一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人及采摘方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人及采摘方法，包括路径规划模块、移动底盘、五连杆机械臂、末端执行机构、主控模块、高度调节装置、能源持续供给模块、分级收集装置。本发明专利技术利用五连杆机械臂在平面内带动末端执行机构自由移动，通过图像识别定位模块对草莓进行识别定位，在高度调节装置的配合下，能够使末端执行机构在不同层高的高架上对成熟草莓进行无损采摘，自动化程度高，节省了人力物力。本发明专利技术基于改进的深度学习实例分割网络SOLO来进一步提高模型对草莓的检测速度和精度，本发明专利技术还能够识别草莓体积，并据此分级放置采摘后的草莓，大大减少后续采摘人员分级装框售卖的工作量。量。量。

A multi working condition Greenhouse Strawberry precise picking robot and picking method suitable for multi-layer elevated planting agronomy

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人及采摘方法


[0001]本专利技术属于农业收获机械
，尤其涉及一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人及采摘方法。

技术介绍

[0002]据统计，我国草莓栽培面积270万亩左右，种植面积稳居世界第一。草莓成熟后的采摘工作通常由人工完成，针对多层种植模式的高架草莓，采摘人员需来回起身弯腰进行采摘，劳动强度大，需要消耗大量的人力成本和时间成本，因此，研究一种针对高架种植农产品的草莓精准采摘机器人对草莓种植收获具有重要意义。
[0003]目前，采摘机器人已经逐步应用到各种果蔬采摘作业中，受到越来越多的研究人员的关注，这也进一步推动了农业智能机器人的发展。目前的智能化草莓采摘机器人虽然可以实现自动导航、能源持续供给、自动识别成熟草莓以及定位的功能，并且能够根据采摘点位置信息控制机械臂以及末端执行器执行采摘和收集动作，但是该种草莓采摘机器人应用于温室大棚中时，使用较为不便。温室大棚内的背景信息过于复杂，容易降低草莓识别精度，使得现有的草莓采摘机器人对于草莓切割点定位不准，而且现有的草莓采摘机器人机械臂结构较为复杂，运动轨迹求解繁琐，成本也较高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人及采摘方法，实现了在高架种植农艺的连栋温室中自主导航、草莓识别及切割点定位、草莓无损采摘及分级收集的功能，定位准确度高，采摘效率高，节省了大量的人力物力。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，包括移动底盘，移动底盘内部安装有主控模块，主控模块与上位机信号连接，主控模块还与路径规划模块、第一深度相机、五连杆机械臂、末端执行机构、高度调节装置、能源持续供给模块连接；移动底盘上方安装有高度调节装置，高度调节装置上方通过机械臂支撑架安装有五连杆机械臂，五连杆机械臂上安装有末端执行机构，末端执行机构上安装有第一深度相机；机械臂支撑架前端安装有路径规划模块，移动底盘后端安装有能源持续供给模块。
[0007]进一步地，所述末端执行机构包括滑轨框，滑轨框下表面安装有超声波传感器，滑轨框下表面还与第三伺服电机输出端连接，滑轨框前端滑动安装有第一机械指滑块和第二机械指滑块，第一机械指滑块和二机械指滑块相对的一侧均设置为斜边结构且斜边上均开设有一条滑轨，滑动件滑动安装在滑轨中，滑动件后端与推杆连接，推杆另一端穿过滑轨框后与折返式电缸连接；第一机械指滑块前端、第二机械指滑块的前端分别安装有第一机械指、第二机械
指，第一机械指上表面、第二机械指上表面均安装有刀片。
[0008]进一步地，所述五连杆机械臂包括两个对称固定在机械臂支撑架上表面的底座，两个底座上分别安装有第一伺服电机和第二伺服电机，第一伺服电机和第二伺服电机分别与第一机械臂短连杆、第二机械臂短连杆固定连接，第一机械臂短连杆另一端与第一机械臂长连杆转动连接，第二机械臂短连杆另一端与第二机械臂长连杆转动连接；第二机械臂长连杆另一端与第一机械臂长连杆另一端转动连接，且连接处的第二机械臂长连杆下端安装有第三伺服电机，连接处的第一机械臂长连杆上端安装有滑轨框。
