水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器及水果采摘方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，包括果實采摘機械裝置和控制系統(tǒng)，果實采摘機械裝置包括母機械臂、不少于一個的子機械臂和末端執(zhí)行器；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；子機械臂包括子臂Z軸、子臂r軸、子臂θ軸和子臂法蘭；末端執(zhí)行器包括接果器、基部法蘭、攏果器、刀片、收果筒、旋轉底蓋、傳動輪、傳動帶、主動齒輪、從動齒輪、架臺、橫桿、攏果器軸、刀片軸和旋轉底蓋軸；控制系統(tǒng)包括工控機、雙目攝像機、轉接卡、母機械臂控制系統(tǒng)、轉換器和子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)；本發(fā)明還公開一種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器及水果采摘方法。
【專利說明】水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器及水果采摘方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及農業(yè)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(zhí)行器及水果采摘方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會人口的老齡化和農業(yè)勞動力的逐步減少，一些繁重、單調的農業(yè)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(fā)展給農業(yè)機器人技術的發(fā)展提供了前所未有的可能，因此，農業(yè)機器人技術在很多國家取得了較大的發(fā)展。采摘作業(yè)是水果生產中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，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(zhí)行器是農業(yè)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(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器一般由視覺系統(tǒng)、行走機構、控制系統(tǒng)、采摘機械臂和末端執(zhí)行器等部分組成。末端執(zhí)行器是安裝在采摘機器人機械臂前端直接作用于作業(yè)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(zhí)行器作業(yè)時，由視覺系統(tǒng)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(zhí)行器送達目標果實位置，最后由末端執(zhí)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(fā)設計了多種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器。這些水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器基本設計有單個末端執(zhí)行器，采摘作業(yè)時采摘機械臂為一個末端執(zhí)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(fā)明了多種末端執(zhí)行器。這些末端執(zhí)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(huán)節(jié)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(zhí)行器及其末端執(zhí)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(zhí)行器及其末端執(zhí)行器實用化的因素主要有(I)機器人及其末端執(zhí)行器結構、作業(yè)方法、控制系統(tǒng)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(zhí)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(zhí)行器采摘水果種類單一，通用性不好，制造和運行成本聞。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)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(zhí)行器基本設計有單個末端執(zhí)行器，采摘作業(yè)時采摘機械臂為一個末端執(zhí)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。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)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。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下:
[0007]—種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，包括果實采摘機械裝置和控制系統(tǒng)，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(zhí)行器；
[0008]本發(fā)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(zhí)行器送達指定果實采摘點，末端執(zhí)行器完成目標果實采摘后，母機械臂將子機械臂和末端執(zhí)行器送達果實回收點。
[0009]本發(fā)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。
[0010]本發(fā)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(zhí)行器送達指定采摘位置，末端執(zhí)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(zhí)行器送達果實回收點。
