垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人及采摘方法技术

本发明专利技术提供了一种垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人及采摘方法，使用STM32作为机器人控制终端，完成以伺服电机、舵机控制为主的基本行为，控制机械臂、智能花茎分离模块、移动模块、雷达模块工作，实现高效率、高品质的智能识别和自主导航行走采摘作业，有效减少了劳动力的使用，增加了经济效益。另外，本发明专利技术通过在割手内壁增设薄膜压力传感器来辅助判断切割完成状况，实现了抓取力度控制，有效降低了金丝皇菊在采摘过程中的损伤率。效降低了金丝皇菊在采摘过程中的损伤率。效降低了金丝皇菊在采摘过程中的损伤率。

【技术实现步骤摘要】
垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人及采摘方法


[0001]本专利技术属于农业机械设计
，尤其涉及一种垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人及采摘方法。

技术介绍

[0002]金丝皇菊作为茶类饮品的一种，颇受欢迎，目前我国的金丝皇菊种植面积也在逐渐扩大。由于金丝皇菊花期短、品质要求高，这就导致了金丝皇菊的采摘成为金丝皇菊生产过程中用工量最大、实现智能机械化难度最大的一项作业项目。目前全球范围内还没有落地的菊花采摘机器人系统，全部采用人工采摘，劳动强度大、采摘效率低。
[0003]智能化机械如何通过最优路径自主精准识别定位并进行无损伤采摘是当下采摘过程研究的关键性问题；而衡量茶用菊采摘机器人性能的关键指标有：对始花期菊花的识别定位能力、避障能力、无损采摘能力等。因此，有必要研发一种能够对金丝皇菊进行精准识别定位，并且能够有效减少菊花在采摘过程中损伤率的自主行走智能采摘装置，实现高效率、高品质的采摘作业，推动菊花规模化生产，提高菊花生产的经济效益。

