一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人的制作方法

本实用新型涉及农业机器人技术领域，尤其涉及到一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人。

背景技术：

我国是农业大国，但整体机械化水平不高，作业效率低下，农业机器人的应用更是少之又少。就番茄来讲，目前通常是采用大棚规模化种植，采摘、运输和装卸等作业环节主要以人工完成，或是采用机械辅助作业，表现为耗时耗力、效率低下、成本高昂。而且采用机械辅助作业时，由于机械结构的不合理对番茄造成较大的损伤，从而影响了番茄的销售，降低了产值，增加了农业劳动者的经济负担。

国内对番茄收获机器人的研究起步较晚，番茄收获领域比较落后。现有的一些用于番茄的作业机械普遍存在自动化程度低、作业时对番茄损伤较大和效率低的问题，且作业功能单一、适用性差，无法体系化作业，推广应用前景差。随着先进算法的不断提出、人工智能的不断发展，研发农业机器人将成为发展农业、实现农业现代化的重要方向。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人，提高了番茄收获效率，而且减小了收获过程中番茄的损伤。

本实用新型是通过如下技术方案实现的，提供一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人，包括采摘车和运输车，所述运输车上设有收集装置，采摘车上设有无损采摘装置和输出端伸至收集装置的传送装置。

本优化方案利用采摘车带动无损采摘装置进行无损采摘，采摘后的番茄通过传送装置送至运输车上的收集装置，收集至一定量时，运输车将收集装置中的番茄运至集中存放点，从而利用采摘车、传送装置和运输车的配合实现番茄收获作业，大幅降低了劳动强度，提高了收获效率。

作为优化，所述无损采摘装置包括机械臂和安装在机械臂末节的真空吸盘，所述真空吸盘连接设置在采摘车上的真空发生器。本优化方案利用机械臂带动真空吸盘与番茄接触，利用真空发生器的作用使真空吸盘吸附住番茄，再利用机械臂末节的转动将果梗扭断，避免了番茄被损伤，真空发生器和机械臂均采用现有技术实现。

作为优化，机械臂末节上固接有外壳，真空吸盘位于外壳内。本优化方案通过设置外壳，使番茄在外壳内被吸附，将番茄摘下、真空发生器停止工作后，避免番茄掉落。

作为优化，还包括固设在采摘车上的第一导轨、滑接在第一导轨上的滑动底座和驱动滑动底座沿第一导轨沿竖向移动的第一驱动装置，所述滑动底座与机械臂首节固接。本优化方案通过滑动底座的移动带动机械臂上下移动，从而增大了采摘范围。

作为优化，传送装置包括安装在采摘车上的固定输送机和安装在运输车上的摆动输送机，固定输送机的输出端延伸至摆动输送机的输入端，摆动输送机的输出端伸至收集装置，摆动输送机的机架通过横轴铰接在运输车上，运输车上安装有驱动摆动输送机绕横轴转动的摆动驱动装置。本优化方案的传送装置在使用时，通过固定输送机将采摘装置采摘的番茄传送至摆动输送机，利用摆动输送机将番茄传送至收集装置，通过摆动驱动装置带动摆动输送机整体摆动，使得摆动输送机的输出端高度可以调节，以避免落差过大导致番茄损坏，同时还方便实现逐层摆放。

作为优化，所述摆动输送机包括机架、转动安装在机架上的主动滚筒和从动滚筒，以及连接主动滚筒和从动滚筒的摆动传送带，主动滚筒连接第一电动机；摆动输送机的机架上转动连接有位于固定输送机输出端与摆动输送机输入端之间的防卡辊刷，所述防卡辊刷与主动滚筒传动连接。本优化方案的摆动输送机通过第一电动机带动主动滚筒转动，从而带动传送带转动，实现番茄输送，结构简单，通过设置防卡辊刷，避免番茄在经过固定输送机和摆动输送机结合处时被卡住，实现了番茄顺利传送。