[0011]本發(fā)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。
[0012]本發(fā)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。
[0013]本發(fā)明中所述末端執(zhí)行器的工作內容為完成目標果實的采摘與回收。
[0014]本發(fā)明中所述的末端執(zhí)行器包括接果器、基部法蘭、攏果器、刀片、收果筒、旋轉底蓋、傳動輪、傳動帶、主動齒輪、從動齒輪、架臺、橫桿、攏果器軸、刀片軸和旋轉底蓋軸；所述接果器為一端封閉，另一端上設有斜開口的圓筒；基部法蘭與前述子臂法蘭相連，基部法蘭通過橫桿與接果器的封閉端相連，刀片通過刀片軸轉動設置接果器的斜開口端上，攏果器通過攏果器軸轉動設置在接果器的斜開口端上，主動齒輪與刀片軸同軸安裝，從動齒輪與攏果器軸同軸安裝，且主動齒輪與從動齒輪相嚙合；傳動帶連接刀片軸；收果筒設置在接果器的斜開口端上，且所述接果器的斜開口端上設有與收果筒相連通的通孔；架臺設置在接果器的中部；旋轉底蓋通過旋轉底蓋軸轉動設置在收果筒的底端。
[0015]本發(fā)明中所述的橫桿為現有技術中的金屬圓柱體。
[0016]本發(fā)明中所述的接果器為一端封閉，另一端上設有斜開口的圓筒；所述接果器的內表面層和外表面層為現有技術中的橡膠材料制成，中間層為現有技術中的輕型合金材料制成。本發(fā)明中接果器的內表面層和外表面層為現有技術中的橡膠材料制成，其主要作用是降低果實采摘過程中的沖擊力，達到保護果實的作用。
[0017]本發(fā)明中所述的收果筒的內壁為現有技術中的軟橡膠材料制成，其主要作用是降低果實掉落下的沖擊力，達到保護果實的作用。
[0018]本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)實現果樹圖像拍攝、圖像處理、目標果實的識別與定位以及母機械臂、小機械臂運動控制和末端執(zhí)行器采摘控制。[0019]本發(fā)明中所述的控制系統(tǒng)包括工控機、雙目攝像機、轉接卡、用于控制母機械臂動作的母機械臂控制系統(tǒng)、轉換器和驅動子機械臂和控制子機械臂與末端執(zhí)行器動作的子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)；所述雙目攝像機固定在前述的支架上，且雙目攝像機通過轉接卡與工控機相連，所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)通過轉換器與工控機相連。
[0020]本發(fā)明所述工控機為現有技術中的工控機，其具體結構和工作過程本發(fā)明不作詳細的說明。本發(fā)明所述工控機安裝有圖像處理軟件系統(tǒng)，能夠處理果樹圖像，提取果樹圖像中成熟果實的空間坐標和尺寸信息。所述工控機能夠計算母臂Z軸伺服電機、母臂r軸伺服電機和母臂Θ軸伺服電機運動參數，并能將參數傳送給第一運動控制卡。所述第一運動控制卡能夠根據工控機傳送來的母臂Z軸伺服電機、母臂r軸伺服電機和母臂θ軸伺服電機運動參數，通過母臂Z軸伺服電機驅動器、母臂r軸伺服電機驅動器和母臂θ軸伺服電機驅動器驅動母臂Z軸伺服電機、母臂r軸伺服電機和母臂Θ軸伺服電機運轉，最后驅動母臂Z軸、母臂r軸和母臂θ軸工作。
[0021]本發(fā)明所述雙目攝像機為現有技術中的雙目攝像機，其具體結構本發(fā)明不作詳細的說明。本發(fā)明所述雙目攝像機的作用是拍攝果樹圖像，并能通過轉接卡將果樹圖像傳送給工控機。
[0022]本發(fā)明中所述的轉接卡為現有技術中的與雙目攝像機配合使用的轉接卡，其具體結構和工作過程本發(fā)明不作詳細的說明。
[0023]本發(fā)明中所述的轉換器為現有技術中的轉換器，本發(fā)明優(yōu)先采用現有技術中型號為R232/485轉換器。
[0024]進一步，本發(fā)明所述母機械臂控制系統(tǒng)包括第一運動控制卡、母臂Z軸伺服電機驅動器、母臂Z軸伺服電機、母臂Z軸伺服電機編碼器、母臂r軸伺服電機驅動器、母臂r軸伺服電機、母臂r軸伺服電機編碼器、母臂Θ軸伺服電機驅動器、母臂Θ軸伺服電機和母臂Θ軸伺服電機編碼器；
[0025]所述母臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Z軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂Z軸伺服電機能夠驅動母臂Z軸運動。所述母臂Z軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂Z軸運動的精確控制。
[0026]所述母臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂r軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂r軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂r軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂r軸伺服電機能夠驅動母臂r軸運動；所述母臂r軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂r軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂r軸運動的精確控制。
[0027]所述母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Θ軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂Θ軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂Θ軸伺服電機能夠驅動母臂Θ軸運動。所述母臂Θ軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂Θ軸運動的精確控制。所述第一運動控制卡與工控機相連。
[0028]本發(fā)明所述的第一運動控制卡為現有技術與工控機配合使用的運動控制卡，其具體結構和工作過程本發(fā)明不作詳細的說明。
[0029]進一步，本發(fā)明所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)包括下位機、單目攝像機、位置傳感器、第二運動控制卡、子臂Z軸伺服電機驅動器、子臂Z軸伺服電機、子臂Z軸伺服電機編碼器、子臂r軸伺服電機驅動器、子臂r軸伺服電機、子臂r軸伺服電機編碼器、子臂Θ軸伺服電機驅動器、子臂Θ軸伺服電機、子臂Θ軸伺服電機編碼器、旋轉底蓋電機驅動器、旋轉底蓋電機、攏果器電機驅動器和攏果器電機；
