架上，所述第三减速电机通过传动组件驱动第四减速电机上下俯仰；
37.所述第四减速电机的输出轴与第一驱动单元固定连接，用以驱动所述第一驱动单元左右摆动。
38.进一步地，所述视觉识别系统包括第一相机、第二相机和第三相机，且分别与控制处理系统连接；
39.所述第一相机为导航相机，安装于行走机构的前后端，用于引导采摘机器人在避障的前提下按照导航路线行走；
40.所述第二相机安装于机械臂上，用于收集行走机构两侧果蔬的数据并上传至控制处理系统，所述控制处理系统经处理输出指令、分别控制行走机构和机械臂将末端采摘机构送至抵进待采摘果蔬位置；
41.所述第三相机安装于末端采摘机构上，用于采集目标采摘区域内果蔬数据信息并反馈给处理控制系统，所述处理控制系统经过处理、筛选后控制末端采摘机构采摘符合要求的果蔬。
42.同时，本发明提供一种基于上述采摘机器人的采摘方法，所述采摘方法包括以下步骤：
43.步骤一、向所述采摘机器人发送采摘指令，所述采摘机器人接收到采摘指令后，在所述视觉识别系统和控制处理系统的协同配合下，通过所述行走机构将采摘机器人移至目标区域；
44.步骤二、当所述采摘机器人移至目标区域后，控制处理系统根据视觉识别系统获取的目标区域果蔬植物特征图像数据，并控制机械臂的移动方向及角度，使安装于所述伸缩臂前端的末端采摘机构抵进待采摘果蔬位置；
45.步骤三、再通过所述视觉识别系统和控制处理系统的配合，控制所述末端采摘机
构采摘符合要求的果蔬；
46.步骤四、所述收集机构将末端采摘机构采摘后的果蔬收集。
47.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
48.1、本发明基于采摘机器人的采摘方法，能够在视觉识别系统与控制处理系统的协同配合下，先引导行走机构将采摘机器人移至目标区域；然后控制处理系统根据视觉识别系统获取的目标区域果蔬植物特征图像数据信息，控制机械臂的移动方向及角度，以便在不损伤果蔬和/或枝条的前提下，快速的将伸缩臂前端的末端采摘机构送至抵进待采摘果蔬位置；控制处理系统再根据视觉识别系统反馈的待采摘果蔬的数据信息(包括但不限于形状、尺寸、颜色等)，筛选后控制末端采摘机构采摘符合要求的果蔬，最后通过收集机构将采摘后的果蔬收集即可完成采摘程序。本发明设计的采摘机器人可实现整个采摘过程的完全自主化作业，提升了采摘效率，解决了现有技术中采摘期短，采摘量大，工作强度高，需要大量劳动力完成采摘工作的缺陷；同时本发明采摘机器人中的末端采摘机构与伸缩臂可拆卸连接，实际采摘时，可根据采摘果蔬对象的不同更换末端采摘机构或者夹持部，因此该采摘机器人能够采摘多种不同类型的果蔬，通用性好。
49.2、本发明提供的采摘机器人，该采摘机器人的机械臂沿机器人工作时的前进方向设置，机械臂包括转动设置的水平直线导轨、在直线导轨上移动的支撑座及伸缩臂、在支撑座上左右移动的伸缩臂以及设置在伸缩臂上的丝杠螺母驱动机构。通过以上设置可知，伸缩臂沿直线导轨往复移动(采摘机器人前进或后退方向移动)，可用于调整末端采摘机构与目标果蔬x轴方向的距离；伸缩臂沿支撑座往复伸缩移动(采摘机器人左右方向移动)，可用于调整末端采摘机构与目标果蔬y轴方向的距离；直线导轨本身能够旋转，可用于调整末端采摘机构与目标果蔬z轴方向的距离(采摘机器人上下方向移动)；同时通过丝杠螺母驱动机构可调整末端采摘机构与目标果蔬的角度。因此，通过多自由度的机械臂协同可快速的将末端采摘机构送至抵进待采摘果蔬位置，且在末端采摘机构在与待采摘果蔬抵进时，机械臂在转送末端采摘机构时仅有伸缩臂相对果蔬植物进行移动，因此能够更好的从果蔬植物的空隙中进入，避免触碰甚至损坏果蔬和/或枝条。
