本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)器人與果蔬采收裝備，更具體地說(shuō)，是涉及一種適用于溫室的番茄智能采摘機(jī)器人及其采摘方法。

背景技術(shù)：

1、西紅柿是我國(guó)最重要的溫室作物之一，在我國(guó)北方地區(qū)被廣泛種植。在番茄的生產(chǎn)過(guò)程中，采摘作業(yè)是最耗時(shí)、最費(fèi)力、最具有時(shí)效性要求的環(huán)節(jié)，采摘收獲的作業(yè)量約占總勞動(dòng)量的40%，隨著勞動(dòng)力成本的日益升高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本不斷增加，迫切需要實(shí)現(xiàn)采摘過(guò)程的自動(dòng)化程度，對(duì)于我國(guó)果蔬的單位面積產(chǎn)出以及生產(chǎn)果蔬的經(jīng)濟(jì)收益都能獲得巨大的提升。隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟和成本的降低，機(jī)器人農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，目前的番茄采摘機(jī)器人對(duì)番茄采摘后，需要將番茄逐個(gè)放入采摘框，然而每采摘一個(gè)番茄，都需要有放入采摘框的過(guò)程，放置番茄耗費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)超過(guò)采摘番茄的時(shí)間，影響番茄采摘效率。因此，針對(duì)番茄采摘機(jī)器人連續(xù)性采摘機(jī)構(gòu)的研發(fā)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于溫室的番茄智能采摘機(jī)器人及其采摘方法，機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，便于更換維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)番茄采摘過(guò)程中的連續(xù)性采摘，提高了采摘效率。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種適用于溫室的番茄智能采摘機(jī)器人，包括柔性采摘機(jī)械臂、升降機(jī)構(gòu)、輸果軟管、傳送帶、深度相機(jī)、暫存箱、路軌兩用底盤及數(shù)顯控制面板；

3、柔性采摘機(jī)械臂包括第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、柔性伸縮關(guān)節(jié)及末端采摘裝置，第一關(guān)節(jié)的一端與第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸連接，第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定連接在升降機(jī)構(gòu)上面，第一關(guān)節(jié)的另一端與第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定連接，第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸與第二關(guān)節(jié)的一端連接，第二關(guān)節(jié)的另一端與柔性伸縮關(guān)節(jié)的一端固定連接，柔性伸縮關(guān)節(jié)的另一端與末端采摘裝置連接；升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)和第一關(guān)節(jié)上下升降，從而帶動(dòng)第二關(guān)節(jié)、第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)和末端采摘裝置同時(shí)上下升降；第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)柔性采摘機(jī)械臂的伸出和回收，同時(shí)調(diào)整末端采摘裝置的位置；第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)調(diào)整柔性伸縮關(guān)節(jié)的朝向角度；柔性伸縮關(guān)節(jié)調(diào)整末端采摘裝置的伸縮位移量，末端采摘裝置采摘果實(shí)；

4、升降機(jī)構(gòu)固定連接在路軌兩用底盤的上面，用于調(diào)整整個(gè)柔性采摘機(jī)械臂的高度；

5、輸果軟管將末端采摘裝置采摘下的果實(shí)輸送至傳送帶上；

6、傳送帶連接在升降機(jī)構(gòu)上，與柔性采摘機(jī)械臂一起升降，將末端采摘裝置采摘下的果實(shí)輸送至?xí)捍嫦鋬?nèi)；

7、暫存箱固定連接在路軌兩用底盤的上面，存放輸送帶輸送過(guò)來(lái)的果實(shí)；

8、深度相機(jī)固定連接在升降機(jī)構(gòu)的頂部，識(shí)別果實(shí)成熟度及果實(shí)位置；

9、數(shù)顯控制面板的輸出端和輸入端分別電連接至各功能組件驅(qū)動(dòng)件及傳感器，用于控制驅(qū)動(dòng)件和傳輸信號(hào)；

10、路軌兩用底盤的四個(gè)角分別設(shè)有一個(gè)真空輪和一個(gè)軌道輪，軌道輪在軌道上做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

11、優(yōu)選地，柔性伸縮關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)支座、上側(cè)導(dǎo)軌、上側(cè)滑塊、上側(cè)彈簧鋼板連接座、上側(cè)彈簧鋼板、第一齒條、第一電機(jī)齒輪、第一力矩伺服電機(jī)、第二力矩伺服電機(jī)、第二齒條、第二電機(jī)齒輪、下側(cè)滑塊、下側(cè)導(dǎo)軌、下側(cè)彈簧鋼板連接座、下側(cè)彈簧鋼板、波紋管、端尾節(jié)片、端頭節(jié)片、端頭滾輪、波紋板簧、果實(shí)導(dǎo)管；

12、在關(guān)節(jié)支座的左右兩側(cè)分別固定連接一個(gè)下側(cè)導(dǎo)軌，在關(guān)節(jié)支座的頂部固定連接上側(cè)導(dǎo)軌，每個(gè)下側(cè)導(dǎo)軌滑動(dòng)連接一個(gè)下側(cè)滑塊，上側(cè)導(dǎo)軌滑動(dòng)連接上側(cè)滑塊，兩個(gè)下側(cè)滑塊均固定連接下側(cè)彈簧鋼板連接座，在下側(cè)彈簧鋼板連接座的頂部固定連接上側(cè)彈簧鋼板連接座，上側(cè)彈簧鋼板連接座固定連接上側(cè)滑塊，關(guān)節(jié)支座的兩側(cè)還分別固定連接第一齒條、第二齒條，第一齒條嚙合連接第一電機(jī)齒輪，第一電機(jī)齒輪連接第一力矩伺服電機(jī)，第二齒條嚙合連接第二電機(jī)齒輪，第二電機(jī)齒輪連接第二力矩伺服電機(jī)；上側(cè)導(dǎo)軌、下側(cè)導(dǎo)軌、第一齒條、第二齒條相互平行；