[0030]所述下位機通過前述的轉換器與工控機相連；所述單目攝像機設置在前述的架臺上，且單目攝像機與下位機相連接；位置傳感器設置在接果器的斜開口端的內壁上；位置傳感器與下位機相連接。所述攏果器電機設置在接果器的封閉端上，攏果器電機的電機軸上安裝有傳動輪，傳動輪通過連接在刀片軸上的傳動帶將攏果器電機的動力傳遞給主動齒輪；
[0031]單目攝像機為現有技術中的單目攝像機，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0032]本發(fā)明中所述的位置傳感器為現有技術中的光電對射式傳感器，包括信號發(fā)射部件和信號接收部件，信號發(fā)射部件鑲嵌安裝于接果器的斜開口端的內壁上，信號接收部件同種方法安裝于接果器的斜開口端的與信號發(fā)射部件相對的一側內壁上。
[0033]本發(fā)明所述的下位機為現有技術中與工控機配合使用的下位機，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0034]子臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Z軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機能夠驅動子臂Z軸運動；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂Z軸運動的精確控制。
[0035]子臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂r軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂r軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連。所述子臂r軸伺服電機能夠驅動子臂r軸運動。所述子臂r軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂r軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂r軸運動的精確控制。
[0036]子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Θ軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Θ軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂Θ軸伺服電機能夠驅動子臂Θ軸運動；所述子臂Θ軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂Θ軸運動的精確控制。所述第二運動控制卡與前述的下位機相連接。
[0037]旋轉底蓋電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，旋轉底蓋電機驅動器的輸出端與所述旋轉底蓋電機相連。作為優(yōu)選，旋轉底蓋電機選用步進電機。
[0038]攏果器電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，攏果器電機驅動器的輸出端與所述攏果器電機相連。作為優(yōu)選，旋轉底蓋電機選用步進電機。
[0039]本發(fā)明所述的第二運動控制卡為現有技術與工控機配合使用的運動控制卡，其具體結構和工作過程本發(fā)明不作詳細的說明。
[0040]本發(fā)明所述的母臂Z軸伺服電機驅動器、母臂r軸伺服電機驅動器、母臂Θ軸伺服電機驅動器、子臂Z軸伺服電機驅動器、子臂r軸伺服電機驅動器和子臂Θ軸伺服電機驅動器均為現有技術中的伺服電機驅動，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0041]本發(fā)明所述的母臂Z軸伺服電機、母臂r軸伺服電機、母臂Θ軸伺服電機、子臂Z軸伺服電機、子臂r軸伺服電機和子臂Θ軸伺服電機均為現有技術中的伺服電機，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0042]本發(fā)明所述的母臂Z軸伺服電機編碼器、母臂r軸伺服電機編碼器、母臂Θ軸伺服電機編碼器、子臂Z軸伺服電機編碼器、子臂r軸伺服電機編碼器和子臂Θ軸伺服電機編碼器均為現有技術中伺服電機編碼器，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0043]本發(fā)明所述的旋轉底蓋電機驅動器和攏果器電機驅動器均為現有技術中的電機驅動器，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0044]本發(fā)明所述的旋轉底蓋電機和攏果器電機均為現有技術中電機，其具體結構和工作原理本發(fā)明不作詳細的說明。
[0045]進一步，本發(fā)明所述母臂Z軸和母臂r軸均為雙平行臂結構。本發(fā)明中母臂Z軸和母臂r軸均為雙平行臂結構，其主要作用是增強母臂Z軸和母臂r軸的強度，提高母臂Z軸和母臂r軸承重量，延長使用壽命。
[0046]進一步，本發(fā)明所述母臂Θ軸和底座均為圓柱體結構，母臂Θ軸的半徑小于底座的半徑。
[0047]進一步，本發(fā)明所述母機械臂還包括斜柱；所述斜柱的一端固定在母臂Z軸上，另一端固定在母臂Θ軸上。本發(fā)明設置斜柱，其主要作用是增強母臂Z軸穩(wěn)定性，延長使用壽命。
[0048]本發(fā)明還公開了一種水果采摘的方法，包括以下步驟:
[0049]I)雙目攝像機檢測到目標果樹時，將目標果樹圖像傳送給工控機，工控機圖像處理獲得目標果樹尺寸信息和樹冠中心點空間坐標信息后，確定圖像采集點數及各采集點空間位置坐標，然后確定母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標；
[0050]2)工控機通過串口向第一運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一圖像采集點；
[0051]3)雙目攝像機采集果樹圖像，并將圖像傳送給工控機；
[0052]4)工控機通過串口向第一運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一果實米摘點；
