一种基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人，属于农业采摘设备技术领域。

背景技术

随着我国玫瑰花的产量和用量都在不断增长，我国食用花卉的消费市场也在不断扩大，受到越来越多消费者的认可和喜爱。玫瑰花采摘后可进行深加工获得更多的产品，具有巨大的市场价值。食用玫瑰植株在50至70厘米，采摘过程中需要工人不断地弯腰、下蹲和起身，容易使工人感到疲劳甚至造成身体的慢性损伤；且玫瑰花期要喷洒农药防治虫害，残留农药也可能进入劳动者身体，且玫瑰花有刺可能会刺伤采摘工人。因此，人工采摘食用玫瑰存在费时费力、工作效率低、安全性低、劳动强度大等问题。

而现有的食用玫瑰采摘机器人大多停留在实验室环境，很难针对复杂田间环境完成高效全面的自动化采摘。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人，该机器人结构精简，功能全面，自动化程度高，可以很好地实现田间食用玫瑰自动化的采摘，提高了生产效率，节省了大量人力劳动成本。

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人，包括车身，所述车身的前端设置有收集箱，车身的下方连接有移动机构，车身的上方安装有机械臂和摄像系统，所述机械臂的末端连接有裁剪夹持机构；

所述裁剪夹持机构包括裁剪齿轮组以及与其连接的裁剪夹持器，所述裁剪齿轮组连接于机械臂的末端并通过电机驱动转动；所述裁剪齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮以及第四齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮同轴连接；所述第二齿轮与第三齿轮啮合，所述第三齿轮与第四齿轮啮合，所述第一齿轮连接有电机；所述裁剪夹持器包括第一夹持器、第一裁剪器、第二夹持器以及第二裁剪器，所述第一夹持器和第一裁剪器与第四齿轮固定连接，所述第二裁剪器与第三齿轮固定连接，所述第二夹持器与第三齿轮活动连接，所述第一夹持器与第二夹持器相对布置且旋转方向相反，所述第一裁剪器与第二裁剪器相对布置且旋转方向相反。

在本发明的一种实施方式中，所述第一裁剪器和第二裁剪器为弧形刀片结构，所述第一夹持器与第一裁剪器平行布置且与第一裁剪器的形状相同，所述第二夹持器与第二裁剪器平行布置且与第二裁剪器的形状相同，所述第一夹持器与第一裁剪器的开口角度相同，所述第二夹持器与第二裁剪器的开口角度相同；所述第一夹持器与第二夹持器相对的一端为多层波浪形结构，所述第二夹持器与第三齿轮转动连接，且第二夹持器与第三齿轮之间设置有弹簧。

在本发明的一种实施方式中，所述机械臂包括旋转关节以及平移关节，所述旋转关节和平移关节由舵机驱动，所述旋转关节的数量为五个，平移关节的数量为一个，所述机械臂具有五个旋转自由度和一个平移自由度；所述平移关节采用齿轮齿条结构，由可相对平移的内外伸缩臂组成，伸缩臂轴向上具有圆弧结构。

在本发明的一种实施方式中，所述移动机构包括驱动电机以及与其连接的履带行走器，所述履带行走器包括履带以及与其转动连接的履带驱动轮和履带承重轮，所述履带驱动轮和履带承重轮均为齿轮状且与履带啮合，履带驱动轮与驱动电机连接，驱动电机用于驱动履带驱动轮旋转；所述履带包括若干个履带单元，相邻的两个履带单元之间通过销钉连接；两个所述履带行走器分别与两个驱动电机连接，一侧履带通过一个驱动电机驱动。

在本发明的一种实施方式中，所述车身包括相互连接的第一结构板和第二结构板，所述第一结构板位于第二结构板的上方，所述机械臂和摄像系统安装于第一结构板上，所述第一结构板和第二结构板之间通过多个第一弹簧减震器连接；所述第二结构板的下方通过第二弹簧减震器连接有履带机架，所述移动机构的履带驱动轮和履带承重轮安装在履带机架上，所述履带机架安装有驱动电机、电机固定板和减速齿轮组，所述驱动电机安装于电机固定板内，所述减速齿轮组的输入端与驱动电机连接，减速齿轮组的输出端与履带驱动轮连接；驱动电机通过减速齿轮组驱动履带驱动轮旋转。