[0009]进一步地，所述路径规划模块包括固定在机械臂支撑架前端的云台底座，云台底座内安装有云台伺服电机，云台伺服电机输出端与安装在云台底座顶部的旋转云台连接，旋转云台上安装有第二深度相机，云台底座下方还安装有激光雷达传感器。
[0010]进一步地，所述移动底盘包括移动底盘框架、多组从动轮、履带，移动底盘框架内安装有行走驱动电机，行走驱动电机输出端与主动轮连接，履带套设在主动轮以及从动轮上。
[0011]进一步地，所述高度调节装置包括两组步进电机，两组步进电机均与对应的两组精密丝杆通过弹性联轴器连接，精密丝杆上均安装有滑块，剪式升降平台底部四端分别固定在四个滑块上。
[0012]进一步地，所述机械臂支撑架是由多块支撑型材和支撑板拼接组成的矩形板状结构；支撑板上安装有多个粘贴有不同标签的收集框作为分级收集装置。
[0013]进一步地，所述第一机械指与第二机械指相对的一侧均设置有海绵垫。
[0014]进一步地，所述能源持续供给模块包括太阳能板和支撑架，支撑架固定在移动底盘后端，太阳能板倾斜安装在支撑架上。
[0015]利用上述适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人的草莓采摘方法，包括如下过程：在上位机以及主控模块的综合控制下，云台伺服电机驱动旋转云台转动，旋转云台上的第二深度相机随之转动，采集采摘机器人周围环境信息，第二深度相机以及激光雷达传感器采集的信息均传递至主控模块进行初步析，而后传递至上位机进一步分析处理，确定采摘机器人的位置，然后按照神经网络静态路径规划算法，通过神经网络的学习来建立精确的模型，识别出定位通行的道路，据此下发控制指令；由主控模块控制移动底盘上的行走驱动电机工作，行走驱动电机驱动主动轮转动，带动履带运动，使得采摘机器人按照既定的路径行走至草莓采摘区域；到达草莓采摘区域后，超声波传感器检测末端执行机构与草莓之间的距离并最终传递至上位机，第一深度相机采集温室中草莓图像数据并传递至上位机进行分析处理，利用2D
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to
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3D技术，将草莓2D图像转换为3D模型，计算草莓的相对体积；然后利用采集到的草莓图像制作COCO数据集，输入到改进的深度学习实例分割网络SOLO中进行训练，SOLO按果实在图像中的位置进行分割，将ResNet
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101作为主干网络提取特征，连接FPN网络，将FPN网络与ResNet
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101主干网络底层特征层进行融合，在瓶颈处添加注意力机制模块，将非极大值抑制修改为快速非极大值抑制；将草莓图像输入到训练好的网络模型后，输出草莓和茎秆的掩膜并提取出来，将草莓茎秆的二分之一处作为切割点；确定好切割点位置以及末端执行机构与草莓之间的距离后，上位机下发指令至主
控模块，主控模块控制五连杆机械臂的第一伺服电机和第二伺服电机工作，带动四根连杆运动，将末端执行机构移动至采摘位置处；接着，主控模块控制末端执行机构的折返式电缸伸缩端向后收缩，折返式电缸向后拉动推杆，推杆向后拉动滑动件，滑动件沿着第一机械指滑块和二机械指滑块侧边滑轨向后运动，第一机械指滑块和二机械指滑块沿着滑轨框内部的导轨相互靠近，从而带动第一机械指和第二机械指相互靠近，压紧草莓，通过刀片将草莓茎秆切断；然后根据计算出的草莓的相对体积数据，通过五连杆机械臂将末端执行机构移动至机械臂支撑架上的分级收集装置上方，此时主控模块控制折返式电缸向前伸出，推杆向前挤压滑动件，使得第一机械指滑块和第二机械指滑块沿着滑轨框内部的导轨相互分离，第一机械指和第二机械指分开，草莓落入分级收集装置内；一侧架体上的草莓采摘完成后，通过五连杆机械臂将末端执行机构移动至另一侧，然后控制第三伺服电机驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