[0053]5)工控機進行圖像處理，完成圖像內目標果實識別與定位，并獲得各個果實的空間位置和尺寸信息，計算每個目標果實與各子機械臂的距離，根據距離最近原則分配末端執(zhí)行器采摘果實任務，并將各末端執(zhí)行器采摘任務果實的空間位置和尺寸信息傳送給對應的下位機；
[0054]6)各下位機確定對應末端執(zhí)行器目標果實采摘路徑，并計算對應子臂r軸、子臂Θ軸、子臂Z軸的運動參數，并將參數傳送給第二運動控制卡；
[0055]7)第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘；
[0056]8)第一果實采摘點內的果實采摘完畢后，子機械臂返回初始位置，母機械臂運動并帶動子機械臂及末端執(zhí)行器到達果實回收位置，末端執(zhí)行器旋轉底蓋打開，果實從收果筒落入果籃，從而完成一次采摘；
[0057]9)母機械臂運動至下一圖像采集點，開始下一次果實采摘。
[0058]進一步，本發(fā)明所述水果采摘的方法的步驟I)中的母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標的確定方法如下所述:
[0059]I)確定世界坐標系，取母機械臂的底座的圓柱坐標原點為世界坐標系原點，機器人行進方向為X軸正方向，垂直X軸機器人行進方向左側為y軸正方向，垂直水平面向上方向為Z正方向；
[0060]2)確定圖像采集點數及每個采集點的空間坐標；
[0061]設樹冠中心點空間坐標為Ptl (x0, y0, Ztl),設子臂Z軸長度為d，子臂r軸最大伸縮長度為e,目標果樹樹冠高度為b,寬度為a,則圖像采集點數為k=2m,其中m為(| + 1 )的整








數部分；根據圖像采集點數將果樹樹冠均分為2列m行k個區(qū)域，每個區(qū)域對應一個圖像采集點。設雙目攝像機圖像最佳拍攝點距離果樹距離為C，若某圖像采集點對應樹冠區(qū)域空間坐標為Ptl (xq, yq, zq),則該圖像采集點坐標為Pt (xt, yt, zt)，其中xt=xq, yt= (yq-c),Zt=Zq ;
[0062]3)母機械臂果實采摘點數與圖像采集點數相同；設某采摘點空間坐標P。(X。，y。，Zc),貝U Xc=Xt, Yc= (yt+c-e+β ), ze=zt,其中xt、yt、zt分別為該采摘點對應圖像采集點x、y、z軸坐標，β >0 ；
[0063]進一步，本發(fā)明所述水果采摘的方法的所述步驟7)中所述的第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘的具體方法如下:
[0064]I)子機械臂運動帶動末端執(zhí)行器伸向目標果實，果實進入接果器；末端執(zhí)行器伸向目標果實的過程中，裝在末端執(zhí)行器前端的單目攝像機拍攝目標果實圖像，并傳送給下位機處理，獲得果實型心坐標，根據果實型心坐標與圖像中心坐標，計算子機械臂運動調整參數，并將參數傳送給第二運動控制卡，調整分機械臂各軸運動，使末端執(zhí)行器對準目標果實型心，實現果實動態(tài)定位與跟蹤；
[0065]2)位置傳感器檢測到果實完全進入接果器后，將信號傳送下位機；
[0066]3)下位機給第二運動控制卡發(fā)送指令使末端執(zhí)行器攏果器電機旋轉，攏果器與刀片旋轉并咬合切斷果梗，果實落入收果筒；
[0067]4)位置傳感器檢測到果實落入收果筒，向下位機傳送果實采摘成功信息；下位機通過第二運動控制卡控制子機械臂與末端執(zhí)行器運動進行下一果實采摘。
[0068]本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點:
[0069](I)本發(fā)明采摘機器人可以設置多個末端執(zhí)行器，一次可以完成一幅果樹圖像中所有目標果實的連續(xù)采摘。果實的平均采摘周期短，采摘效率高。
[0070](2)機械臂采用母機械臂和子機械臂二級模式，機械臂總自由度不增加的前提下實現多個末端執(zhí)行器的同時作業(yè)的要求，并且機械臂采用圓柱坐標結構，機械臂控制與運動路徑簡單，效率較高。
[0071](3)末端執(zhí)行器可實現蘋果、柑橘、梨等多種果實采摘，通用性好。
[0072](4)末端執(zhí)行器為欠驅動式結構設計，整個采摘與控制過程簡單，采摘時間短。末端執(zhí)行器設有收果筒，可儲存多個果實，實現采摘過程中水果連續(xù)采摘，節(jié)約回放果實時間，提高采摘效率。
[0073](5)采用雙目視覺與單目視覺相結合的方式，實現果實的動態(tài)定位于跟蹤，能有效克服果實采摘過程中因果實晃動帶來的定位不準、采摘失敗問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0074]圖1為本發(fā)明的機械臂結構圖。
[0075]圖2為本發(fā)明的末端執(zhí)行器的第一結構示意圖。
[0076]圖3為本發(fā)明的末端執(zhí)行器的第二結構示意圖。
[0077]圖4為本發(fā)明的機械臂與多末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)示意圖。
[0078]圖5為本發(fā)明的子機械臂與多末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)示意圖。
[0079]圖6為本發(fā)明的機械臂和末端執(zhí)行器水果采摘流程圖。
[0080]其中，1、母機械臂，2、子機械臂，3、母臂Z軸，4、母臂r軸，5、母臂Θ軸，6、底座，7、斜柱，8、端架，9、支架，10、雙目攝像機，11、子臂Z軸，12、子臂r軸，13、子臂Θ軸，14、子臂法蘭，15、母臂Z軸伺服電機，16、母臂r軸伺服電機，17、母臂Θ軸伺服電機，18、子臂Z軸伺服電機，19、子臂r軸伺服電機，20、子臂Θ軸伺服電機，21、接果器，22、基部法蘭，23、攏果器，24、刀片，25、收果筒，26、旋轉底蓋，27、位置傳感器，28、攏果器電機，29、旋轉底蓋電機，
30、傳動輪，31、傳動帶，32、主動齒輪，33、從動齒輪，34、架臺，35、單目攝像機，36、橫桿，37、攏果器軸，38、刀片軸，39、旋轉底蓋軸，40、通孔。
【具體實施方式】
[0081]為使本發(fā)明的內容更加明顯易懂，以下結合附圖1-圖5和【具體實施方式】做進一步的描述。
[0082]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0083]本實施例以四個子機械臂以及四個末端執(zhí)行器為例，來描述本發(fā)明的具體結構和工作過程。
[0084]本發(fā)明的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器機械臂和末端執(zhí)行器，包括果實采摘機械裝置和控制系統(tǒng)。[0085]如圖1所示，果實采摘機械裝置包括母機械臂1、四個子機械臂2和四個末端執(zhí)行器。