在本发明的一种实施方式中，所述减速齿轮组的下方安装有塑料材质的齿轮箱下壳体，用于存放润滑油和润滑脂，所述电机固定板配合齿轮箱下壳体形成密闭空间。

在本发明的一种实施方式中，所述收集箱为上宽下窄的容器，收集箱的底板在电机驱动下开合。

在本发明的一种实施方式中，所述第一结构板上还设置有补光灯和车身外壳，所述补光灯位于摄像系统的前方，所述车身外壳上设置有按钮与指示灯；所述车身外壳内的中心位置设置有单片机，单片机与各电机控制芯片和视觉处理上位机连接，实现机身整体的控制和信息处理与传递；所述摄像系统转动连接于车身上方的靠后位置，摄像系统用于获取待采摘玫瑰的位置等信息，并传递给单片机。

在本发明的一种实施方式中，所述第二结构板的上方设置有电池壳，所述电池壳内设置有蓄电池，所述蓄电池用于为整个采摘机器人提供电能，蓄电池位于车身中心向下位置，两个所述电池壳对称分布在第二结构板上。

在本发明的一种实施方式中，所述采摘机器人还设置有温度传感器、湿度传感器和嗡鸣器，所述温度传感器和湿度传感器用于检测环境温度与湿度，所述嗡鸣器用于报警提醒；所述裁剪夹持机构还设置有感应器。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的采摘机器人可以实现在田垄种植的食用玫瑰花田间自动行走，多层结构的机身和减震器可以降低冲击震动，使机器人更好适应田间的地面；机器人采用履带行走器可以很好适应田间松软凹凸不平的环境，为机器人提供更大的抓地力与爬坡能力；机器人可转动的摄像头提供很好的视野，随后进行采摘与存放，配备平移机构的机械臂具有较大的工作空间和工作效率；机器人末端执行器针对玫瑰的特性而设计，能可靠地实现玫瑰的采摘与夹持。机器人收集箱底部配备有自动卸货开合门，可以将采摘好的玫瑰自动卸货，实现了高度自动化采摘，同时降低了人工劳动强度，提高了采摘效率。

附图说明

图1为本发明基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人的立体结构示意图；

图2为本发明基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人的车身的结构示意图；

图3为本发明机械臂的结构示意图；

图4为本发明裁剪夹持机构第一个视角的结构示意图；

图5为本发明裁剪夹持机构第二个视角的结构示意图；

图6为本发明裁剪夹持机构第三个视角的结构示意图；

图7为本发明移动机构的结构示意图。

图中：1、裁剪夹持机构；2、机械臂；3、收集箱；4、补光灯；5、摄像系统；6、按钮与指示灯；7、车身外壳；8、履带行走器；9、驱动电机；10、第一结构板；11、电池壳；12、第一弹簧减震器；13、第二结构板；14、舵机；15、平移关节；16、裁剪齿轮组；17、裁剪夹持器；18、第一夹持器；19、第一裁剪器；20、第二夹持器；21、第二裁剪器；22、第一齿轮；23、履带驱动轮；24、销钉；25、履带单元；26、履带承重轮；27、第二齿轮；28、第二弹簧减震器；29、第三齿轮；30、履带机架；31、驱动减速齿轮组；32、电机固定板；33、第四齿轮；34、弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-7所示，本发明实施例提供了一种基于机器视觉的食用玫瑰采摘机器人，包括车身，所述车身的前端设置有收集箱3，车身的下方连接有移动机构，车身的上方安装有机械臂2和摄像系统5，所述机械臂2的末端连接有裁剪夹持机构1。