50.3、本发明提供的采摘机器人，该采摘机器人的末端采摘机构在接到采摘指令后第二驱动单元驱动第一驱动单元上下俯仰和/或左右摆动，以保证夹持部到达待采摘位置进行果蔬采摘。具体的，当夹持部到达待采摘位置时，先通过任意一个从动轮带动滚珠丝杠螺母转动(另外一个从动轮不动)，使丝杠花键轴沿轴向进行伸出；再通过第一从动轮带动滚珠丝杠螺母转动和第二从动轮带动花键螺母同方向同速度转动，使丝杠花键轴进行旋转运动，从而使夹持部带动待采摘果蔬旋转，使待采摘果蔬与果梗分离；最后通过任意一个从动轮带动滚珠丝杠螺母转动(另外一个从动轮不动)，使丝杠花键轴沿轴向进行缩回，即完成采摘。相对于现有技术，该末端采摘机构能够在小范围内小幅度的调整夹持部的角度及距离(此时机械臂不动)，因此既能够避免误伤附近不符合要求的熟果，又可以对小范围内的多个符合要求的目标果蔬实施采摘，特别适用于采摘类似枣、樱桃、橘子等集中果蔬，提高采摘效率。
51.4、本发明提供的采摘机器人，该采摘机器人的收集机构主要由收集框、收集通道和暂存室组成；其中暂存室安转于末端采摘机构的下方指定位置，当采摘果蔬完成后，夹持部在丝杠花键轴的带动下缩回至暂存室的正上方，夹持部松开后果蔬掉入暂存室，然后在
收集通道的导通下被收集框收集；同时收集框、收集通道和暂存室均采用柔性材质制作，避免损伤果蔬质量。
52.5、本发明提供的采摘机器人，该采摘机器人的行走机构具有底盘，底盘的前后端分别设置有壳体框架，用于容纳储能电池以及控制处理系统等硬件设备，前后壳体框架的顶面作为载台，用于承载机械臂，底盘的中间区域用于放置收集框，相对于现有技术该采摘机器人布局合理，充分利用底盘的空间位置，且采摘机器人整体平衡稳定。
53.6、本发明提供的采摘机器人，还包括与控制处理系统连接的多个编码器，多个编码器分别用于记载各个转动部件和移动部件的位置以及角度，且多个编码器在断电情况下分别通过电池进行供电，以便在采摘机器人断电后能记忆当前移动机构所在位置值，再次使用时不需要回到位置参考点来重新定位，进一步提高采摘效率。
附图说明
54.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
55.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
56.图1是本发明采摘机器人的整体结构示意图；
57.图2是本发明机械臂整体结构示意图；
58.图3是本发明机械臂中直线导轨与支撑组件连接结构示意图；
59.图4是本发明机械臂中第一、二驱动机构连接结构示意图；
60.图5是本发明机械臂限位结构示意图；
61.图6是本发明末端采摘机构整体结构示意图；
62.图7是本发明末端采摘机构中第一驱动单元结构示意图；
63.图8是本发明末端采摘机构中第二驱动单元结构示意图。
64.其中：
65.1为行走机构；
66.2为机械臂；21为直线导轨；22为第一驱动机构；23为支撑组件；24为伸缩臂；25为第二驱动机构；26为限位结构；27为丝杠螺母驱动机构；28为支撑立柱；29为旋转电机；211为第一轨道；231为支撑座；232为第一滚轮；233为第二滚轮；241为第二轨道；261为套筒；262为套杆；263为固定座；271为丝杠电机；272为丝杠螺母传动单元；273为“人”字型支架；
67.3为末端采摘机构；31为夹持部；32为第一驱动单元；33为第二驱动单元；321为丝杠花键轴；322为第一从动轮；323为第二从动轮；324为第一减速电机；325为第二减速电机；326为第一主动轮；327为第二主动轮；328为mark识别点；331为u型支架；332为第三减速电机；333为传动组件；334为第四减速电机；
68.4为收集机构；41为收集框；42为收集通道；43为暂存室；
69.5为视觉识别系统；41为第一相机；52为第二相机；53为第三相机；
70.6为处理控制系统。
具体实施方式
71.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
72.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