[0086]母機械臂I包括母臂Z軸3、母臂r軸4、母臂Θ軸5、底座6、斜柱7、端架8和支架9。
[0087]子機械臂2包括子臂Z軸11、子臂r軸12、子臂Θ軸13和子臂法蘭14。
[0088]末端執(zhí)行器包括接果器21、基部法蘭22、攏果器23、刀片24、收果筒25、旋轉底蓋26、傳動輪30、傳動帶31、主動齒輪32、從動齒輪33、架臺34、橫桿36、攏果器軸37、刀片軸38和旋轉底蓋軸39。
[0089]本發(fā)明所述的母機械臂I的工作內容為將安裝在支架9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2上的末端執(zhí)行器送達指定果實采摘點，末端執(zhí)行器完成目標果實采摘后，母機械臂將子機械臂2和末端執(zhí)行器送達果實回收點。
[0090]母機械臂I中的各零部件之間的具體位置關系為:母臂Θ軸5轉動設置在底座6上，母臂Z軸3垂直固定設置在母臂Θ軸5上，母臂r軸4垂直設置在母臂Z軸3上，所述母臂r軸4沿著母臂Z軸3的軸向方向滑動，子臂Θ軸13繞著自身的中心軸線轉動；端架8固定在母臂r軸4的端頭,支架9固定在母臂r軸4上。
[0091]本發(fā)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(zhí)行器送達指定采摘位置，末端執(zhí)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(zhí)行器送達果實回收點。
[0092]子機械臂2中的各零部件之間的具體位置關系為:子臂Z軸11與前述端架8相連，子臂Θ軸13設置在子臂Z軸11上，子臂Θ軸13沿著子臂Z軸11的軸向方向滑動；子臂r軸12與子臂Θ軸13相連，子臂r軸12沿著子臂r軸12的軸向方向伸縮，子臂Θ軸13可在水平面內左右方向旋轉；子臂法蘭14設置在子臂r軸12的端頭。
[0093]本發(fā)明中所述末端執(zhí)行器的工作內容為完成目標果實的采摘與回收。
[0094]末端執(zhí)行器中的各零部件之間的具體位置關系為:末端執(zhí)行器包括接果器21、基部法蘭22、攏果器23、刀片24、收果筒25、旋轉底蓋26、傳動輪30、傳動帶31、主動齒輪32、從動齒輪33、架臺34、橫桿36、攏果器軸37、刀片軸38和旋轉底蓋軸39 ;接果器21為一端封閉，另一端上設有斜開口的圓筒；基部法蘭22與前述子臂法蘭14相連，基部法蘭22通過橫桿36與接果器21的封閉端相連，刀片24通過刀片軸38轉動設置接果器21的斜開口端上，攏果器23通過攏果器軸37轉動設置在接果器21的斜開口端上，所述主動齒輪32與刀片軸38同軸安裝，從動齒輪33與攏果器軸37同軸安裝，且主動齒輪32與從動齒輪33相嚙合；傳動帶31連接刀片軸38 ;收果筒25設置在接果器21的斜開口端上，且接果器21的斜開口端上設有與收果筒25相連通的通孔40 ;架臺34設置在接果器21的斜開口端上；旋轉底蓋26通過旋轉底蓋軸39轉動設置在收果筒25的底端。
[0095]本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)實現果樹圖像拍攝、圖像處理、目標果實的識別與定位以及母機械臂、小機械臂運動控制和末端執(zhí)行器采摘控制。
[0096]本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)包括工控機、雙目攝像機10、轉接卡、用于控制母機械臂I動作的母機械臂控制系統(tǒng)、轉換器和控制子機械臂2和末端執(zhí)行器動作的子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)；雙目攝像機10固定在前述的支架9上,且雙目攝像機通過轉接卡與工控機相連，所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)通過轉換器與工控機相連。[0097]本發(fā)明所述母機械臂控制系統(tǒng)包括第一運動控制卡、母臂Z軸伺服電機驅動器、母臂Z軸伺服電機、母臂Z軸伺服電機編碼器、母臂r軸伺服電機驅動器、母臂r軸伺服電機、母臂r軸伺服電機編碼器、母臂Θ軸伺服電機驅動器、母臂Θ軸伺服電機和母臂Θ軸伺服電機編碼器；
[0098]所述母臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Z軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂Z軸伺服電機能夠驅動母臂Z軸運動。所述母臂Z軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂Z軸運動的精確控制。
[0099]所述母臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂r軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂r軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂r軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂r軸伺服電機能夠驅動母臂r軸運動；所述母臂r軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂r軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂r軸運動的精確控制。
[0100]所述母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Θ軸伺服電機的輸入端相連；所述母臂Θ軸伺服電機編碼器能夠檢測母臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量，母臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂Θ軸伺服電機能夠驅動母臂Θ軸運動。所述母臂Θ軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的母臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第一運動控制卡，第一運動控制卡根據此信息實現母臂Θ軸運動的精確控制。所述第一運動控制卡與工控機相連。