，包括移动底盘（2），移动底盘（2）内部安装有主控模块，主控模块与上位机信号连接，主控模块还与路径规划模块（1）、第一深度相机（300）、五连杆机械臂（4）、末端执行机构（5）、高度调节装置（6）、能源持续供给模块（7）连接；移动底盘（2）上方安装有高度调节装置（6），高度调节装置（6）上方通过机械臂支撑架（9）安装有五连杆机械臂（4），五连杆机械臂（4）上安装有末端执行机构（5），末端执行机构（5）上安装有第一深度相机（300）；机械臂支撑架（9）前端安装有路径规划模块（1），移动底盘（2）后端安装有能源持续供给模块（7）。2.根据权利要求1所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述末端执行机构（5）包括滑轨框（512），滑轨框（512）下表面安装有超声波传感器（504），滑轨框（512）下表面还与第三伺服电机（505）输出端连接，滑轨框（512）前端滑动安装有第一机械指滑块（506）和第二机械指滑块（507），第一机械指滑块（506）和二机械指滑块（507）相对的一侧均设置为斜边结构且斜边上均开设有一条滑轨，滑动件（508）滑动安装在滑轨中，滑动件（508）后端与推杆（509）连接，推杆（509）另一端穿过滑轨框（512）后与折返式电缸（510）连接；第一机械指滑块（506）前端、第二机械指滑块（507）的前端分别安装有第一机械指（500）、第二机械指（501），第一机械指（500）上表面、第二机械指（501）上表面均安装有刀片。3.根据权利要求2所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述五连杆机械臂（4）包括两个对称固定在机械臂支撑架（9）上表面的底座（407），两个底座（407）上分别安装有第一伺服电机（401）和第二伺服电机（402），第一伺服电机（401）和第二伺服电机（402）分别与第一机械臂短连杆（403）、第二机械臂短连杆（404）固定连接，第一机械臂短连杆（403）另一端与第一机械臂长连杆（405）转动连接，第二机械臂短连杆（404）另一端与第二机械臂长连杆（406）转动连接；第二机械臂长连杆（406）另一端与第一机械臂长连杆（405）另一端转动连接，且连接处的第二机械臂长连杆（406）下端安装有第三伺服电机（505），连接处的第一机械臂长连杆（405）上端安装有滑轨框（512）。4.根据权利要求3所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述路径规划模块（1）包括固定在机械臂支撑架（9）前端的云台底座（103），云台底座（103）内安装有云台伺服电机（102），云台伺服电机（102）输出端与安装在云台底座（103）顶部的旋转云台（100）连接，旋转云台（100）上安装有第二深度相机（101），云台底座（103）下方还安装有激光雷达传感器（105）。5.根据权利要求4所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述移动底盘（2）包括移动底盘框架（200）、多组从动轮、履带（201），移动底盘框架（200）内安装有行走驱动电机（204），行走驱动电机（204）输出端与主动轮（202）连接，履带（201）套设在主动轮（202）以及从动轮上。6.根据权利要求5所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述高度调节装置（6）包括两组步进电机（600），两组步进电机（600）均与对应的两组精密丝杆（602）通过弹性联轴器连接，精密丝杆（602）上均安装有滑块，剪式升
降平台（601）底部四端分别固定在四个滑块上。7.根据权利要求1所述的适用于多层高架种植农艺的多工况温室草莓精准采摘机器人，其特征在于，所述机械臂支撑架（9）是由多块支撑型材（900）和支撑板（901）拼接组成的矩形板状结构；支撑板（901）上安...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小旵，王得志，施印炎，陈彦宇，武尧，李为民，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：