一种高效草莓采摘机器人及采摘方法技术

本发明专利技术公开了一种高效草莓采摘机器人及采摘方法，属于机器人技术领域。它包括机架；识别筛分模块，通过颜色识别获得草莓的RGB值，判断成熟草莓和未成熟草莓以及单茎和多茎；采摘模块，将所述识别筛分模块得到的成熟草莓进行切割；收集模块，将成熟草莓进行收集。通过识别筛分模块、采摘模块和收集模块的配合，可以实现对成熟草莓的采集，用于辅助人工对草莓的采摘，在尽量减少造成果皮破损的情况，提高了采摘效率，降低了人工采摘劳动强度。

【技术实现步骤摘要】
一种高效草莓采摘机器人及采摘方法
本专利技术属于机器人
，更具体地说，涉及一种高效草莓采摘机器人及采摘方法。
技术介绍
草莓(又称红苺、地苺等)，多年生草本植物，高10-40厘米，茎低于叶或近，密被开展黄色柔毛，叶三出，小叶具短柄，质地较厚，倒卵形或菱形，叶柄密被开展黄色柔毛，聚伞花序，花序下面具一短柄的小叶；花瓣白色，近圆形或倒卵椭圆形，聚合果大，宿存萼片直立，紧贴于果实；瘦果尖卵形，光滑，花期一般为4-5月，果期6-7月。据资料统计，全世界关于草莓品种多达20000多个，我国培育和从外国引进的新品种有200-300个，大面积栽培的优良品种共有几十个甚至更多，而且随着人们对草莓需求量的不断加大，果农种植草莓的数量也不断增加，但是传统的人工劳动力在草莓采摘过程中主要存在如下一些问题：(1)人工采摘劳动量大且效率低；(2)垄作草莓的采摘为弯腰作业，需前后脚成直线弯腰，蹲下或半蹲的姿势才在垄沟中，作业异常劳累，采摘成本增加；(3)草莓果实量多，采摘劳动量大，每株草莓整体成熟期时间较长，若不能及时采摘，草莓果实易腐烂；(4)果皮易破损，在采摘过程不能对果皮造成损伤，影响品质。目前，在草莓收获方面，日本近藤等人针对现代温室栽培模式，研制了适于高架栽培的草莓采收机器人装置，该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与前述番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空气吸加刀片切割器，收获时，先由机器视觉系统计算出采摘目标的空间位置，随后采摘机械手移动到预定位置，末端执行器接近目标直到把草莓吸住，由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成采摘。此外，日本还研究了其它草莓分级方式，如采摘果实时使用波浪形果盘，可使草莓按规定形式排列，方便用机器人进行分级。例如日本宫崎大学永田等人研制设计了用于垄上作业的4自由度草莓收获机器人装置，该机器人采用机械手也是框架式三自由度直角坐标采用铅垂上下采摘，两个垂直俯视地面的摄像机获取草莓的图像，一个用于寻找目标果实，一个用于计算目标果实方位；用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离，利用机械手爪抓取草莓果柄、切刀剪断果柄。该机器人的草莓采收实验装置体积比较庞大，尚无行走驱动装置，对于草莓的枝叶遮挡、重叠等尚未进行研究；同时，其采摘机械手采用了气力驱动方式，增加了系统的复杂性和制造成本，在生产中应用和推广存在难度。此外，在草莓采摘方面中国农业大学张铁中等在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面进行了相当深入和系统的研究，建立了草莓采摘机器人实验系统，采用双目视觉等图像处理技术实现了草莓的识别和定位，对草莓果实的互相重叠或遮挡等情况进行了研究，研究设计出了以地垄式草莓种植系统为基础的草莓采摘机械手，并研究出了针对于地垄式栽培结构的果实视觉系统，和地垄采摘行走装置。