作为优化，摆动输送机的机架上还转动连接有位于摆动输送机输出端上方的减损辊刷，所述减损辊刷连接第二电动机，减损辊刷与从动滚筒的转向相反。本优化方案通过第二电动机带动减损辊刷旋转，将番茄脱离传送带进入收集筐时的速度降到最低，以减少收集筐对番茄的冲击，避免番茄受损。

作为优化，传送装置还包括固设在采摘车上的第二导轨、滑接在第二导轨上的移动底座和驱动移动底座沿第二导轨沿竖向移动的第二驱动装置，移动底座上安装有位于固定输送机上方的网兜装置和驱动网兜装置出料端启闭的第三驱动装置。本优化方案利用网兜装置承接机械臂卸下的番茄，减小了对番茄表面的冲击力，通过第二驱动装置驱动移动底座上下移动，从而实现了网兜装置的上下移动，实现了网兜装置从靠近机械臂卸料位置到靠近固定输送机位置之间的移动，减小了番茄滚动掉落高度差，更好地避免了番茄受损。

作为优化，网兜装置包括与移动底座固接的支撑架，以及分别通过横向铰轴与支撑架铰接的第一外框和第二外框，第一外框和第二外框相对设置，第一外框和第二外框的内孔均安装有承接网；第三驱动装置包括安装在移动底座上的第三电动机、固装在第三电动机输出轴的控制齿轮，以及与所述控制齿轮啮合的上齿条和下齿条，上齿条和下齿条均与移动底座滑接，上齿条的一端与第一外框铰接，下齿条的一端与第二外框铰接，且上齿条和下齿条位于横向铰轴的同侧。本优化方案利用承接网的柔性，大大降低了对番茄表面的冲击力，通过控制齿轮同时与上齿条、下齿条啮合，当控制齿轮转动时，带动上齿条和下齿条沿相反方向移动，从而带动第一外框和第二外框沿相反的方向转动，实现控制网兜装置进料端和出料端的打开或闭合。

作为优化，收集装置包括设置在运输车上的托盘、叉架和驱动托盘移动至叉架一侧的第四驱动装置，托盘上放置有与传送装置输出端对应的收集筐，叉架上设有与收集筐对应的货叉和驱动货叉沿竖向移动的第五驱动装置。本优化方案的收集装置通过收集筐存放由传动装置传送来的番茄，当收集筐中的番茄达到一定量时，通过托盘的移动带动收集筐朝向货叉移动，通过第五驱动装置带动货叉上移将收集筐挑起，然后通过叉架的动作将收集筐移至存放位置，进一步减轻了劳动强度，提高了作业效率。

本方案还提供一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人的使用方法，包括如下方面：

（1）整体工作过程：

a、基于人工势场在作物行间规划路径，采摘车首先进入作物行间并调整好姿态，随后运输车进入，在运输车上的光电传感器与单片机的作用下实时标定、调整与采摘车之间的方位；

b、采用强化学习算法实现路径跟踪及优化并控制机械臂完成采摘动作，待采摘装置将番茄摘下来之后，在机械臂的带动下，锥形外壳到达第二导轨的前侧某一位置，该位置为实现采摘及后续动作过程耗时最短的位置；传统的采摘方式为接果位置是固定的，这种传统方式表现为机械臂不管在什么位置采摘果实都必须返回到原来的接果位置，不能保证每次返回路径都是最优的、所耗时间是最短的，与传统采摘模式相比，本实用新型的作业模式配合最优路径算法，路径优、耗时短，实现了高效率采摘作业；

c、采摘装置把番茄吐出至网兜装置上，随后网兜装置下移至固定输送机的上方近距离处将番茄缓慢放下，经过传送装置将番茄传送至收集筐；

d、当收集筐下方的压力传感器输出的信号达到一定值时，采摘车停止工作，运输车脱离采摘车并将货物运输至集中收集点，与此同时单片机控制托盘移动，把收集筐移动到货叉的工作区域，随后叉架带动货叉将收集筐叉起并放置于指定的码垛位置，随后，货叉叉起另一个空的收集筐随运输车空载返回至采摘车，此过程往复循环；

