一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人及其实现方法，机器人包括三自由度移动机构、末端执行机构、双目测距视觉识别机构、超声波测距机构、底座支撑机构和嵌入式主控制端；三自由度移动机构整体位于底座支撑机构之上，同步带直线模组滑台竖直固定于移动平台的上方，丝杆导轨滑台通过升降伸缩机构连接件与同步带直线模组滑台连接，并与同步带直线模组滑台呈15～30度的倾斜角度；末端执行机构固定在丝杆导轨滑台的末端。本发明专利技术的结构简单，控制方便，采用导轨行走式结构，运动平稳性好，可以克服果园地势陡峭的地形障碍，减轻人力采摘的工作强度，柑橘采摘的精确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人及其实现方法
本专利技术涉及农业机器人领域，特别涉及一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人及其实现方法。
技术介绍
柑橘不仅可以满足我们日常的食用要求，还具有较高的药用价值，中医学认为柑橘的果皮、核、叶和橘络，全是“地道药材”。柑橘的挂果量非常高，并且其成熟时间大致相当。柑橘成熟后要在较短的时间内采摘完成并售出，以保证其新鲜度，故采摘柑橘对于大面积种植柑橘的果农来说是一个很大的挑战。目前，柑橘主要是人工采摘，机械化程度非常低。人工采摘柑橘具有劳动强度大、采摘效率不高且成本较大等缺点，加上近年来越来越多的农业劳动力转移到其他产业，农村劳动力资源不足的问题日益严峻，迫切需要专利技术一种自动采摘柑橘的机器。由于柑橘树枝条茂盛，柑橘的挂果方式也各不一样，故采摘过程比较复杂，目前尚未有较成熟的柑橘采摘机器。专利技术专利“一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法”(公开号为CN102124866A)，其移动平台包括第一驱动轮总成、第二驱动轮总成、第一从动轮总成、第二从动轮总成、平台机架、电机控制柜、水果收集箱以及侧面挡板，其中第一驱动轮总成、第二驱动轮总成、第一从动轮总成、第二从动轮总成与平台机架之间采用螺钉联接，侧面挡板用铆钉铆接在平台机架上，电机控制柜固定在轮式智能移动平台的中部；水果收集箱位于机械臂和电机控制柜之间。该移动平台只适合在比较平坦道路上移动，难以适应柑橘园的地势地貌。因为我国栽培柑橘的地区主要集中在湖南、江西、四川、福建、浙江、广西、湖北、广东和重庆等，这些地区的山区较多，柑橘多种在山区上，若使用这种轮式移动平台，需要花很大资本进行路面改造，实施起来难度非常巨大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种采摘效率高、使用方便、成本低的基于双目视觉的柑橘采摘机器人及其实现方法。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人，包括三自由度移动机构1、末端执行机构2、嵌入式从控制端3、双目测距视觉识别机构4、超声波测距机构5、PC视觉处理端6、嵌入式主控制端7、底座支撑机构8；三自由度移动机构1整体位于底座支撑机构8之上，三自由度移动机构1包括移动平台39、同步带直线模组滑台18、丝杆导轨滑台28，移动平台39通过同步带固定件33固定在同步带12的上端，同步带直线模组滑台18竖直固定于移动平台39的上方，升降步进电机20位于同步带直线模组滑台18的上部，丝杆导轨滑台28通过3D打印的升降伸缩机构连接件30与同步带直线模组滑台18连接，并与同步带直线模组滑台18呈15～30度的倾斜角度；末端执行机构2固定在丝杆导轨滑台28的末端；双目测距视觉识别机构4固定在竖直放置的同步带直线模组滑台18的顶端；超声波测距机构5中的超声波模块41固定于底座支撑机构8之上，用于测量三自由度移动机构1水平方向的运动距离。移动平台39由铝型材搭建而成，通过梯形螺母、螺丝及角件进行连接；电机固定架9与轴承固定架17分别固定在底座支撑机构8的左右两侧；直流电机10固定在电机固定架9上，两个整体径向滑动轴承13和15固定在轴承固定架17上，传动杆16通过过盈配合连接固定于两个整体径向滑动轴承13和15的轴承孔内；第一同步带轮11通过螺纹紧固连接安装于直流电机10的电机轴上，第二同步带轮14通过螺纹紧固连接固定于传动杆16上，同步带12的两端分别与第一同步带轮11、第二同步带轮14连接，同步带固定件33固定于移动平台39的一侧。