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垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人及采摘方法，实现了自主导航行走机器人对金丝皇菊的智能识别和无损抓取。
[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]一种垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，包括操作平台，操作平台上表面安装有雷达模块、机械臂、主控模块,下表面竖直安装有车轮撑板，车轮撑板下端安装有移动模块；操作平台一侧安装有收集框，机械臂末端安装有智能花茎分离模块；主控模块分别与智能花茎分离模块、机械臂、移动模块、雷达模块信号连接。
[0007]进一步地，所述智能花茎分离模块包括安装在机械臂末端的步进电机，步进电机输出扭矩端与丝杠连接，丝杠安装在上挡板与下挡板之间，位于丝杠下方的上挡板与下挡板之间安装有连接块，连接块两侧边均滑动安装有滑轨凸台，滑轨凸台之间安装有Realsense 455摄像头作为识别终端；丝杠上滑动安装有滑块，滑块上表面连接有连杆连接板，连杆连接板另一端与两侧滑轨凸台之间分别转动连接有拨手上连杆和割手上连杆，拨手上连杆和割手上连杆另一端分别转动连接有拨手下连杆、割手下连杆；拨手下连杆和割手下连杆分别与拨手、割手连接。
[0008]进一步地，所述拨手包括一体化成型的拨手连接和拨手手爪，割手包括一体化成型的割手连接和割手手爪，拨手手爪和割手手爪的截面均为圆弧状；割手手爪端部设置为用于包络目标菊花的五指状结构，割手手爪内壁安装有FSR薄膜式压力传感器。
[0009]进一步地，所述机械臂包括固定在操作平台上表面前端的机械臂底盘，机械臂底盘上安装有底盘转台，底盘转台上安装有大臂，大臂前端连接有小臂连接件，小臂连接件与
小臂以及大臂连杆连接，小臂前端连接有小臂末端，小臂末端与智能花茎分离模块连接，底盘转台上还安装有双目相机；底盘转台、大臂、大臂连杆以及小臂连接件均通过舵机实现运动控制。
[0010]进一步地，所述雷达模块采用Velodyne VLP
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16激光雷达和里程计，通过SLAM进行定位构图。
[0011]进一步地，所述移动模块包括多个电机、车轮以及与之配套的轴承、销轴、车轮联轴器，电机均通过螺栓固定于车轮撑板外侧，电机扭矩输出端均通过车轮联轴器与销轴连接，车轮均通过车轮轴孔与销轴连接，且销轴与轴承内圈同轴心连接，轴承内圈能够随销轴转动，轴承外圈与车轮撑板上的轴孔进行同轴心配合连接。
[0012]进一步地，所述主控模块以STM32为主控芯片，还包括有工控机，由12V的10Ah锂电池经LM2596S降压模块降压供电。
[0013]基于上述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人的采摘方法，包括如下过程：自主导航：雷达模块扫描周围环境数据并传递至主控模块，主控模块分析处理接收到的数据后进行全局路径规划和局部路径规划，最终确定最短路径，然后向移动模块输出运动控制指令，驱动采摘机器人自主导航；目标识别：采摘机器人移动到指定采摘位置后，双目相机采集目标菊花图像信息，并传递至主控模块进行分析处理，完成对目标菊花的识别；采摘位置调整：主控模块根据双目相机以及Realsense 455摄像头实时捕捉的目标画面信息，控制机械臂中的各个舵机工作，将机械臂连同智能花茎分离模块调整至指定的采摘位置，使得智能花茎分离模块对准目标菊花；执行采摘：主控模块控制智能花茎分离模块中的步进电机工作，使得割手与拨手相互靠近，共同包络目标菊花，完成采摘作业；目标菊花收集：主控模块通过舵机控制机械臂以及智能花茎分离模块整体旋转并对准收集框，接着控制步进电机反向转动，带动割手与拨手分离，目标菊花落入收集框中。
[0014]进一步地，所述执行采摘的具体过程为：主控模块控制步进电机工作，通过联轴器将扭矩传输到丝杠，丝杠上的滑块沿着丝杠做向下的直线运动，带动与之连接的连杆连接板向下运动；连杆连接板带动拨手上连杆收缩，拨手上连杆带动与之连接的拨手下连杆绕着连接处顺时针转动，使得拨手向割手靠近；与此同时，连杆连接板带动割手上连杆收缩，割手上连杆带动与之连接的割手下连杆绕着连接处逆时针转动，使得割手包裹着目标菊花向拨手靠近，完成对目标菊花的包络；随着割手与拨手包络动作的持续，目标菊花花茎被挤压在割手与拨手的缝隙之间，割手内壁的FSR薄膜式压力传感器接触产生的压力越来越大，压力信号反馈到主控模块，主控模块判断出压力值达到程序设定的阈值后，控制步进电机停止工作，割手与拨手停止包络动作，此时目标菊花花茎被压断。
[0015]进一步地，所述自主导航的具体过程为：加载由SLAM模块构建的全局地图，利用开源AMCL定位算法实现采摘机器人自主定位，生成代价地图，在Rviz界面标定目标点，以JPS算法进行全局路径规划生成阶段性导航目标点，经过雷达模块扫描生成局部代价地图确定局部障碍物位置，由TEB算法重新规划局部路径实现采摘机器人对动态障碍物的避障，全局