目前存在的问题综上分析可知，从草莓采摘机器人的研究方向上观察，现阶段的草莓采摘研究主要集中在以下几个部分：1)国外主要是针对高挂式种植模式的采摘机构的研究，对于适用于在我国占主导种植模式的地垄式草莓采摘机器人比较少，虽有涉及到的机型，但研究不完善，无驱动装置并且体积较大，无法和实际种植环境相结合；2)针对单独的机构设计方面的研究多集中于末端执行器以及视觉系统的设计研究，而对于如何适合种植地形的采摘机器人行走机构以及同采摘手臂的配合方面的研究和设计则较少；3)过于追求传感器对采摘的影响，没有考虑到利用机械结构，以及结合草莓种植方式，对采摘进行研究，更没有通过机械辅助传感器对水果的采摘；4)利用机械臂和颜色传感器，去仿生采摘技术，虽然每年都有技术上的进步但收效渐微，且成本较高，效率低。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有地垄式人工采摘草莓劳动量大且效率低的问题，本专利技术提供一种高效草莓采摘机器人，高效化，智能化农业机械，可自动进行筛分和收集的小型机械，用于辅助人工对草莓的采摘，降低劳动强度，提高草莓采摘效率。本专利技术还提供了一种高效草莓采摘机器人的采摘方法，步骤衔接有序，在尽可能的保护草莓采摘的同时，提高草莓的采摘效率。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种高效草莓采摘机器人，包括机架，其上设置有把手，下方设置有四个滚轮；识别筛分模块，通过颜色识别获得草莓的RGB值，判断成熟草莓和未成熟草莓以及单茎和多茎；采摘模块，将所述识别筛分模块得到的成熟草莓进行切割；收集模块，将成熟草莓进行收集。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述识别筛分模块包括颜色传感器和分选机构，所述分选机构包括电机、双输出蜗轮蜗杆、传动链条、分选轮、悬架和转轴，其中悬架与所述机架固定，转轴固定在悬架的下方，转轴一端连接分选轮，另一端连接传动链条；电机固定在所述机架的上方，且与双输出蜗轮蜗杆连接，传动链条绕设在双输出蜗轮蜗杆上；所述颜色传感器固定在悬架上，且位于分选轮上方。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述分选轮包括轮毂、聚乙烯毛刷、内撑杆、外夹板和弹簧扣，所述轮毂上设有若干安装槽，安装槽可固定聚乙烯毛刷，内撑杆转动固定在轮毂轴上，外夹板通过弹簧扣限位在轮毂上，其中聚乙烯毛刷构成分选轮拾取端(拾取果茎)，且外夹板可自由缩放，从而实现固定果茎。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述采摘模块包括舵机、弹簧、切刀和连杆，所述舵机固定在机架上，舵机通过连杆与切刀连接，弹簧套装在切刀上，切刀的头部穿过轮毂上设的切刀槽。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述收集模块包括托盘，托盘的内侧边缘设有毛刷，用于紧贴草莓种植田的梯形垄两边。于本专利技术的一种可能实施方式中，还包括中间裹叶轮模块，所述中间裹叶轮模块包括两块由PVC及鬃毛构成的挡板，两块挡板对称设置在机架的下方且贯穿整个机架，挡板与分选轮处于同一水平面，入口呈梯形向内逐渐变窄，将草莓植株与果实分开，最大限度减少对草莓植株的伤害，也便于识别筛分模块的精准筛分。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述的分选机构的数量为六个且构成两排，对称设置在机架下方，在两排分选轮的前端分别设置有矫正抓取轮，矫正抓取轮与分选轮结构相一致，使用时，分选轮与矫正抓取轮的转向相反，用于草莓扇形分布的边缘拾取，辅助与草莓分选轮，解决草莓的遗漏拾取。于本专利技术的一种可能实施方式中，所述中间裹叶轮模块还包括尾部扫轮，所述尾部扫轮沿圆周表面设有柔性毛刷。