73.请参见图1～8，本发明实施例提供一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人，该采摘机器人用于在果蔬田园中代替人工采摘果蔬，其主要包括具有底盘的行走机构1、机械臂2、末端采摘机构3、收集机构4、视觉识别系统5和控制处理系统6；其中，机械臂2设置在行走机构1底盘上，该机械臂2包含四个自由度(旋转、前后水平移动、左右伸缩、角度调节)，方便将安装在机械臂2上的末端采摘机构3送至待采摘果蔬位置，然后再通过末端采摘机构3实现果蔬与果梗的分离，末端采摘机构3与机械臂2可拆卸连接，以便在采摘不同种类的果蔬时根据需求更换末端采摘机构3，从而实现对多种果蔬的采摘，提高采摘机器人适用范围；收集机构4，用于实时收集末端采摘机构3采摘的果蔬；视觉识别系统5，用于获取相关图像数据，辅助采摘机器人执行采摘程序；控制处理系统6设置在行走机构1的底盘上，并分别与行走机构1、机械臂2、末端采摘机构3、收集机构4以及视觉识别系统5电性连接，控制以上各个部件协同作业，从而高效的完成采摘程序。
74.具体的，本发明采摘机器人的行走机构1包括但不限于履带式或者滚轮式，只要能够实现采摘机器人整体移动即可，不做具体限定。本实施例以滚轮式行走机构1为例，其底盘底部前后方向两两为一组总共设有四个滚轮，相应的在底盘上安装有用于驱动滚轮移动的驱动电机以及控制该滚轮转向的转向系统，类似与现有技术简易的汽车底盘，不再详细赘述。需要说明的是，该行走机构1底盘上表面、前后端分别设置有壳体框架，前壳体框架内安装有转向系统以及与转向系统连接的控制处理系统6，后壳体框架内安装有驱动电机以及为各个用电器件提供电源的储能电池，通过前后壳体框架的设置，一方面可以保护设置在其内部的各种元器件，另一方面为安装机械臂2提供载台；同时在底盘上表面、位于两个壳体框架中间的区域用于放置采摘后的果蔬。可见，该采摘机器人布局合理，充分利用底盘的空间位置，保证了采摘机器人整体的平衡性和稳定性。
75.如图2～4所示，本发明实施例中的机械臂2包括转动设置的直线导轨21，且该直线导轨21沿采摘机器人工作时前进的方向水平设置，该直线导轨21上安装有第一驱动机构22，该第一驱动机构22用于驱动活动设在直线导轨21上的支撑组件23沿该直线导轨21往复移动，支撑组件23上活动设有伸缩臂24，该伸缩臂24底部安装有用于驱动伸缩臂24在支撑组件23上往复移动的第二驱动机构25，且伸缩臂24移动的方向与直线导轨21长度方向垂直，伸缩臂24的前端安装有末端采摘机构3。通过以上设置，我们以直线导轨21几何中心为圆心并以水平设置的直线导轨21长度方向为x轴，伸缩臂24左右伸缩方向为y轴，直线导轨21转动带动伸缩臂24端部的末端采摘机构3距地面的高度为z轴建立坐标系。可知，伸缩臂24通过支撑组件23安装在直线导轨21上，并通过第一驱动机构22带动伸缩臂24在直线导轨21上往复移动(沿采摘机器人前后方向移动)，能够用于调整末端采摘机构3与目标果蔬x轴方向的距离；伸缩臂24通过第二驱动机构25带动其沿支撑组件23左右方向往复移动(沿采
摘机器人左右方向移动)，能够用于调整末端采摘机构3与目标果蔬y轴方向的距离；而直线导轨21通过旋转可以调整末端采摘机构3与目标果蔬z轴方向的距离(沿采摘机器人上下方向移动)。因此，通过以上各个部件的协同配合，该机械臂2可将末端采摘机构3准确、快速的送至待采摘果蔬位置，同时在采摘机器人停止行走的情况下，由于直线导轨21相对果蔬植物的位置不变，实际伸入果蔬植物内部的仅有伸缩臂24以及其前端的末端采摘机构3，方便其绕开障碍(可从果蔬植物的空隙中穿入)，避免触碰甚至损坏果蔬和/或枝条。
76.具体的，本发明实施例中直线导轨21的两端分别与支撑立柱28连接，其中一个支撑立柱28通过轴承与直线导轨21的一端转动连接，另一个支撑立柱28上固设有旋转电机29，该旋转电机29的输出轴与直线导轨21的另一端固定连接，即通过控制旋转电机29的正反转向，就能够操控直线导轨21顺时针或者逆时针旋转。两个支撑立柱28分别通过紧固螺钉竖直安装在行走机构1底盘上的前后壳体框架上。优选的，直线导轨21、支撑立柱28以及伸缩臂24均为框体结构，一方面便于隐藏布设电线，保证用电安全，另一方面在保证结构强度的同时降低采摘机器人的自重，降低采摘机器人自身能耗，延长工作时间。