（2）吸附式无损采摘过程：

a、采摘装置通过视觉系统获取视野中的番茄数量和每个番茄的位置信息、成熟度信息，然后将这些信息反馈至单片机；

b、在单片机控制作用下使机械臂快速移动到第一个番茄的采摘点，锥形外壳在机械臂的带动下将番茄包络在内，利用真空吸盘吸附住番茄表面，随后在机械臂末关节马达带动作用下发生扭转，将果梗扭断；

c、机械臂带动被采摘下的番茄以最短时间运动至第二导轨一侧，此时移动底座上的光电传感器检测到距离信息并反馈至单片机，单片机发出指令让移动底座带动着网兜装置向上运动至靠近锥形外壳下方，然后单片机发出指令让机械臂的末关节电机旋转，使锥形外壳倾斜，使番茄落到网兜装置上；第二个番茄按照上述同样的程序采摘，直到所有的番茄都收获完为止；

（3）番茄的收集过程：

a、番茄经过固定输送机与摆动输送机的结合处时，利用防卡辊刷的转动使番茄顺利通过结合处；

b、当番茄到达摆动输送机的输出端时，与摆动传送带转向相反的减损辊刷提供阻力作用，使番茄速度降低后进入收集筐；

c、为了使番茄在收集筐内不扎堆，随着番茄的进入，托盘左右平移，使番茄平铺成一层，收集筐下方的压力传感器检测到一层的重量数值并将该数值信号传给单片机，若该数值落入程序设定的只有一层番茄的重量区间，单片机发出指令让摆动驱动装置动作，驱动摆动输送机的输出端向上摆动，实现番茄被逐层收集。

本实用新型的有益效果为：

1、实现对番茄的采摘、运输与装卸的全程自动化，通过中间传送装置的合理配置使采摘车与运输车配合，在无需人工干预的情况下，实现了番茄采摘、运输与装卸的全程自动化，大大解放了劳动力，提高了劳动效率；

2、实现高效率作业，机械臂在最优路径算法的控制下运动到第二导轨前侧某一位置，滑动底座搭载着网兜装置，随时根据机械臂的位置来沿轨道方向调整自己的位置，从而靠近锥形外壳下方，待锥形外壳将番茄吐出时，网兜装置可顺利接住果实，然后随可滑动底座移动至固定传送带上方近距离处，将番茄缓慢放下；

3、实现减损，甚至无损采摘作业，吸附式无损采摘装置的锥形保护外壳一次只将一个番茄套住，这种模式的效果为真空吸盘开始扭转时不会碰伤到附近的果实，同时网兜装置采用柔性绳织网，可大大降低对番茄表面的冲击力，网兜装置以其独特的机械结构使卸载时实现了逐渐将番茄放至固定传送带上的效果，也减少了对果实的冲击，摆动传送带上的减损辊刷将番茄脱离传送带进入收集筐时的速度降到最低，以减少收集筐对番茄的冲击，整个过程表现为损伤小甚至无损。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型无损采摘装置结构示意图；

图3为本实用新型滑动底座结构示意图；

图4为本实用新型网兜结构示意图；

图5为本实用新型摆动输送机结构示意图；

图6为本实用新型托盘结构示意图；

图7为本实用新型控制流程示意图；

图中所示：

1、吸附式无损采摘机构，3、太阳能电池，4、网兜装置，5、固定输送机，6、支撑台，7、摆动输送机，8、滑轮，9、货叉，10、叉架，11、齿条轨道，12、收集筐，13、托盘，15、机械臂，21、滑动底座，22、移动底座，41、支撑架，42、第三驱动装置，43、第三电动机，71、第一电动机，72、防卡辊刷，73、主动滚筒，74、v型传动带，75、液压缸，76、滑槽，77、减损辊刷，78、第二电动机，100、采摘车，101、视觉传感器，102、外壳，103、真空吸盘，131、运输电机，132、行走齿轮，141、第一导轨，142、第二导轨，200、运输车，211、滚轮，212、齿形带，213、同步带轮，214、电机。