可选地，所述裁剪夹持机构1包括裁剪齿轮组16以及与其连接的裁剪夹持器17，所述裁剪齿轮组16连接于机械臂2的末端并通过电机驱动转动；所述裁剪齿轮组16包括第一齿轮22、第二齿轮27、第三齿轮29以及第四齿轮33，所述第一齿轮22与第二齿轮27同轴连接，同步旋转；所述第二齿轮27与第三齿轮29啮合，所述第三齿轮29与第四齿轮33啮合，所述第一齿轮22连接有电机；电机驱动第一齿轮22旋转，第一齿轮22与第二齿轮27同轴旋转，第二齿轮27带动第三齿轮29旋转，第三齿轮29带动第四齿轮33旋转。

进一步地，所述裁剪夹持器17包括第一夹持器18、第一裁剪器19、第二夹持器20以及第二裁剪器21，所述第一夹持器18和第一裁剪器19与第四齿轮33固定连接，所述第二裁剪器21与第三齿轮29固定连接，所述第二夹持器20与第三齿轮29活动连接，所述第一夹持器18与第二夹持器20相对布置且旋转方向相反，所述第一裁剪器19与第二裁剪器21相对布置且旋转方向相反。

进一步地，所述第一裁剪器19和第二裁剪器21为弧形刀片结构，且为合金钢材质，所述第一夹持器18与第一裁剪器19平行布置且与第一裁剪器19的形状相同，所述第二夹持器20与第二裁剪器21平行布置且与第二裁剪器21的形状相同，所述第一夹持器18和第二夹持器20为铝合金材质，所述第一夹持器18与第一裁剪器19的开口角度相同，所述第二夹持器20与第二裁剪器21的开口角度相同，所述第二夹持器20与第三齿轮29转动连接，且第二夹持器20与第三齿轮29之间设置有弹簧34，通过弹簧34增大夹持器一定范围的开口并产生加持力，实现裁剪后对玫瑰的自动夹持；所述第一夹持器18与第二夹持器20相对的一端为多层波浪形结构。

本发明裁剪夹持器17的裁剪器采用刀片结构，刀片具有一定弧度，能够防止枝条滑脱，由裁剪齿轮组16实现电机的转速降低与输出扭矩增大以完成裁剪，同时裁剪器配备有与刀片平行的夹持器，夹持器的轮廓与刀片相同，防止玫瑰在裁剪后夹持时出现转动等现象，夹持器采用多层波浪形结构，以提高夹持可靠性，防止出现滑脱现象。夹持器由弹簧34提供夹持力，通过弹簧34的压缩提供夹持所需的角度和夹持力。

具体地，第一夹持器18配合第二夹持器20完成裁剪后玫瑰花的夹持，第一夹持器18与第二夹持器20的结构形状分别与第一裁剪器19和第二裁剪器21相同，保证玫瑰枝条夹持力与其定位一致，防止玫瑰在裁剪后夹持时出现转动现象。第一夹持器18与第二夹持器20与玫瑰枝条接触的地方为多层的波浪线结构，可以很好地防止玫瑰花滑脱，提高夹持可靠性。裁剪齿轮组16可以将电机输出的转矩增大，转速降低，以保证裁剪的力矩要求，并通过计算检验裁剪力，保证裁剪可靠性。裁剪齿轮组16带动裁剪夹持器17，将处于裁剪范围内的玫瑰枝条剪断，同时位于玫瑰花和刀片间的夹持器会在弹簧34的弹力下夹持住裁剪完成的玫瑰花，以便将玫瑰花运输到收集箱中。优选地，所述裁剪齿轮组16的传动比为1：9，经过计算检验可以满足裁剪需求。

可选地，所述机械臂2包括旋转关节以及平移关节15，所述旋转关节和平移关节15由舵机14驱动，优选地，所述旋转关节的数量为五个，平移关节15的数量为一个，所述机械臂2具有五个旋转自由度和一个平移自由度，在舵机14的驱动下，旋转关节和平移关节可以快速地响应控制信号并到达指定位置，通过建立机械臂D-H模型，进一步实现其正运动学分析和逆运动学分析，为机械臂2的控制提供基础理论支撑。

