一种水平棚架果实的仿形收获机器人系统及其作业方法

本发明涉及智能农业装备和机器人领域，特别涉及一种水平棚架果实的仿形收获机器人系统及其作业方法。

背景技术：

1、目前适用于葡萄、百香果、猕猴桃等高价值作物的水平棚架种植模式在国内外迅速普及，但是面向水平棚架的采摘机器人受限于较低的采收效率难以推广应用，提高水平棚架采摘机器人的采收效率需求紧迫。惯有的采摘机器人方案极度依赖高精度的视觉-机械定位果梗采摘点，机器视觉算法需要从枝叶茂密、干扰繁多的水平棚架冠层处精准识别果实纤细的果梗，同时要求末端对果梗精准定位和果实的转运放箱、返回，以上诸点决定惯有视觉检测方案耗时长、采收成功率低。视觉仰拍在农业移栽、一致性收获等领域应用较多，但是在水平棚架栽培模式下，存在棚面起伏、藤蔓障碍和挂果高度不一等情况，单靠视觉仰拍无法实现对水平棚架果实的手眼快速精准定位。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种水平棚架果实的仿形收获机器人系统及其作业方法，实现采收机器人面向水平棚架种植果实低视觉依赖的快速无损采收。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种水平棚架果实的仿形收获机器人系统，包括浮动接果模块、切割式采摘模块、仰拍相机伸缩调控模块和底盘自走模块，所述浮动接果模块和切割式采摘模块依次沿底盘自走模块的纵向中心线固定安装于底盘自走模块的前端、中段，并均位于底盘自走模块的上方；所述仰拍相机伸缩调控模块沿底盘自走模块的纵向中心线固定安装于底盘自走模块的前端下方；

4、所述浮动接果模块包括果箱、升降平台和果箱快换定位机构，所述果箱通过果箱快换定位机构可拆卸安装在升降平台上部，所述升降平台安装在底盘自走模块上；

5、所述切割式采摘模块包括机械臂和圆盘刀末端执行器，所述圆盘刀末端执行器固定在机械臂的末端腕部，其工作姿态水平且动作方向相对底盘自走模块的纵向中心线平行，所述机械臂底部的基座安装在基座平台上方，所述基座平台安装在底盘自走模块上；

6、所述仰拍相机伸缩调控模块包括仰拍深度相机和浮动式相机支架，所述浮动式相机支架包括相机固定连杆、电动推杆和u型基座，所述电动推杆的底座通过u型基座固定在底盘自走模块的前端，所述相机固定连杆和电动推杆的伸缩轴末端固定连接，所述仰拍深度相机水平固定在相机固定连杆的顶部，且仰拍深度相机的拍摄方向沿底盘自走模块的纵向中心线竖直向上。

7、上述技术方案中，所述圆盘刀末端执行器包括圆盘刀、驱动电机、连杆、弧形顶板、弹性连杆和薄膜压力传感器，所述弹性连杆竖直方向伸缩、不可弯曲，其上方固定安装弧形顶板，所述弧形顶板与水平棚架的网面接触，所述弹性连杆底部固定安装薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器安装在连杆中段，所述连杆一端固定在机械臂的末端腕部，且该端部安装驱动电机，连杆另一端通过轴转动安装有圆盘刀，该轴与驱动电机的输出轴通过齿轮带进行传动。

8、上述技术方案中，所述果箱快换定位机构包括固定卡扣、水平转轴、摆动电机和活动卡扣，所述固定卡扣固定在升降平台一侧，用于卡住果箱一侧边缘的凹槽，所述摆动电机安装在升降平台上，且摆动电机输出轴与水平转轴连接，活动卡扣和水平转轴固定连接。

9、上述技术方案中，所述底盘自走模块、机械臂、升降平台、摆动电机、驱动电机和电动推杆的动作均由主控制器控制，所述主控制器单向接收仰拍深度相机和薄膜压力传感器的信号。