具体实施方式

为了令本实用新型的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合附图中涉及的具体实施方式对本实用新型的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在未进行创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，如只改变用途而不改变权利要求涉及基本原理的实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示一种全自动番茄自动采摘运输一体化机器人，包括stm32单片机、传感器组、电池、气动系统、采摘车100和运输车200，所述运输车上设有收集装置，采摘车上设有无损采摘装置和输出端伸至收集装置的传送装置。采摘车100与运输车200通过传送装置配合实现番茄收获作业，采摘车部分采用太阳能电池3提供电能，运输车部分采用普通电池提供电能，运输车和采摘车均自带行进驱动装置。

无损采摘装置包括第一导轨141、滑动底座21、机械臂15和安装在机械臂末节的柔性真空吸盘103，所述真空吸盘通过柔性软管连接设置在采摘车上的真空发生器，机械臂采用现有技术的6dof机械臂，真空发生器同样采用现有技术实现。第一导轨141固设在采摘车上，滑动底座21滑接在第一导轨上，第一驱动装置驱动滑动底座沿第一导轨竖向移动，机械臂首节与滑动底座固接，机械臂末节上固接有外壳，真空吸盘位于外壳内，真空吸盘和外壳形成吸附式无损采摘机构1，机械臂带动吸附式无损采摘机构移动实现采摘。如图2所示，外壳为锥形，且远离机械臂的一端为小径端，锥形外壳的小径端通径只允许一个番茄通过，锥形外壳102上方安装有视觉传感器101。如图3所示，滑动底座21上安装有位于第一导轨相对侧面且与第一导轨表面滚动连接的滚轮211，第一驱动装置包括齿形带212、电机214和沿竖向分布的两同步带轮213，同步带轮上设有与齿形带啮合的轮齿，电机214的输出轴与位于下方的同步带轮固接，滑动底座21与齿形带212固接，电动机214的动力输出轴带动同步带轮213转动，齿形带与同步带轮213啮合。

传送装置包括安装在采摘车上的固定输送机5和安装在运输车上的摆动输送机7，固定输送机5一端固连在采摘车上，另一端与摆动输送机活动结合，摆动输送机远离固定输送机的一端在收集筐12附近上下摆动，固定输送机的输出端延伸至摆动输送机的输入端，摆动输送机的输出端伸至收集装置，摆动输送机的机架通过横轴铰接在运输车上，运输车上安装有驱动摆动输送机绕横轴转动的摆动驱动装置。

摆动输送机7包括机架、转动安装在机架上的主动滚筒73和从动滚筒，以及连接主动滚筒和从动滚筒的摆动传送带，主动滚筒连接第一电动机71，第一电动机驱动主动滚筒转动，从而带动摆动传送带转动，实现对番茄的输送。摆动输送机的机架上转动连接有位于固定输送机输出端与摆动输送机输入端之间的防卡辊刷72，所述防卡辊刷与主动滚筒73的转轴通过v型传动带74传动连接，使防卡辊刷的转动方向与摆动传送带转向相同。

摆动输送机的机架上还转动连接有位于摆动输送机输出端上方的减损辊刷77，所述减损辊刷连接第二电动机78，第二电动机78带动减损辊刷转动，减损辊刷与从动滚筒的转向相反。本实施例的摆动驱动装置包括分别位于摆动输送机两侧的液压缸75和穿设在摆动输送机上的支杆，支杆与横轴平行，摆动输送机的机架上设有穿设所述支杆且沿输送方向延伸的滑槽76，支杆的两端分别与两液压缸的活塞铰接，液压缸的缸体铰接在运输车上。为了方便安装，在运输车上靠近采摘车的一端顶部固设有支撑台6，液压缸的缸体与支撑台6铰接。