本专利技术还提供了一种高效草莓采摘机器人的采摘方法，包括以下具体步骤：步骤S101.位于前端的挡板将草莓植株与果实分开，由分选轮上的聚乙烯毛刷拾取草莓果茎，并由内撑杆和外夹板固定果茎；步骤S102.当拾取的果茎移动到分选轮轮毂上方设定范围时，颜色传感器捕捉到果茎前端的草莓，对草莓进行颜色识别，获得的RGB值，配合颜色识别算法进行筛分，判断成熟草莓和未成熟草莓以及单茎和多茎；步骤S103.当判断为成熟的单茎草莓，则位于分选轮轮毂上方的切刀通过舵机驱动快速切割果茎；当有多个果茎被拾取，通过RGB值的判断则不对果茎进行切割，由下一个分选轮再次拾取判断与切割；步骤S104.被摘取的草莓从田埂边缘自由滚落，落到紧贴垄边缘的托盘上，完成草莓的采摘。于本专利技术的一种可能实施方式中，在所述步骤S101中，对边缘扇形分布的草莓，由矫正抓取轮拾取；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效草莓采摘机器人，其特征在于，包括机架(100)；识别筛分模块(200)，通过颜色识别获得草莓的RGB值，判断成熟草莓和未成熟草莓以及单茎和多茎；采摘模块(300)，将所述识别筛分模块(200)得到的成熟草莓进行切割；收集模块(400)，将成熟草莓进行收集。

【技术特征摘要】
1.一种高效草莓采摘机器人，其特征在于，包括机架(100)；识别筛分模块(200)，通过颜色识别获得草莓的RGB值，判断成熟草莓和未成熟草莓以及单茎和多茎；采摘模块(300)，将所述识别筛分模块(200)得到的成熟草莓进行切割；收集模块(400)，将成熟草莓进行收集。2.根据权利要求1所述的高效草莓采摘机器人，其特征在于，所述识别筛分模块(200)包括颜色传感器(210)和分选机构，所述分选机构包括电机(220)、双输出蜗轮蜗杆(230)、传动链条(240)、分选轮(250)、悬架(260)和转轴(270)，其中悬架(260)与所述机架(100)固定，转轴(270)固定在悬架(260)的下方，转轴(270)一端连接分选轮(250)，另一端连接传动链条(240)；电机(220)固定在所述机架(100)的上方，且与双输出蜗轮蜗杆(230)连接，传动链条(240)绕设在双输出蜗轮蜗杆(230)上；所述颜色传感器(210)固定在悬架(260)上，且位于分选轮(250)上方。3.根据权利要求2所述的高效草莓采摘机器人，其特征在于，所述分选轮(250)包括轮毂(251)、聚乙烯毛刷(252)、内撑杆(253)、外夹板(254)和弹簧扣(255)，所述轮毂(251)上设有若干安装槽，安装槽可固定聚乙烯毛刷(252)，内撑杆(253)转动固定在轮毂(251)轴上，外夹板(254)通过弹簧扣(255)限位在轮毂(251)上。4.根据权利要求3所述的高效草莓采摘机器人，其特征在于，所述采摘模块(300)包括舵机(310)、弹簧(330)、切刀(340)和连杆(350)，所述舵机(310)固定在机架(100)上，舵机(310)通过连杆(350)与切刀(340)连接，弹簧(330)套装在切刀(340)上，切刀(340)头部穿过轮毂(251)上设的切刀槽(256)。5.根据权利要求4所述的高效草莓采摘机器人，其特征在于，所述收集模块(400)包括托盘(410)，托盘(410)的内侧边缘设有毛刷，用于紧贴草莓种植田的梯形垄两边。6.根据权利要求1至5任一项所述的高效草莓采摘机器人，其特征在于，还包括中间裹叶轮模块(500)，所述中间裹叶轮模块(500)包括两块由PVC及鬃毛构成的挡板(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长青，仇帅，张宇，单驰，操守捷，
申请(专利权)人：河海大学文天学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34