[0101]本發(fā)明所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)包括下位機、單目攝像機35、位置傳感器27、第二運動控制卡、子臂Z軸伺服電機驅動器、子臂Z軸伺服電機編碼器、子臂Z軸伺服電機、子臂r軸伺服電機驅動器、子臂r軸伺服電機、子臂r軸伺服電機編碼器、子臂Θ軸伺服電機驅動器、子臂Θ軸伺服電機、子臂Θ軸伺服電機編碼器、旋轉底蓋電機驅動器、旋轉底蓋電機、攏果器電機驅動器和攏果器電機28 ；
[0102]下位機通過前述的轉換器與工控機相連；所述單目攝像機35設置在前述的架臺34上，且單目攝像機35與下位機相連接；所述位置傳感器27設置在接果器21的斜開口端的內壁上；位置傳感器與下位機相連接。所述攏果器電機28設置在接果器21的封閉端上，攏果器電機28的電機軸上安裝有傳動輪30，傳動輪30通過連接在刀片軸38上的傳動帶
31將攏果器電機28的動力傳遞給主動齒輪32 ；
[0103]所述子臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Z軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機能夠驅動子臂Z軸運動；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂Z軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂Z軸運動的精確控制。[0104]所述子臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂r軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Z軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂r軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連。所述子臂r軸伺服電機能夠驅動子臂r軸運動。所述子臂r軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂r軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂r軸運動的精確控制。
[0105]所述子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Θ軸伺服電機的輸入端相連；所述子臂Θ軸伺服電機編碼器能夠檢測子臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量，子臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂Θ軸伺服電機能夠驅動子臂Θ軸運動；所述子臂Θ軸伺服電機編碼器能夠將檢測到的子臂Θ軸伺服電機旋轉角度位移量傳送給第二運動控制卡，第二運動控制卡根據此信息實現子臂Θ軸運動的精確控制。所述第二運動控制卡與前述的下位機相連接。
[0106]進一步，本發(fā)明所述母臂Z軸3和母臂r軸4均為雙平行臂結構。本發(fā)明中母臂Z軸3和母臂r軸4均為雙平行臂結構，其主要作用是增強母臂Z軸3和母臂r軸4的強度，提高母臂Z軸3和母臂r軸4承重量，延長使用壽命。
[0107]進一步，本發(fā)明所述母臂Θ軸5和底座6均為圓柱體結構，所述母臂Θ軸5的半徑小于底座6的半徑。
[0108]進一步，本發(fā)明所述母機械臂I還包括斜柱7 ;所述斜柱7的一端固定在母臂Z軸3上，另一端固定在母臂Θ軸5上。本發(fā)明設置斜柱7，其主要作用是增強母臂Z軸3穩(wěn)定性，延長使用壽命。
[0109]本發(fā)明還公開了一種水果采摘的方法，包括以下步驟:
[0110]I)雙目攝像機檢測到目標果樹時，將目標果樹圖像傳送給工控機，工控機圖像處理獲得目標果樹尺寸信息和樹冠中心點空間坐標信息后，確定圖像采集點數及各采集點空間位置坐標，然后確定母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標；
[0111]母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標的確定方法如下所述:
[0112]1.1確定世界坐標系，取母機械臂的底座6的圓柱坐標原點為世界坐標系原點，機器人行進方向為X軸正方向，垂直X軸機器人行進方向左側為y軸正方向，垂直水平面向上方向為Z正方向；
[0113]1.2確定圖像采集點數及每個采集點的空間坐標；
[0114]設樹冠中心點空間坐標為Ptl (x0, y0, Ztl),設子臂Z軸長度為d，子臂r軸最大伸縮
長度為e,目標果樹樹冠高度為b,寬度為a,則圖像采集點數為k=2m,其中m為(I + 1 )的整




a
數部分；根據圖像采集點數將果樹樹冠均分為2列m行k個區(qū)域，每個區(qū)域對應一個圖像采集點。設雙目攝像機圖像最佳拍攝點距離果樹距離為C，若某圖像采集點對應樹冠區(qū)域空間坐標為Ptl (xq, yq, zq),則該圖像采集點坐標為Pt (xt, yt, zt)，其中xt=xq, yt= (yq-c),Zt=Zq ;
[0115]1.3母機械臂果實采摘點數與圖像采集點數相同。設某采摘點空間坐標
Zc),貝U Xc=Xt, Yc= (yt+c-e+β ), ze=zt,其中xt、yt、zt分別為該采摘點對應圖像采集點x、y、Z軸坐標，β >0 ；
[0116]2)工控機通過串口向第一運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一圖像采集點；
[0117]3)雙目攝像機采集果樹圖像，并將圖像傳送給工控機；
[0118]4)工控機通過串口向第二運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一果實米摘點；
[0119]5)工控機進行圖像處理，完成圖像內目標果實識別與定位，并獲得各個果實的空間位置和尺寸信息，計算每個目標果實與各子機械臂的距離，根據距離最近原則分配末端執(zhí)行器采摘果實任務，并將各末端執(zhí)行器采摘任務果實的空間位置和尺寸信息傳送給對應的下位機；
[0120]6)各下位機確定對應末端執(zhí)行器目標果實采摘路徑，并計算對應子臂r軸、子臂Θ軸、子臂Z軸的運動參數，并將參數傳送給第二運動控制卡；
[0121]7)第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘；
[0122]第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘的具體方法如下:
[0123]1.1子機械臂運動帶動末端執(zhí)行器伸向目標果實，果實進入接果器；末端執(zhí)行器伸向目標果實的過程中，裝在末端執(zhí)行器前端的單目攝像機拍攝目標果實圖像，并傳送給下位機處理，獲得果實型心坐標，根據果實型心坐標與圖像中心坐標，計算子機械臂運動調整參數，并將參數傳送給第二運動控制卡，調整分機械臂各軸運動，使末端執(zhí)行器對準目標果實型心，實現果實動態(tài)定位與跟蹤；
[0124]1.2位置傳感器檢測到果實完全進入接果器后，將信號傳送下位機；
[0125]1.3下位機給第二運動控制卡發(fā)送指令使末端執(zhí)行器攏果器電機旋轉，攏果器與刀片旋轉并咬合切斷果梗，果實落入收果筒；
[0126]1.4位置傳感器檢測到果實落入收果筒，向下位機傳送果實采摘成功信息；下位機通過第二運動控制卡控制子機械臂與末端執(zhí)行器運動進行下一果實采摘。
[0127]8)第一果實采摘點內的果實采摘完畢后，子機械臂返回初始位置，母機械臂運動至帶動子機械臂及末端執(zhí)行器到達果實回收位置，末端執(zhí)行器旋轉底蓋打開，果實從收果筒落入果籃，從而完成一次采摘；
[0128]9)母機械臂運動至下一圖像采集點，開始下一次果實采摘。
[0129]除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
[0130]本發(fā)明未涉及部分均與現有技術相同或采用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.一種水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，包括果實采摘機械裝置和控制系統(tǒng)，其特征是， 所述果實采摘機械裝置包括母機械臂(I)、固定在母機械臂(I)上的不少于一個的子機械臂(2)和固定在子機械臂(2)上的末端執(zhí)行器； 其中，所述母機械臂(I)包括母臂Z軸(3)、母臂r軸(4)、母臂Θ軸(5)、底座(6)、端架(8)和支架(9);母臂Θ軸(5)轉動設置在底座(6)上，母臂Z軸(3)垂直固定設置在母臂Θ軸(5)上，母臂r軸(4)垂直設置在母臂Z軸(3)上，所述母臂r軸(4)沿著母臂Z軸(3)的軸向方向滑動，所述子臂Θ軸(13)繞著自身的中心軸線轉動；端架(8)固定在母臂r軸(4)的端頭,支架(9)固定在母臂r軸(4)上； 所述子機械臂(2)包括子臂Z軸(11)、子臂r軸(12)、子臂Θ軸(13)和子臂法蘭(14);所述子臂Z軸(11)與前述端架(8)相連，子臂Θ軸(13)設置在子臂Z軸(11)上，所述子臂Θ軸(13)沿著子臂Z軸(11)的軸向方向滑動；子臂r軸(12)與子臂Θ軸(13)相連，所述子臂r軸(12)沿著子臂r軸(12)的軸向方向伸縮，所述子臂Θ軸(13)繞著自身的中心軸線轉動；子臂法蘭(14)設置在子臂r軸(12)的端頭； 所述末端執(zhí)行器包括接果器(21)、基部法蘭(22)、攏果器(23)、刀片(24)、收果筒(25)、旋轉底蓋(26)、傳動輪(30)、傳動帶(31)、主動齒輪(32)、從動齒輪(33)、架臺(34)、橫桿(36)、攏果器軸(37)、刀片軸(38)和旋轉底蓋軸(39);所述接果器(21)為一端封閉，另一端上設有斜開口的圓筒；所述基部法蘭(22)與前述子臂法蘭(14)相連，基部法蘭(22)通過橫桿(36)與接果器(21)的封閉端相連，刀片(24)通過刀片軸(38)轉動設置接果器(21)的斜開口端上，攏果器(23)通過攏果器軸(37)轉動設置在接果器(21)的斜開口端上，所述主動齒輪(32)與刀片軸(38)同軸安裝，從動齒輪(33)與攏果器軸(37)同軸安裝，且主動齒輪(32)與從動齒輪(33)相嚙合；傳動帶(31)連接刀片軸(38);所述收果筒(25)設置在接果器(21)的斜開口端上，且所述接果器(21)的斜開口端上設有與收果筒(25)相連通的通孔(40 );架臺(34 )設置在接果器(21)的中部；旋轉底蓋(26 )通過旋轉底蓋軸(39 )轉動設置在收果筒(25)的底端； 所述控制系統(tǒng)包括工控機、雙目攝像機(10)、轉接卡、用于控制母機械臂(I)動作的母機械臂控制系統(tǒng)、轉換器和控制子機械臂(2)和末端執(zhí)行器動作的子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)；所述雙目攝像機(10)固定在前述的支架(9)上,且雙目攝像機通過轉接卡與工控機相連，所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)通過轉換器與工控機相連。
2.如權利要求1所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，其特征是，所述母機械臂控制系統(tǒng)包括第一運動控制卡、母臂Z軸伺服電機驅動器、母臂Z軸伺服電機、母臂Z軸伺服電機編碼器、母臂r軸伺服電機驅動器、母臂r軸伺服電機、母臂r軸伺服電機編碼器、母臂Θ軸伺服電機驅動器、母臂Θ軸伺服電機和母臂Θ軸伺服電機編碼器；所述母臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Z軸伺服電機的輸入端相連，母臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂r軸伺服電機的輸入端相連，母臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第一運動控制卡的輸出端相連，母臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與母臂Θ軸伺服電機的輸入端相連，母臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第一運動控制卡的輸入端相連；所述第一運動控制卡與工控機相連。