77.本发明实施例中支撑组件23包括支撑座231和与该支撑座231连接、并位于直线导轨21两侧的第一滚轮232以及与支撑座231连接、并位于伸缩臂24两侧的第二滚轮233；该支撑座231的底部与第一驱动机构22固定连接，且支撑座231的顶部固定安装有第二驱动机构25，相应的在直线导轨21的两侧布设有用于对第一滚轮232进行定位引导的第一轨道211，且该第一滚轮232活动卡接在第一轨道211上；在伸缩臂24的底部两侧布设有用于对第二滚轮233进行定位引导的第二轨道241，且该第二滚轮233活动卡接在第二轨道241上。优选的，第一滚轮232(第二滚轮233)与第一轨道211(第二轨道241)为凹凸配合结构，以避免直线导轨21在旋转时，支撑组件23脱离直线导轨21和/或伸缩臂24脱离支撑组件23，保证结构的稳定性和安全性。通过以上设置，由于第一驱动机构22的动力直接作用于支撑座231上，加之支撑组件23在与直线导轨21连接时通过滚轮与轨道滑动方式连接，因此减少了支撑组件23在直线导轨21上移动时的摩擦力和能量损耗，为伸缩臂24在直线导轨21上高速移动提供了结构支撑。同理，伸缩臂24在支撑组件23上移动的原理与支撑组件23在直线导轨21移动原理类似，只不过此时的移动件变为伸缩臂24，而支撑组件23相对于伸缩臂24为固定件，不再详细赘述。
78.如图4所示，本发明实施例中第一驱动机构22和第二驱动机构25均包括同步带轮传动结构和驱动电机，选择同步带轮传动结构，其优点表现在以下几个方面：1、同步带轮传动在工作时不需要滑动，有准确的传动比；2、传动效率高，节能效果佳；3、布局合理，结构紧凑；4、维护保养方便，运转费用低；5、恶劣环境条件下仍能正常工作。具体的，每个同步带轮传动结构包括主动齿轮、从动齿轮和绕设于该主动齿轮和该从动齿轮上的同步齿形带，且该同步齿形带分别与主动齿轮和从动齿轮啮合，同时第一驱动机构22的同步齿形带与支撑座231的底部固定连接，第二驱动机构25的同步齿形带与支撑座231的上部固定连接，两个主动齿轮分别通过对应的驱动电机提供驱动力。本实施例采用同步带轮传动结构+滚轮与轨道滑动的移动方式，该方式经过实际测试，支撑组件23在直线导轨21上的移动速度每秒最高可达10m，为高效快速采摘果蔬提供了结构支撑。优选的，在两个同步带轮传动结构的主动轮和从动轮的内侧均设置有刷子，用于清洁同步齿形带上的异物，防止异物进入影响轮齿与同步带的啮合传动；另外第一、二驱动机构22、25的走线均采用了拖链内置的方式，
以避免采摘机器人在果蔬田园中采摘时驱动机构的走线被树枝刮碰到，影响采摘机器人的正常运行。
79.进一步，本发明实施例为了保证支撑组件23在直线导轨21上高速移动时的安全性，在直线导轨21的同一侧面两端分别安装有用于限定支撑组件23移动极限位置的限位结构26，限位结构26的具体形式不做具体限定，只要能够实现上述功能即可。例如限位结构26可以采用如图5所示方式，该限位结构26包括水平设置的套筒261，该套筒261内安装有横截面为t型的套杆262以及碟簧(图中未显示)，套杆262直径大的一端设置于套筒261内部，相对直径小的一端在碟簧挤压的作用下始终伸出套筒261的开口端，套筒261通过固定座263及紧固螺钉安装在直线导轨21侧面上，且两个限位结构26对称设置，相应的在支撑座231上安装有伸出的限位档杆，当限位档杆与套杆262头部接触时，通过弹性碟簧卸载支撑座231的冲击力，保证支撑组件23长久稳定可靠工作。
