[发明专利]水果采摘机器人的机械臂和末端执行器及水果采摘方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业采摘机器人领域，特别涉及一种水果采摘机器人的机械臂和末端执行器及水果采摘方法。

背景技术

随着社会人口的老龄化和农业劳动力的逐步减少，一些繁重、单调的农业生产越来越需要机械化、自动化、智能化的机器来替代。计算机技术、传感器技术、电子通信技术、自动控制技术的发展给农业机器人技术的发展提供了前所未有的可能，因此，农业机器人技术在很多国家取得了较大的发展。采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的一个环节，其费用约占成本的50%～70%。水果采摘机器人的机械臂和末端执行器是农业机器人的重要类型，它能够降低工人劳动强度和生产费用，具有很大发展潜力。

水果采摘机器人的机械臂和末端执行器一般由视觉系统、行走机构、控制系统、采摘机械臂和末端执行器等部分组成。末端执行器是安装在采摘机器人机械臂前端直接作用于作业对象的部分，是采摘机器人核心部件之一。水果采摘机器人的机械臂和末端执行器作业时，由视觉系统获得果树图像交与计算机处理，获得目标果实的空间三维坐标后，由采摘机械臂将末端执行器送达目标果实位置，最后由末端执行器完成果实采摘。从上个世纪80年代中期以来，国内外研究人员开发设计了多种水果采摘机器人的机械臂和末端执行器。这些水果采摘机器人的机械臂和末端执行器基本设计有单个末端执行器，采摘作业时采摘机械臂为一个末端执行器服务，每采摘一个果实均需要一个完整的采摘流程，每个果实的平均采摘周期较长，采摘效率较低。研究人员也发明了多种末端执行器。这些末端执行器大致可分为吸入式、夹持式和吸持式三种结构，结构及其控制比较复杂，果实的获取与回收工作环节较多，采摘速度不高。目前大多数水果采摘机器人的机械臂和末端执行器及其末端执行器没有商品化，有的只是在实验室或温室中得到了初步应用。当前影响水果采摘机器人的机械臂和末端执行器及其末端执行器实用化的因素主要有（1）机器人及其末端执行器结构、作业方法、控制系统及驱动方式复杂，采摘速度较慢。（2）采摘准确率有待提高。影响采摘准确率的原因主要有：机器人目标果实视觉定位及机械臂位置定位误差较大；末端执行器不能成功获取果实或获取后果实失落；采摘过程中自然风等因素引起果实晃动而使果实定位不准确等。（3）末端执行器采摘水果种类单一，通用性不好，制造和运行成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，针对现有技术中的水果采摘机器人的机械臂和末端执行器基本设计有单个末端执行器，采摘作业时采摘机械臂为一个末端执行器服务，每采摘一个果实均需要一个完整的采摘流程，每个果实的平均采摘周期较长，采摘效率较低的技术问题。

本发明的目的是提供一种水果采摘机器人的机械臂和末端执行器及水果采摘方法，可以实现苹果、柑橘、梨等球形水果的高效、高准确率采摘。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种水果采摘机器人的机械臂和末端执行器，包括果实采摘机械装置和控制系统，果实采摘机械装置包括母机械臂、固定在母机械臂上的不少于一个的子机械臂和固定在子机械臂上的末端执行器；

本发明所述的母机械臂的工作内容为将安装在支架上双目摄像机送到指定图像采集点和将子机械臂及固定在子机械臂上的末端执行器送达指定果实采摘点，末端执行器完成目标果实采摘后，母机械臂将子机械臂和末端执行器送达果实回收点。

本发明中所述的母机械臂包括母臂Z轴、母臂r轴、母臂θ轴、底座、端架和支架；母臂θ轴转动设置在底座上，母臂Z轴垂直固定设置在母臂θ轴上，母臂r轴垂直设置在母臂Z轴上，所述母臂r轴沿着母臂Z轴的轴向方向滑动，所述子臂θ轴绕着自身的中心轴线转动；端架固定在母臂r轴的端头，支架固定在母臂r轴上。

本发明所述子机械臂的工作内容为在母机械臂的配合下完成将末端执行器送达指定采摘位置，末端执行器完成目标果实采摘任务后，子机械臂在母机械臂的配合下完成将末端执行器送达果实回收点。

本发明中所述子机械臂的安装数量，具体可根据实际情况进行设置。设置的子机械臂数量多，其可采摘的范围大；反之，可采摘的范围小。

本发明中所述的子机械臂包括子臂Z轴、子臂r轴、子臂θ轴和子臂法兰；子臂Z轴与前述端架相连，子臂θ轴设置在子臂Z轴上，子臂θ轴沿着子臂Z轴的轴向方向滑动；子臂r轴与子臂θ轴相连，所述子臂r轴沿着子臂r轴的轴向方向伸缩，子臂θ轴可在水平面内左右方向旋转；子臂法兰设置在子臂r轴的端头。

本发明中所述末端执行器的工作内容为完成目标果实的采摘与回收。