10、一种水平棚架果实的仿形收获机器人系统的作业方法：

11、所述底盘自走模块纵向对齐果树行线准备行走采收，所述升降平台提升果箱箱底高度至h1，电动推杆向前伸长距离d1推动仰拍深度相机到达仰拍位置，机械臂抬高，使弧形顶板与水平棚架网面接触，直至弹性连杆的形变量为l1，此时圆盘刀距离水平棚架网面的初始高度值为h1，然后等待采摘动作指令；其中h1＝1500mm，d1＝500mm，l1＝15mm；

12、采收过程中，仰拍深度相机获取视觉-机构三维耦合工作区域所有目标果实质心的二维平面坐标，进行采摘任务规划，并根据各目标果实质心的高度值的平均值调节果箱的接果高度；

13、机械臂采摘运动过程中，根据水平棚架网面的高度变化浮动调节圆盘刀末端执行器的切割高度，使圆盘刀末端执行器与水平棚架网面之间的高度保持在h1，使薄膜压力传感器反馈给主控制器的挤压力fd满足0.75f1≤fd≤1.25f1；驱动电机工作，带动圆盘刀切割目标果实，实现水平棚架果实的快速切割；其中f1为形变量l1对应的挤压力；

14、至此，完成视觉-机构三维耦合工作区域所有果实的采收后，底盘自走模块沿果树行线向前直线行走距离d到达下个采收区域继续采收，如此往复循环，完成棚架果实的连续切接采收作业。

15、进一步地，所述视觉-机构三维耦合工作区域是机械臂工作空间、仰拍深度相机的视场空间以及果箱本体空间共同确定的公共三维区域所形成的最大内接长方体区域；机械臂的范围参数、仰拍深度相机的范围参数分别满足：

16、

17、其中：wb为机械臂的工作空间的作业宽度，wg为果箱箱体的横向宽度，db为机械臂作业深度范围，dbmax为机械臂的最大作业深度，dbmin为机械臂的最小作业深度，θv为仰拍深度相机竖直方向受果箱约束的视场角，θw为仰拍深度相机水平方向最大视场角，hs为仰拍深度相机和果箱上边缘的最大竖直距离，lc为仰拍深度相机和果箱竖直中心线之间的水平距离，hc为仰拍深度相机的离地安装高度，hwmin为水平棚架网面的最小离地高度，lb表示基座平台和升降平台沿底盘自走模块纵向中心线之间的水平距离，hb表示机械臂的作业高度范围。

18、进一步地，所述根据各目标果实质心的高度值的平均值调节果箱的接果高度，具体为：

19、hz＝zm-400

20、其中，zm是视觉-机构三维耦合工作区域所有目标果实质心的高度值的平均值，其单位是mm，hz是果箱箱底的离地高度，其单位是mm。

21、进一步地，若挤压力fd＞1.25f1，则认为圆盘刀末端执行器过于靠近水平棚架网面，主控制器控制机械臂降低作业高度，让薄膜压力传感器反馈的挤压力fd逼近挤压力f1，即0.75f1≤fd≤1.25f1。

22、进一步地，若挤压力fd＜0.75f1，则认为圆盘刀末端执行器过于远离水平棚架网面，主控制器控制机械臂升高作业高度，让薄膜压力传感器反馈的挤压力fd逼近挤压力f1，即0.75f1≤fd≤1.25f1。

23、本发明的有益效果为：

24、(1)本发明将视觉-机构三维耦合工作区域作为水平棚架果实的仿形收获机器人系统的作业幅宽、作业高度和作业深度范围，大幅改善了水平棚架冠层处枝叶遮挡、干扰等现象，能够快速计算视觉-机构三维耦合工作区域内有限果实的二维平面采摘点坐标，实现对目标果实的二维水平面快速对靶；

25、(2)本发明建立圆盘刀末端执行器和水平棚架网面之间的高度仿形策略，圆盘刀末端执行器上方的弧形顶板通过压电传感器可以精准感知圆盘刀和顶部水平棚架网面之间的竖直距离，控制机械臂仿形调节圆盘刀的切割高度紧贴水平棚架网面精准切割果梗，与视觉二维水平面快速对靶结合，实现水平棚架果实的圆盘刀连续切割收获，并大幅降低了机器人对视觉定位精度的依赖，结构与方法简单可靠，实用性强。