80.另外，本发明实施例为了能够使机械臂2更容易的将末端采摘机构3送至抵进待采摘果蔬位置，机械臂2还包括丝杠螺母驱动机构27，该丝杠螺母驱动机构27包括丝杠电机271、丝杠螺母传动单元272(现有技术，不再赘述)以及“人”字型支架273；其中，丝杠电机271固设在伸缩臂24上；“人”字型支架273的顶部与末端采摘机构3可拆卸连接，底部一端与丝杠螺母传动单元272铰接，底部另一端与伸缩臂24铰接；丝杠电机271通过丝杠螺母传动单元272对“人”字型支架273施加拉力或推力，用于调整末端采摘机构3倾斜的角度；另外在末端采摘机构3上提供一个水平平台，通过丝杠螺母驱动机构27与末端采摘机构3的联动配合，使该水平平台在采摘过程中一直与地面平行，方便末端采摘机构3在采摘果蔬后进行实时收集。
81.如图6～8所示，本发明实施例中末端采摘机构3包括夹持部31、第一驱动单元32和第二驱动单元33；该第一驱动单元32与夹持部31连接，用以驱动夹持部31进行旋转和/或伸缩运动；第二驱动单元33位于第一驱动单元32的下方并与第一驱动单元32连接，用以驱动第一驱动单元32上下俯仰和/或左右摆动，以便在机械臂2大幅度调整使末端采摘机构3接近待采摘果蔬位置的基础上，再仅通过末端采摘机构3自身进行小幅度快速调整，即可进行采摘，通过该方式可以对小范围内的多个目标果蔬实施快速采摘，特别适用于采摘类似枣、樱桃、橘子等集中的果蔬，提高采摘效率。
82.具体的，如图7所示，第一驱动单元32包括第一安装架和安装在第一安装架内的滚珠丝杠花键结构；该滚珠丝杠花键结构包括丝杠花键轴321、对称分布在该丝杠花键轴321上的第一从动轮322和第二从动轮323、对称分布在第一安装架一侧的第一减速电机324和第二减速电机325；第一减速电机324驱动第一主动轮326转动，第一主动轮326在传送带的作用下带动第一从动轮322转动；同理，第二减速电机325驱动第二主动轮327转动，第二主动轮327带动第二从动轮323转动；丝杠花键轴321沿轴向开设有若干组平行沟槽，沿螺旋向开设有一条螺旋槽；丝杠花键轴321上还分别安装有滚珠丝杠螺母和花键螺母，滚珠丝杠螺母通过法兰盘与第一从动轮322连接，花键螺母通过法兰盘与第二从动轮323连接。通过以上设置可知，当第一从动轮322和第二从动轮323中的任意一个转动，且另一个不动时，该丝杠花键轴321在滚珠丝杠螺母或花键螺母的转动下沿轴向进行伸出/缩回，用于使夹持部31靠近或者远离果蔬；当第一从动轮322和第二从动轮323同方向同速度转动时，该丝杠花键轴321在滚珠丝杠螺母和花键螺母的共同作用下进行旋转运动，此时配合夹持部31可实现
果蔬与果梗的分离。
83.此外，当第一从动轮322和第二从动轮323同方向转动，且两者存在一定的速度差时，丝杠花键轴321在滚珠丝杠螺母和花键螺母的共同作用下进行螺旋运动。本发明提供的采摘机器人末端执行机构的技术方案中，第一驱动单元创新以滚珠丝杠花键机构作为驱动装置，能做到尺寸小、重量更轻，便于伸入至果树中进行采摘。
84.进一步，夹持部31为固定安装在丝杠花键轴321端部的夹抓或吸盘。在一些实施方式中，夹爪可以采用电夹爪或者气夹爪；电夹爪优选为伺服电动夹爪，本实例优选为气夹爪，具体实施时可在丝杠花键轴321的中心沿轴向开设有方便气管穿过的通道，以避免气夹爪的气管受丝杠花键轴321伸出/缩回/旋转的影响，延长气管的使用寿命。此外，在一些实施方式中，吸盘可以采用真空吸盘装置。
85.如图8所示，第二驱动单元33包括u型支架331、第三减速电机332、传动组件333和第四减速电机334。其中，u型支架331与“人”字型支架273固定连接；第三减速电机332水平固定安装在u型支架331内，第四减速电机334竖直铰接安装在u型支架331上，第三减速电机332通过传动组件333驱动第四减速电机334上下俯仰，优选的，传动组件333为同步带轮传动结构；第四减速电机334的输出轴与第一驱动单元32固定连接，用以驱动第一驱动单元32左右摆动。