路径规划、局部路径规划相结合确定最短路径；目标识别的具体过程为：将获得的实时RGB图像转为HSV空间图像，提取S分量，将图像转为灰度图像，用矢量中值滤波法去除噪声，使目标边缘更加清晰平滑，统计各个灰度级的频数，通过聚类算法求取隶属矩阵，根据隶属度最大原则进行图像分割，进行2
×
2开运算，滤除最小面积，然后填充裂缝，然后进行膨胀运算，然后进行八连通域标记，接着计算连通区域面积，并标注果形特征，最后进行质心的计算。
[0016]本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所提供的采摘机器人能够对金丝皇菊进行精准识别，使用STM32作为机器人控制终端，用来完成以伺服电机、舵机控制为主的基本行为，并通过增加薄膜压力传感器，实现抓取力度控制，能够减少金丝皇菊在采摘过程中的损伤率，实现高效率和高品质的智能识别和自主导航行走采摘作业，有效减少劳动力的使用，增加经济效益。另外，本专利技术不仅能够用于金丝皇菊的采摘作业，也能够用于其他类似作物的采摘，适用范围广，值得普遍推广本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，包括操作平台（6），操作平台（6）上表面安装有雷达模块（5）、机械臂（2）、主控模块（3）,下表面竖直安装有车轮撑板（7），车轮撑板（7）下端安装有移动模块（4）；操作平台（6）一侧安装有收集框（8），机械臂（2）末端安装有智能花茎分离模块（1）；主控模块（3）分别与智能花茎分离模块（1）、机械臂（2）、移动模块（4）、雷达模块（5）信号连接。2.根据权利要求1所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述智能花茎分离模块（1）包括安装在机械臂（2）末端的步进电机（100），步进电机（100）输出扭矩端与丝杠（102）连接，丝杠（102）安装在上挡板（106）与下挡板（107）之间，位于丝杠（102）下方的上挡板（106）与下挡板（107）之间安装有连接块（101），连接块（101）两侧边均滑动安装有滑轨凸台（105），滑轨凸台（105）之间安装有Realsense 455摄像头（115）作为识别终端；丝杠（102）上滑动安装有滑块（103），滑块（103）上表面连接有连杆连接板（104），连杆连接板（104）另一端与两侧滑轨凸台（105）之间分别转动连接有拨手上连杆（108）和割手上连杆（111），拨手上连杆（108）和割手上连杆（111）另一端分别转动连接有拨手下连杆（109）、割手下连杆（112）；拨手下连杆（109）和割手下连杆（112）分别与拨手（110）、割手（113）连接。3.根据权利要求2所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述拨手（110）包括一体化成型的拨手连接（1101）和拨手手爪（1102），割手（113）包括一体化成型的割手连接（1131）和割手手爪（1132），拨手手爪（1102）和割手手爪（1132）的截面均为圆弧状；割手手爪（1132）端部设置为用于包络目标菊花的五指状结构，割手手爪（1132）内壁安装有FSR薄膜式压力传感器。4.根据权利要求3所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述机械臂（2）包括固定在操作平台（6）上表面前端的机械臂底盘（200），机械臂底盘（200）上安装有底盘转台（202），底盘转台（202）上安装有大臂（207），大臂（207）前端连接有小臂连接件（211），小臂连接件（211）与小臂（209）以及大臂连杆（208）连接，小臂（209）前端连接有小臂末端（210），小臂末端（201）与智能花茎分离模块（1）连接，底盘转台（202）上还安装有双目相机；底盘转台（202）、大臂（207）、大臂连杆（208）以及小臂连接件（211）均通过舵机实现运动控制。5.根据权利要求1所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述雷达模块（5）采用Velodyne VLP
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16激光雷达（500）和里程计，通过SLAM进行定位构图。6.根据权利要求1所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述移动模块（4）包括多个电机（400）、车轮（401）以及与之配套的轴承、销轴、车轮联轴器，电机（400）均通过螺栓固定于车轮撑板（7）外侧，电机（400）扭矩输出端均通过车轮联轴器与销轴连接，车轮（401）均通过车轮轴孔与销轴连接，且销轴与轴承内圈同轴心连接，轴承内圈能够随销轴转动，轴承外圈与车轮撑板（7）上的轴孔进行同轴心配合连接。7.根据权利要求1所述的垄上自主行走包络式金丝皇菊无损采摘机器人，其特征在于，所述主控模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小旵，李培艺，王延鑫，施印炎，章永年，王得志，王继浩，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：