进一步地，本发明机械臂2的运动关节为RRPRRR结构，所述平移关节15采用齿轮齿条结构，由可相对平移的内外伸缩臂组成，伸缩臂轴向上具有圆弧结构，可以降低应力集中，使结合更加紧密，对平移关节15进行润滑可以提高机械臂工作平稳性。平移关节15实现机械臂3的平移运动，工作范围为10cm，可以扩大采摘机械臂3的工作空间，同时齿轮齿条具有较快的运动速度，可以减少对机械臂3工作效率的影响。

可选地，所述移动机构包括驱动电机9以及与其连接的履带行走器8，所述履带行走器8包括履带以及与其转动连接的履带驱动轮23和履带承重轮26，所述履带驱动轮23和履带承重轮26均为齿轮状且与履带啮合，履带驱动轮23与驱动电机9连接，驱动电机9用于驱动履带驱动轮23旋转，履带驱动轮23带动履带以指定的方向和速度大小转动；履带承重轮26不具备驱动功能，在履带的带动下与履带驱动轮23同步转动，并实现车身的承重负载。所述履带包括若干个履带单元25，相邻的两个履带单元25之间能通过销钉24连接。其中，履带单元25为组成履带的基本元件，优选地，所述移动机构一侧的履带由26个履带单元25组成。

进一步地，两个所述履带行走器8分别与两个驱动电机9连接，一侧履带通过一个驱动电机9驱动，通过两侧履带差速转动实现机器人直线前进、直线后退、原地旋转、圆弧旋转、刹车等运动。当采摘机器人需要移动时，机器人内置的单片机会将控制信号发送到电机控制芯片，芯片对驱动电机9进行控制，并实现一系列的移动动作。履带行走器8的重心更低，可以在松软的田地上提供更大的抓地力，并防止采摘机器人侧翻和陷入土地中，更适合田间复杂的环境。

可选地，所述车身包括相互连接的第一结构板10和第二结构板13，所述第一结构板10位于第二结构板13的上方，所述机械臂2和摄像系统5安装于第一结构板10上，所述第一结构板10和第二结构板13之间通过多个第一弹簧减震器12连接，以确保车身第一结构板10上连接的部件在平稳的环境下运行；所述第二结构板13的下方通过第二弹簧减震器28连接有履带机架30，所述移动机构的履带驱动轮23和履带承重轮26安装在履带机架30上，所述履带机架30安装有驱动电机9、电机固定板32和减速齿轮组31，所述驱动电机9安装于电机固定板32内，所述减速齿轮组31的输入端与驱动电机9连接，减速齿轮组31的输出端与履带驱动轮23连接；驱动电机9通过减速齿轮组31驱动履带驱动轮23旋转，通过减速齿轮组31中齿轮的传动将驱动电机9的高转速、低转矩转换为履带驱动轮23的低转速、高转矩运动。

本发明提供的第一结构板10、第二结构板13以及履带机架30之间设置多个弹簧减震器，实现多级减震结构，能够更好地消除震动，提高工作平稳性，提高图像质量与定位精度。

可选地，所述减速齿轮组31的下方安装有塑料材质的齿轮箱下壳体(图中未示出)，形成封闭空间，其中可以存放润滑油和润滑脂，并防止尘土沙粒等杂质进入减速齿轮组31中，降低齿轮损耗与传动过程中的故障发生率，提高齿轮组寿命与工作可靠性。电机固定板32配合齿轮箱下壳体形成密闭空间。

可选地，所述收集箱3为上宽下窄的塑料容器，收集箱3的底板可以在电机驱动下开合，以实现食用玫瑰的自动卸货。收集箱3的上方具有较大的开口，方便机械臂3将采摘好的食用玫瑰放入其中；收集箱3用于实现玫瑰的收集卸货功能。当收集箱3装一定数量的玫瑰，机器人会移动到指定位置，收集箱3下方的底板在电机驱动下开启，使收集的玫瑰落到下方，实现玫瑰的卸货。