86.本发明实施例中收集机构4包括收集框41、收集通道42和暂存室43；收集框41放置于行走机构1底盘中部区域，收集框41通过收集通道42与固定设置在末端采摘机构3下方的暂存室43(丝杠花键轴321带动夹持部31缩回的位置正好位于暂存室43开口的正上方)连接，暂存室43用于接受来自夹持部31松开后采摘的果蔬，当暂存室43处于高位时，果蔬在重力的作用下实时通过收集通道42被收集框41收集；当暂存室43处于低位时(此时果蔬无法在重力作用下自动滚至收集框41)，采摘后的果蔬先被暂存室43暂存，暂存室43顶端设置有与控制处理系统6连接的红外传感器，当红外传感器检测到暂存室43内果蔬达到预设阈值(临近满载)时，控制处理系统6控制机械臂2使与暂存室43固定连接的末端采摘机构3抬高，以便暂存室43内的果蔬在重力作用下被收集框41收集。同时为了保证果蔬的品质，具体实施中收集框41、收集通道42和暂存室43均采用软性缓冲材料制作，以减少收集过程中对果蔬磕碰、摔伤等影响果蔬品质的状况。
87.本发明实施例中视觉识别系统5包括第一相机51、第二相机52和第三相机53，且分别与控制处理系统6连接；该第一相机51为导航相机，安装于行走机构1的前后端，用于引导采摘机器人在避障的前提下按照导航路线行走；第二相机52安装于机械臂2的支撑立柱28上，用于实时收集行走机构1两侧果蔬的数据(主要是采集采摘机器人两侧果蔬密度分布等信息)并上传至控制处理系统6，控制处理系统6经处理输出指令、分别控制行走机构1和机械臂2将末端采摘机构3送至抵进待采摘果蔬位置；第三相机53安装于末端采摘机构3上，用于采集目标采摘区域内果蔬数据信息(主要采集果蔬的位置、形状、尺寸、颜色等信息)并反馈给处理控制系统6，处理控制系统6经过处理、筛选后、控制末端采摘机构3采摘符合要求的果蔬。另外为了提高视觉识别系统5的定位精度，在第一驱动单元32上设置有两处mark识别点382；同时该mark识别点382可以通过第三相机53识别读取到空间坐标点，通过该空间坐标点进一步提高整个机械臂2的运行速度。
88.值得注意的是，本发明采摘机器人还包括与控制处理系统6连接的多个编码器，各
个编码器在断电时通过专用电池进行独立供电，正常工作时通过采摘机器人储能电池进行供电，各个编码器分别用于记载直线导轨21旋动的角度和方向、支撑组件23在直线导轨21上移动的位置、伸缩臂24伸出支撑组件23的位置、丝杠螺母驱动机构27调节末端采摘机构3倾斜的角度以及末端采摘机构3所处的具体位置及状态，以便在采摘机器人断电后能记忆当前各个位置值，再次使用时不需要回到初始位置参考点来重新定位，进一步提高采摘效率。同时在本实施例中，采摘机器人机械臂2和末端采摘机构3使用的所有电机均增加抱闸系统，该抱闸系统具有断电抱闸功能，防止掉电滑动。
89.另外，基于上述采摘机器人本发明提供一种采摘方法，该采摘方法包括以下步骤：
90.1)向采摘机器人发送采摘指令，该采摘机器人接收到采摘指令后，在视觉识别系统5(第一相机51和第二相机52)和控制处理系统6的协同配合下，通过控制行走机构1将采摘机器人移至目标区域；
91.2)当该采摘机器人移至目标区域后，控制处理系统6根据视觉识别系统5(第二相机52)获取的目标区域果蔬植物特征图像数据，并控制机械臂2的移动方向及角度，使安装于伸缩臂24前端的末端采摘机构3抵进待采摘果蔬位置；
92.3)再通过视觉识别系统5(第三相机53)和控制处理系统6的配合，控制末端采摘机构3采摘符合要求的果蔬；
93.4)收集机构4将末端采摘机构3采摘后的果蔬收集，当收集框41满载时，仅需工作人员更换收集框41，采摘机器人即可自主进行重复采摘程序。
94.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