传送装置还包括固设在采摘车上的第二导轨142、滑接在第二导轨上的移动底座22和驱动移动底座沿第二导轨沿竖向移动的第二驱动装置，移动底座上安装有位于固定输送机上方的网兜装置4和驱动网兜装置出料端启闭的第三驱动装置42，第二驱动装置带动移动底座上下移动，从而带动网兜装置沿第二导轨方向上下移动。

网兜装置包括与移动底座22固接的支撑架41，以及分别通过横向铰轴与支撑架铰接的第一外框和第二外框，第一外框和第二外框相对设置，第一外框和第二外框的内孔均安装有承接网，承接网为柔性绳织网。

第三驱动装置42为双滑块机构，双滑块机构带动网兜装置4完成闭合动作，第三电动机43通过其动力输出轴上的控制齿轮与双滑块机构上的齿条啮合为其提供驱动力。具体地，第三驱动装置包括安装在移动底座上的第三电动机43、固装在第三电动机输出轴的控制齿轮，以及与所述控制齿轮啮合的上齿条和下齿条，上齿条和下齿条均与移动底座滑接，移动底座上开设有分别与上齿条、下齿条适配的滑槽，上齿条的一端与第一外框铰接，下齿条的一端与第二外框铰接，且上齿条和下齿条位于横向铰轴的同侧。第一外框和第二外框的侧面分别固接有位于横向铰轴同侧的端轴，端轴与横向铰轴平行，上齿条和下齿条的端部均固接有立板，立板上开设有供端轴滑动的长孔。

收集装置包括设置在运输车上的托盘13、叉架10和驱动托盘移动至叉架一侧的第四驱动装置，托盘上放置有与传送装置输出端对应的收集筐12，叉架上设有与收集筐对应的货叉和驱动货叉沿竖向移动的第五驱动装置。叉架10可转动，且叉架连接驱动其绕竖向轴线转动的旋转驱动电机。第四驱动装置包括固装在运输车上的齿条轨道11和位于齿条两侧的滑轮8，滑轮8以齿条轨道11为对称轴并平行排列，滑轮与运输车转动连接，托盘上安装有运输电机131，运输电机的输出轴上固装有与齿条轨道啮合的行走齿轮，托盘13放置于运输车上的滑轮8上，运输电机131动力输出轴带动行走齿轮132转动，利用行走齿轮132与齿条轨道11的啮合驱动托盘13运动，当托盘运动至货叉9工作区域时，货叉9在叉架10带动下可实现升降、旋转动作，从而实现货物卸载、码垛的功能。

传感器组包括光电传感器、视觉传感器、压力传感器，光电传感器在移动底座22、运输车上均有分布，移动底座22上的光电传感器用于监测与吸附式无损采摘装置的距离，运输车上的光电传感器用于实时标定、校准与采摘车的方位，实现固定输送机与摆动输送机的配合；视觉传感器101位于锥形外壳102的上方，用于监测番茄的数量、位置信息与成熟度，实现采摘；压力传感器位于可移动的托盘13上表面、收集筐12下表面的下方，监测收集筐内番茄的重量，当重量达到一定要求时便进行卸载，各传感器均与stm32单片机相连。