3.如權利要求1所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，其特征是，所述子機械臂與末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)包括下位機、單目攝像機(35)、位置傳感器(27)、第二運動控制卡、子臂Z軸伺服電機驅動器、子臂Z軸伺服電機編碼器、子臂Z軸伺服電機、子臂r軸伺服電機驅動器、子臂r軸伺服電機、子臂r軸伺服電機編碼器、子臂Θ軸伺服電機驅動器、子臂Θ軸伺服電機、子臂Θ軸伺服電機編碼器、旋轉底蓋電機驅動器、旋轉底蓋電機、攏果器電機驅動器和攏果器電機(28);所述下位機通過前述的轉換器與工控機相連；所述單目攝像機(35)設置在前述的架臺(34)上，且單目攝像機(35)與下位機相連接；所述位置傳感器(27)設置在接果器(21)的斜開口端的內壁上；位置傳感器(27)與下位機相連接；所述攏果器電機(28)設置在接果器(21)的封閉端上，攏果器電機(28)的電機軸上安裝有傳動輪(30 )，傳動輪(30 )通過連接在刀片軸(38 )上的傳動帶(31)將攏果器電機(28 )的動力傳遞給主動齒輪(32);所述子臂Z軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Z軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Z軸伺服電機的輸入端相連，子臂Z軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂r軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂r軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂r軸伺服電機的輸入端相連，子臂r軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，子臂Θ軸伺服電機驅動器的輸出端與子臂Θ軸伺服電機的輸入端相連，子臂Θ軸伺服電機編碼器的輸出端與第二運動控制卡的輸入端相連；所述第二運動控制卡與前述的下位機相連接；所述旋轉底蓋電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，旋轉底蓋電機驅動器的輸出端與所述旋轉底蓋電機相連；所述攏果器電機驅動器的輸入端與第二運動控制卡的輸出端相連，攏果器電機驅動器的輸出端與所述攏果器電機相連。
4.如權利要求1所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，其特征是，所述母臂Z軸(3)和母臂r軸(4)均為雙平行臂結構。
5.如權利要求1所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，其特征是，所述母臂θ軸(5)和底座(6)均為圓柱體結構,所述母臂Θ軸(5)的半徑小于底座(6)的半徑。
6.如權利要求1所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器，其特征是，所述母機械臂(I)還包括斜柱(7);所述斜柱(7)的一端固定在母臂Z軸(3)上，另一端固定在母臂Θ軸(5)上。
7.一種利用如權利要求1至權利要求6任一項所述的水果采摘機器人的機械臂和末端執(zhí)行器進行水果采摘的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)雙目攝像機檢測到目標果樹時，將目標果樹圖像傳送給工控機，工控機圖像處理獲得目標果樹尺寸信息和樹冠中心點空間坐標信息后，確定圖像采集點數及各采集點空間位置坐標，然后確定母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標； 2)工控機通過串口向第一運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一圖像采集占.3)單目攝像機采集果樹圖像，并將圖像傳送給工控機； 4)工控機通過串口向第一運動控制卡發(fā)送控制指令，使母機械臂運動至第一果實采摘占.^ \\\ ? 5)工控機進行圖像處理，完成圖像內目標果實識別與定位，并獲得各個果實的空間位置和尺寸信息，計算每個目標果實與各子機械臂的距離，根據距離最近原則分配末端執(zhí)行器采摘果實任務，并將各末端執(zhí)行器采摘任務果實的空間位置和尺寸信息傳送給對應的下位機； 6)各下位機確定對應末端執(zhí)行器目標果實采摘路徑，并計算對應子臂r軸、子臂Θ軸、子臂Z軸的運動參數，并將參數傳送給第二運動控制卡； 7)第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘； 8)第一果實采摘點內的果實采摘完畢后，子機械臂返回初始位置，母機械臂運動至帶動子機械臂及末端執(zhí)行器到達果實回收位置，末端執(zhí)行器旋轉底蓋打開，果實從收果筒落入果籃，從而完成一次采摘； 9)母機械臂運動至下一圖像采集點，開始下一次果實采摘。
8.如權利要求7所述的水果采摘方法，其特征是，所述步驟I)中的母機械臂果實采摘點數及各采摘點空間坐標的確定方法如下所述: 1)確定世界 坐標系，取母機械臂的底座(6)的圓柱坐標原點為世界坐標系原點，機器人行進方向為X軸正方向，垂直X軸機器人行進方向左側為I軸正方向，垂直水平面向上方向為Z正方向； 2)確定圖像采集點數及每個采集點的空間坐標； 設樹冠中心點空間坐標為Ptl (x0, y。，z0),設子臂z軸長度為d，子臂r軸最大伸縮長度為e,目標果樹樹冠高度為b,寬度為a,則圖像采集點數為k=2m,其中m為(| + 1 )的整數部




a分；根據圖像采集點數將果樹樹冠均分為2列m行k個區(qū)域，每個區(qū)域對應一個圖像采集點。設雙目攝像機圖像最佳拍攝點距離果樹距離為c，若某圖像采集點對應樹冠區(qū)域空間坐標為 PtJ (xq7 yq7 Zq),則該圖像采集點坐標為 Pt (xt, Jt, Zt)，其中 Xt=Xq, yt= (yq-c), Zt=Zq ； 3)母機械臂果實采摘點數與圖像采集點數相同；設某采摘點空間坐標P。U。，u。)，則Xc=Xt, yc= (yt+c-e+β ), ze=zt,其中xt、yt、zt分別為該采摘點對應圖像采集點x、y、z軸坐標，β >0。
9.如權利要求7所述的水果采摘方法，其特征是:所述步驟7)中所述的第二運動控制卡控制子機械臂運動并帶動末端執(zhí)行器運動，子機械臂與末端執(zhí)行器進行果實采摘的具體方法如下: O子機械臂運動帶動末端執(zhí)行器伸向目標果實，果實進入接果器；末端執(zhí)行器伸向目標果實的過程中，裝在末端執(zhí)行器前端的單目攝像機拍攝目標果實圖像，并傳送給下位機處理，獲得果實型心坐標，根據果實型心坐標與圖像中心坐標，計算子機械臂運動調整參數，并將參數傳送給第二運動控制卡，調整分機械臂各軸運動，使末端執(zhí)行器對準目標果實型心，實現果實動態(tài)定位與跟蹤； 2)位置傳感器檢測到果實完全進入接果器后，將信號傳送下位機； 3)下位機給第二運動控制卡發(fā)送指令使末端執(zhí)行器攏果器電機旋轉，攏果器與刀片旋轉并咬合切斷果梗，果實落入收果筒；.4)位置傳感器檢測到果實落入收果筒，向下位機傳送果實采摘成功信息；下位機通過第二運動控制卡控制子機械臂與末端執(zhí)行器運動進行下一果實采摘。
【文檔編號】A01D46/30GK103950033SQ201410159066
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】姬長英, 李國利, 顧寶興, 王芳, 陸濤 申請人:南京農業(yè)大學