95.应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人，其特征在于，包括；具有底盘的行走机构(1)，用于根据采摘区域的位置信息将采摘机器人移至目标区域；机械臂(2)，设置在所述行走机构(1)的底盘上，所述机械臂(2)包括转动设置的直线导轨(21)，所述直线导轨(21)上安装有第一驱动机构(22)，所述第一驱动机构(22)用于驱动设在直线导轨(21)上的支撑组件(23)沿所述直线导轨(21)往复移动，所述支撑组件(23)上活动设有伸缩臂(24)，所述伸缩臂(24)底部安装有用于驱动其在支撑组件(23)上往复移动的第二驱动机构(25)，且所述伸缩臂(24)移动的方向与直线导轨(21)垂直；末端采摘机构(3)，可拆卸地安装在所述伸缩臂(24)的前端，用于实现果蔬与果梗的分离；收集机构(4)，用于实时收集末端采摘机构(3)采摘的果蔬；视觉识别系统(5)，用于获取图像数据；控制处理系统(6)，设置在所述行走机构(1)的底盘上，所述行走机构(1)、机械臂(2)、末端采摘机构(3)、收集机构(4)以及视觉识别系统(5)分别与控制处理系统(6)连接。2.根据权利要求1所述的采摘机器人，其特征在于，所述支撑组件(23)包括支撑座(231)和与所述支撑座(231)连接、并位于直线导轨(21)两侧的第一滚轮(232)以及与所述支撑座(231)连接、并位于伸缩臂(24)两侧的第二滚轮(233)；其中，所述直线导轨(21)同一侧面的两端对称安装有用于限定支撑座(231)移动极限位置的限位结构(26)；所述支撑座(231)的底部与第一驱动机构(22)固定连接，且所述支撑座(231)的顶部安装有第二传动机构(25)；所述直线导轨(21)的两侧布设有用于对第一滚轮(232)进行定位引导的第一轨道(211)，且所述第一滚轮(232)活动卡接在第一轨道(211)上；所述伸缩臂(24)的底部两侧布设有用于对第二滚轮(233)进行定位引导的第二轨道(241)，且所述第二滚轮(233)活动卡接在第二轨道(241)上。3.根据权利要求2所述的采摘机器人，其特征在于，所述第一驱动机构(22)和第二驱动机构(25)均包括同步带轮传动结构和驱动电机；所述同步带轮传动结构包括主动齿轮、从动齿轮和绕设于所述主动齿轮和所述从动齿轮上的同步齿形带，且所述同步齿形带分别与主动齿轮和从动齿轮啮合，所述主动齿轮由驱动电机提供驱动力；所述第一驱动机构(22)的同步齿形带与支撑座(231)的底部固定连接，所述第二驱动机构(25)的同步齿形带与支撑座(231)的上部固定连接。4.根据权利要求1所述的采摘机器人，其特征在于，所述机械臂(2)还包括丝杠螺母驱动机构(27)，所述丝杠螺母驱动机构(27)包括丝杠电机(271)、丝杠螺母传动单元(272)以及“人”字型支架(273)，所述丝杠电机(271)固设在伸缩臂(24)上；所述“人”字型支架(273)的顶部可拆卸安装有末端采摘机构(3)，底部一端与所述丝杠螺母传动单元(272)铰接，另一端与所述伸缩臂(24)铰接；所述丝杠电机(271)通过丝杠螺母传动单元(272)对“人”字型支架(273)施加拉力或推力，用于调整所述末端采摘机构(3)倾斜的角度。5.根据权利要求1所述的采摘机器人，其特征在于，所述行走机构(1)底盘前后部分别
固设有支撑立柱(28)，所述直线导轨(21)的一端与支撑立柱(28)通过轴承连接，另一端与设在所述支撑立柱(28)上的旋转电机(29)的输出轴固定连接；所述收集机构(4)包括收集框(41)、收集通道(42)和暂存室(43)，所述收集框(41)放置于行走机构(1)底盘中部区域，所述收集框(41)通过收集通道(42)与固定设置在末端采摘机构(3)下方的暂存室(43)连接。6.根据权利要求1所述的采摘机器人，其特征在于，所述末端采摘机构(3)包括夹持部(31)、第一驱动单元(32)和第二驱动单元(33)；所述第一驱动单元(32)与夹持部(31)连接，用以驱动所述夹持部(31)进行旋转和/或伸缩运动；所述第二驱动单元(33)与第一驱动单元(32)连接，用以驱动所述第一驱动单元(32)上下俯仰和/或左右摆动。7.