气动系统包括空气压缩机、真空发生器、气动软管，空气压缩机位于采摘车的底盘与载物面中间的空腔内，真空发生器通过气动软管分别与空气压缩机和柔性真空吸盘相连。

本实施例全自动番茄自动采摘运输一体化机器人的使用方法，包括如下方面：

1、整体工作过程：

a、基于人工势场在作物行间规划路径，采摘车首先进入作物行间并调整好姿态，随后运输车进入，在运输车上的光电传感器与stm32单片机的作用下实时标定、调整与采摘车之间的方位，以实现固定输送机与摆动输送机的配合，实现中间传送；

b、采用强化学习算法实现路径跟踪及优化并控制机械臂完成采摘动作，待采摘装置将番茄摘下来之后，在机械臂的带动下，锥形外壳到达第二导轨的前侧某一位置，该位置为实现采摘及后续动作过程耗时最短的位置；

c、吸附式无损采摘装置把番茄吐出至网兜装置上，随后网兜装置在滑动底座的带动下移动至固定输送机的上方近距离处将番茄缓慢放下，经过传送装置将番茄传送至收集筐；

d、当收集筐下方的压力传感器输出的信号达到一定值时，采摘车停止工作，运输车脱离采摘车并将货物运输至集中收集点，与此同时stm32单片机控制托盘移动，把收集筐移动到货叉的工作区域，随后叉架带动货叉将收集筐叉起并放置于指定的码垛位置，随后，货叉叉起另一个空的收集筐随运输车空载返回至采摘车，此过程往复循环。

2、吸附式无损采摘过程：分为两个阶段，第一阶段是计划采摘的顺序，在扎堆儿的番茄处按照从边缘向内层逐层的顺序采摘，第二阶段是计划每一个番茄被采摘后运动至第二导轨时的最优路径，就具体工作过程来讲：

a、采摘装置通过视觉系统获取视野中的番茄数量和每个番茄的位置信息、成熟度信息，然后将这些信息反馈至stm32单片机，便于进行接下来的动作；

b、对采摘顺序进行规划，在stm32单片机控制作用下使机械臂快速移动到第一个番茄的采摘点，锥形外壳在机械臂的带动下将番茄包络在内，此时空气压缩机的气泵供气，真空发生器工作，形成负压，利用真空吸盘吸附住番茄表面，随后在机械臂末关节马达带动作用下发生扭转，将果梗扭断，然后停止吸附，锥形外壳可防止番茄滚出；

c、机械臂带动吸附式无损采摘机构和被采摘下的番茄以最短时间运动至第二导轨前侧某一位置，此时移动底座上的光电传感器检测到距离信息并反馈至stm32单片机，stm32单片机发出指令让移动底座带动着网兜装置向上运动至靠近锥形外壳下方，然后stm32单片机发出指令让机械臂的末关节电机旋转，使锥形外壳倾斜，然后将番茄吐出，使番茄落到网兜装置上；第二个番茄按照上述同样的程序采摘，直到所有的番茄都收获完为止；

d、机械臂回到初始姿势，stm32单片机控制移动平台向前移动，然后开始下一批的采摘。

3、番茄的收集过程：

a、番茄经过固定输送机与摆动输送机的结合处时，容易卡住番茄，利用防卡辊刷的转动使番茄顺利通过结合处，防卡辊刷的转动方向与固定输送机的传送带转动方向一致；

b、当番茄到达摆动输送机的输出端时，与摆动传送带转向相反的减损辊刷提供阻力作用，使番茄速度降低后进入收集筐，减损辊刷上的刷子为柔性材质，不会对番茄表皮造成损害；

c、为了使番茄在收集筐内不扎堆，随着番茄的进入，托盘左右平移，使番茄平铺成一层，收集筐下方的压力传感器检测到一层的重量数值并将该数值信号传给stm32单片机，若该数值落入程序设定的只有一层番茄的重量区间，stm32单片机发出指令让摆动驱动装置动作，即液压缸顶升，驱动摆动输送机的输出端向上摆动，初始时液压缸为未伸缩状态，摆动输送机的减损辊刷一端刚好到达收集筐的框底直角处附近，摆动输送机的摆动角θ与压力传感器数值x成一定的函数关系变化，实现番茄被逐层收集，避免受到机械外力挤压作用。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本实用新型的技术方案并非是对本实用新型的限制，参照优选的实施方式对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本实用新型的宗旨，也应属于本实用新型的权利要求保护范围。

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