可选地，所述摄像系统5转动连接于车身上方的靠后位置，摄像系统5能够在车身上旋转。采摘机器人的控制由摄像系统5和采摘机器人内置的单片机及多个电机控制芯片完成，摄像系统5用于获取待采摘玫瑰的位置等信息，并传递给单片机，单片机通过各个电机控制芯片对电机进行控制，实现履带行走器8和机械臂3等部件的动作执行。可选地，所述摄像系统5为智能相机，并可以进行较大范围的的旋转、俯仰动作，用于检测玫瑰并获取相应信息，为控制系统提供信息支撑。

可选地，所述第一结构板10上还设置有补光灯4和车身外壳7，所述补光灯4位于摄像系统5的前方，可以通过旋钮松紧手动调节补光灯4的光线角度，改善环境光线。所述车身外壳7内的中心位置设置有单片机，单片机与各电机控制芯片和视觉处理上位机连接，实现机身整体的控制和信息处理与传递；所述第二结构板13的上方设置有电池壳11，所述电池壳11内设置有蓄电池，所述蓄电池用于为整个采摘机器人提供电能，蓄电池的电压输出为24V，位于车身中心向下位置。两个所述电池壳11对称分布在第二结构板13上，重量较大的蓄电池位置较低可以降低采摘机器人重心，从而降低侧翻的风险。机器人采用大容量电池作为主要供能手段，可以避免电线连接造成的缠绕，减少电线所需成本。所述车身外壳7上设置有按钮与指示灯6，实现采摘机器人工作状态调整与显示。

本发明采用由履带机架、第二结构板、第一结构板等组成的多层结构，每层之间均配备有弹簧减震器降低冲击与震动，并将蓄电池等大质量元件放到第二结构板上的位置，降低采摘机器人重心。

本发明通过摄像系统5将采集到的图像发送到视觉处理系统，完成对视野中食用玫瑰的识别、定位、成熟度分辨，并将采摘所需的位姿信息等传输到单片机，单片机完成对每一个驱动电机的控制，实现对裁剪夹持机构1、机械臂2、收集箱3、履带行走器8等系统的控制与执行。当视野中无采摘目标，机器人的摄像系统5会转动角度，转换视野确定工作范围内的其他待采摘食用玫瑰，直到完成工作范围内所有的采摘内容，随后机器人会沿着田垄继续前进，进入下一个工作位置。当收集箱3中装有足够的玫瑰，机器人将会移动到指定位置，在单片机控制的电机驱动下，采摘机器人会在指定容器上打开收集箱3的底板，将收集好的玫瑰集中卸货到指定容器中。当设定好的所有玫瑰花田完成采摘，机器人会自动停止工作，回归到指定的安全的存放位置并触发工作完成信号。

本发明的机器人摄像系统可以获取田地中玫瑰丛的图像，经过视觉模块处理得到采摘所需的玫瑰成熟度与位置等信息。视觉模块将信息发送到控制单片机，其控制机器人的采摘臂进行采摘等动作。采摘臂将裁剪夹持机构移动定位到指定采摘位置后，裁剪夹持机构会裁剪玫瑰的枝条并夹持，随后机器人将玫瑰放入收集箱，完成一次采摘。采摘机器人可以通过调整摄像头角度和移动机器人位置实现对玫瑰花田全面的检测与采摘，机身上配备的收集箱可以在装满玫瑰花后到指定位置自动卸货。

在实际生产过程中，采摘机器人还设置有温度传感器、湿度传感器和嗡鸣器，温度传感器和湿度传感器可以检测环境温度与湿度，保证采摘时的温湿度在适合玫瑰存储的范围内，同时避免高温作业与高湿作业，以减少机器人发生故障的概率。同时，当玫瑰花花田出现异常的高温、低温、高湿和干燥等极端环境变化，玫瑰采摘机器人可以通过嗡鸣器及时预警，并发出携带有关信息的信号，确保管理者可以及时应对环境的变化，减少温湿度带来的玫瑰花减产与植株死亡。裁剪夹持机构1还设置有感应器，感应人体组织，同时迅速反应切断可能出现的裁剪伤害事故。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。