同步带直线模组滑台18通过铝型材连接竖直固定于移动平台39上，同步带直线模组滑台18上安装有同步带直线模组滑台滑块19。丝杆导轨滑台28上安装有丝杆导轨滑台滑块27，丝杆导轨滑台滑块27通过滑块—铝型材连接件25与2020欧标铝型材24相连接，限位固定架23固定于丝杆导轨滑台28的末端，用于防止末端执行机构2在受力时的较大范围变形，伸缩步进电机26位于丝杆导轨滑台28的末端。所述的PC视觉处理端6是一块运行Linux系统的树莓派，树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，具备所有PC的基本功能。所述的嵌入式主控制端7，包括2.4G无线通信发送模块、蓝牙模块、超声波模块、LCD模块、直流电机驱动电路、步进电机驱动器。所述的嵌入式从控制端3包含2.4G无线通信接收模块、降压模块、电池。所述的末端执行机构2包括机械爪21、末端执行器固定架22和嵌入式从控制端3，其中机械爪21内置有舵机、压力传感模块，机械爪21通过末端执行器固定架22固定于铝型材24的末端。嵌入式从控制端3和舵机通过电池电源经降压模块后供电。嵌入式从控制端3通过2.4G无线通信接收模块获取到嵌入式主控制端7的信号，通过舵机带动机械爪21，从而实现控制机械爪21的开合。所述的双目测距视觉识别机构4，包括相机固定架29和双摄像头图像识别相机38；相机固定架29固定于同步带直线模组滑台18的末端，用于固定双摄像头图像识别相机38，双摄像头图像识别相机38用于识别柑橘的位置。所述的超声波测距机构5，包括超声波模块41、超声波模块固定架32和挡板40，用于测量三自由度移动机构1的水平方向运动距离；超声波模块41通过超声波模块固定架32固定于底座支撑机构8的侧边；挡板40固定于移动平台39上，与平整地面相垂直，正对于超声波模块41的信号发出方向。所述的底座支撑机构8，由多套2020型欧标铝型材、梯形螺母、螺丝、90度角件、135度角件以及滑块-移动平台连接件31组合搭建而成；梯形螺母、螺丝、90度角件构成一套连接件，用于连接互成90度的相邻铝型材，主要用于构成四个脚架；梯形螺母、螺丝、135度角件构成一套加固连接件，用于进行整体机构和脚架的加固；滑轨36通过螺纹连接固定在底座支撑机构8的上方，滑轨滑块37安装于滑轨36上，用于移动平台39的低摩擦平移运动。滑块-移动平台连接件31通过螺纹连接与水平的2020欧标铝型材连接。一种基于双目视觉的柑橘采摘实现方法，是采用上述基于双目视觉的柑橘采摘机器人作为执行机构进行采摘，包括下述步骤：(1)首先，柑橘采摘机器人进行位置的初始化，即三维空间坐标的初始化；双摄像头图像识别相机获取柑橘所处的空间位置，事先确定某一参照位置，通过双目测距技术计算得到柑橘三维空间坐标即柑橘在水平、竖直、前后方向上相对于左摄像头光心的距离数据，然后通过坐标转换规则将柑橘三维空间坐标转换成机器坐标即柑橘在水平、竖直、前后方向上相对于机械爪的距离数据；(2)根据所获得的柑橘在水平方向上相对于机械爪的距离数据，计算出移动平台需在水平方向移动的距离；移动平台与同步带连接并随同步带进行水平方向上的移动，移动平台所处位置由固定于底座支撑机构上的超声波测距机构确定；(3)根据所获得的柑橘在竖直方向上相对于机械爪的距离数据，确定控制同步带直线模组滑台的升降步进电机的转动圈数，带动同步带直线模组滑台滑块进行竖直方向上的精确移动；(4)根据所获得的柑橘在前后方向上相对于机械爪的距离数据，确定丝杆导轨滑台上的伸缩步进电机需转动的圈数，通过控制丝杆导轨滑台上伸缩步进电机的转动圈数，使末端执行机构进行水平方向与竖直方向的综合移动；(5)末端执行机构准确靠近目标柑橘后，机械爪由张开状态缓慢闭合，直到内嵌的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人，其特征在于：包括三自由度移动机构、末端执行机构、双目测距视觉识别机构、超声波测距机构、底座支撑机构和嵌入式主控制端；三自由度移动机构整体位于底座支撑机构之上，三自由度移动机构包括移动平台、同步带直线模组滑台、丝杆导轨滑台，移动平台固定在同步带的上端，同步带直线模组滑台竖直固定于移动平台的上方，丝杆导轨滑台通过升降伸缩机构连接件与同步带直线模组滑台连接，并与同步带直线模组滑台呈15～30度的倾斜角度；末端执行机构固定在丝杆导轨滑台的末端；双目测距视觉识别机构固定在同步带直线模组滑台的顶端；超声波测距机构中的超声波模块固定于底座支撑机构之上。