根据权利要求6所述的采摘机器人，其特征在于，所述第一驱动单元(32)包括第一安装架和安装在所述第一安装架内的滚珠丝杠花键结构；所述滚珠丝杠花键结构包括丝杠花键轴(321)、对称分布在所述丝杠花键轴(321)上的第一从动轮(322)和第二从动轮(323)、对称分布在第一安装架一侧的第一减速电机(324)和第二减速电机(325)；所述第一减速电机(324)驱动第一主动轮(326)转动，所述第一主动轮(326)通过传送带带动第一从动轮(322)转动；所述第二减速电机(325)驱动第二主动轮(327)转动，所述第二主动轮(327)通过传送带带动第二从动轮(323)转动；所述丝杠花键轴(321)沿轴向开设有若干组平行沟槽，沿螺旋向开设有一条螺旋槽；所述丝杠花键轴(321)上还分别安装有滚珠丝杠螺母和花键螺母，所述滚珠丝杠螺母通过法兰盘与第一从动轮(322)连接，所述花键螺母通过法兰盘与第二从动轮(323)连接；当所述第一从动轮(322)和第二从动轮(323)中的任意一个转动，且另一个不动时，所述丝杠花键轴(321)在滚珠丝杠螺母或花键螺母的转动下沿轴向进行伸出/缩回；当所述第一从动轮(322)和第二从动轮(323)同方向同速度转动时，所述丝杠花键轴(321)在滚珠丝杠螺母和花键螺母的共同作用下进行旋转运动。8.根据权利要求6所述的采摘机器人，其特征在于，所述第二驱动单元(33)包括u型支架(331)、第三减速电机(332)、传动组件(333)和第四减速电机(334)；所述第三减速电机(332)水平固定安装在u型支架(331)内，所述第四减速电机(334)竖直铰接安装在u型支架上，所述第三减速电机(332)通过传动组件(333)驱动第四减速电机(334)上下俯仰；所述第四减速电机(334)的输出轴与第一驱动单元(32)固定连接，用以驱动所述第一驱动单元(32)左右摆动。9.根据权利要求1～8任意一项所述的采摘机器人，其特征在于，所述视觉识别系统(5)包括第一相机(51)、第二相机(52)和第三相机(53)，且分别与控制处理系统(6)连接；所述第一相机(51)为导航相机，安装于行走机构(1)的前后端，用于引导采摘机器人在避障的前提下按照导航路线行走；所述第二相机(52)安装于机械臂(2)上，用于收集行走机构(1)两侧果蔬的数据并上传至控制处理系统(6)，所述控制处理系统(6)经处理输出指令、分别控制行走机构(1)和机械臂(2)将末端采摘机构(3)送至抵进待采摘果蔬位置；所述第三相机(53)安装于末端采摘机构(3)上，用于采集目标采摘区域内果蔬数据信
息并反馈给处理控制系统(6)，所述处理控制系统(6)经过处理、筛选后控制末端采摘机构(3)采摘符合要求的果蔬。10.基于权利要求1～9任意一项所述采摘机器人的采摘方法，其特征在于，所述采摘方法包括以下步骤：步骤一、向所述采摘机器人发送采摘指令，所述采摘机器人接收到采摘指令后，在所述视觉识别系统(5)和控制处理系统(6)的协同配合下，通过所述行走机构(1)将采摘机器人移至目标区域；步骤二、当所述采摘机器人移至目标区域后，控制处理系统(6)根据视觉识别系统(5)获取的目标区域果蔬植物特征图像数据，并控制机械臂(2)的移动方向及角度，使安装于所述伸缩臂(24)前端的末端采摘机构(3)抵进待采摘果蔬位置；步骤三、再通过所述视觉识别系统(5)和控制处理系统(6)的配合，控制所述末端采摘机构(3)采摘符合要求的果蔬；步骤四、所述收集机构(4)将末端采摘机构(3)采摘后的果蔬收集。

技术总结
本发明公开了一种适用于采摘多种果蔬的采摘机器人及其采摘方法，该采摘机器人包括具有底盘的行走机构、设置在行走机构底盘上用于将末端采摘机构送至待采摘果蔬位置的机械臂、可拆卸安装在机械臂上用于实现果蔬与果梗分离的末端采摘机构、收集果蔬的收集机构、获取采摘相关图像的视觉识别系统以及与上述部件均连接的控制处理系统；其中，机械臂和末端采摘机构均包含多个自由度，且机械臂中仅有伸缩臂实际相对果蔬植物进行移动。本发明采摘机器人可实现整个采摘过程的自动化作业，同时能够采摘多种类型果蔬，通用性好，尤其是在采摘各种密集型果蔬时，相较于传统技术大幅提高了采摘效率，节省了采摘成本，便于推广应用。便于推广应用。便于推广应用。


技术研发人员：董霄剑 豆飞飞 崔文波
受保护的技术使用者：陕西伟景机器人科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/9