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的柑橘采摘机器人，其特征在于：包括三自由度移动机构、末端执行机构、双目测距视觉识别机构、超声波测距机构、底座支撑机构和嵌入式主控制端；三自由度移动机构整体位于底座支撑机构之上，三自由度移动机构包括移动平台、同步带直线模组滑台、丝杆导轨滑台，移动平台固定在同步带的上端，同步带直线模组滑台竖直固定于移动平台的上方，丝杆导轨滑台通过升降伸缩机构连接件与同步带直线模组滑台连接，并与同步带直线模组滑台呈15～30度的倾斜角度；末端执行机构固定在丝杆导轨滑台的末端；双目测距视觉识别机构固定在同步带直线模组滑台的顶端；超声波测距机构中的超声波模块固定于底座支撑机构之上。2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的柑橘采摘机器人，其特征在于：移动平台由铝型材搭建而成，通过梯形螺母、螺丝及角件进行连接；电机固定架与轴承固定架分别固定在底座支撑机构的左右两侧；直流电机固定在电机固定架上，两个整体径向滑动轴承固定在轴承固定架上，传动杆通过过盈配合连接固定于两个整体径向滑动轴承的轴承孔内；第一同步带轮通过螺纹紧固连接安装于直流电机的电机轴上，第二同步带轮通过螺纹紧固连接固定于传动杆上，同步带的两端分别与第一同步带轮、第二同步带轮连接，同步带固定件固定于移动平台的一侧。3.根据权利要求1所述的基于双目视觉的柑橘采摘机器人，其特征在于：同步带直线模组滑台上安装有同步带直线模组滑台滑块；丝杆导轨滑台上安装有丝杆导轨滑台滑块，丝杆导轨滑台滑块通过连接件与铝型材相连接，限位固定架固定于丝杆导轨滑台的末端，伸缩步进电机位于丝杆导轨滑台的末端。4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的柑橘采摘机器人，其特征在于：所述的末端执行机构包括机械爪、末端执行器固定架和嵌入式从控制端，其中机械爪内置有舵机、压力传感模块，机械爪通过末端执行器固定架固定于铝型材的末端。5.一种基于双目视觉的柑橘采摘实现方法，其特征在于：采用权利要求1～4中任一项所述的基于双目视觉的柑橘采摘机器人作为执行机构进行采摘，包括下述步骤：(1)首先，柑橘采摘机器人进行位置的初始化，即三维空间坐标的初始化；双摄像头图像识别相机获取柑橘所处的空间位置，事先确定某一参照位置，通过双目测距技术计算得到柑橘三维空间坐标即柑橘在水平、竖直、前后方向上相对于左摄像头光心的距离数据，然后通过坐标转换规则将柑橘三维空间坐标转换成机器坐标即柑橘在水平、竖直、前后方向上相对于机械爪的距离数据；(2)根据所获得的柑橘在水平方向上相对于机械爪的距离数据，计算出移动平台需在水平方向移动的距离；移动平台与同步带连接并随同步带进行水平方向上的移动，移动平台所处位置由固定于底座支撑机构上的超声波测距机构确定；(3)根据所获得的柑橘在竖直方向上相对于机械爪的距离数据，确定控制同步带直线模组滑台的升降步进电机的转动圈数，带动同步带直线模组滑台滑块进行竖直方向上的精确移动；(4)根据所获得的柑橘在前后方向上相对于机械爪的距离数据，确定丝杆导轨滑台上的伸缩步进电机需转动的圈数，通过控制丝杆导轨滑台上伸缩步进电机的转动圈数，使末端执行机构进行水平方向与竖直方向的综合移动；(5)末端执行机构准确靠近目标柑橘后，机械爪由张开状态缓慢闭合，直到内嵌的压力传感模块探测到有柑橘被抓取，则停止闭合机械爪，实现抓取柑橘动作，再通过模拟人工采摘的上抬动作，以达到果梗与相连接果枝的分离。6.根据权利要求5所述的基于双目视觉的柑橘采摘实现方法，其特征在于采用下述控制步骤：(1)PC视觉处理端通过基于视觉的自动识别果实方法识别果实，然后通过基于双目视觉的定位方法来定...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊涛，林忠凯，林桂潮，陈培钟，吕家豪，黄德意，林锦豪，王金汉，钟灼，梁翠晓，陈淑绵，余涟漪，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44