13、平行上側(cè)導(dǎo)軌設(shè)有果實(shí)導(dǎo)管，果實(shí)導(dǎo)管的一端固定連接輸果軟管，另一端與波紋管聯(lián)通；波紋管的一端固定連接端頭節(jié)片，端頭節(jié)片固定連接關(guān)節(jié)支座，波紋管的另一端固定連接端尾節(jié)片，在端頭節(jié)片的下部?jī)蓚?cè)和頂部均設(shè)有一對(duì)端頭滾輪，端頭節(jié)片下部的兩對(duì)端頭滾輪之間均設(shè)有一個(gè)下側(cè)彈簧鋼板，上部的一對(duì)端頭滾輪之間設(shè)有一個(gè)上側(cè)彈簧鋼板；下側(cè)彈簧鋼板的一端與下側(cè)彈簧鋼板連接座固定連接，另一端與端尾節(jié)片固定連接；上側(cè)彈簧鋼板的一端與上側(cè)彈簧鋼板連接座固定連接，另一端與端尾節(jié)片固定連接；末端采摘裝置固定連接端尾節(jié)片；

14、第一力矩伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)齒輪沿第一齒條滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，第二力矩伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)第二電機(jī)齒輪沿第二齒條滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)下側(cè)彈簧鋼板連接座和上側(cè)彈簧鋼板連接座分別沿下側(cè)導(dǎo)軌和上側(cè)導(dǎo)軌滑動(dòng)移動(dòng)，下側(cè)彈簧鋼板連接座帶動(dòng)兩個(gè)下側(cè)彈簧鋼板前后移動(dòng)，上側(cè)彈簧鋼板連接座帶動(dòng)上側(cè)彈簧鋼板前后移動(dòng)，下側(cè)彈簧鋼板與上側(cè)彈簧鋼板帶動(dòng)端尾節(jié)片前后移動(dòng)，端尾節(jié)片帶動(dòng)末端采摘裝置前后移動(dòng)，波紋管做伸縮運(yùn)動(dòng)。

15、優(yōu)選地，在波紋管的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)波紋彈簧，波紋彈簧的一端固定連接端尾節(jié)片，另一端固定連接端頭節(jié)片。

16、優(yōu)選地，所述末端采摘裝置包括采摘爪底座、彈簧、采摘手指、末端爪；采摘爪底座與柔性伸縮關(guān)節(jié)固定連接，采摘手指有若干個(gè)，呈圓周陣列設(shè)置，豎立固定連接在采摘爪底座上面；在采摘手指的頂部通過(guò)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接定向轉(zhuǎn)動(dòng)件的底部，定向轉(zhuǎn)動(dòng)件的底部卡在采摘手指的頂端，只做逆時(shí)針90°轉(zhuǎn)動(dòng)，定向轉(zhuǎn)動(dòng)件的頂部固定連接末端爪的根部，末端爪垂直采摘手指設(shè)置，末端爪的爪尖朝向采摘爪底座的中心設(shè)置，彈簧的一端纏繞在采摘手指的頂部，另一端纏繞在末端爪的根部，彈簧使末端爪維持垂直采摘手指狀態(tài)。

17、優(yōu)選地，所述暫存箱包括鋁型材框架和若干個(gè)暫存筐，鋁型材框架豎立設(shè)置在路軌兩用底盤的上面，若干個(gè)暫存筐自上而下依次連接在鋁型材框架上。

18、優(yōu)選地，輸果軟管的末端安裝有紅外傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)到果實(shí)掉落后，控制傳送帶進(jìn)給一段距離，使果實(shí)單獨(dú)放置。

19、優(yōu)選地，傳送帶的兩側(cè)均設(shè)有擋板。

20、一種利用番茄智能采摘機(jī)器人對(duì)溫室番茄進(jìn)行采摘的方法，包括以下步驟：

21、s1、番茄智能采摘機(jī)器人周期性進(jìn)行巡檢，利用深度相機(jī)對(duì)溫室內(nèi)番茄植株進(jìn)行三維表征重構(gòu)，結(jié)合多源異構(gòu)信息感知融合技術(shù)與大模型技術(shù)，通過(guò)生長(zhǎng)-環(huán)控預(yù)測(cè)大模型實(shí)時(shí)解析環(huán)境-作物互作關(guān)系，預(yù)測(cè)果實(shí)成熟期及成熟位置，將可采摘果實(shí)位置坐標(biāo)傳輸給番茄智能采摘機(jī)器人；

22、s2、路軌兩用底盤通過(guò)slam導(dǎo)航系統(tǒng)識(shí)別溫室內(nèi)環(huán)境并完成建模，在slam導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下與軌道對(duì)接，完成番茄智能采摘機(jī)器人的上軌；

23、s3、番茄智能采摘機(jī)器人在位置坐標(biāo)的引導(dǎo)下沿軌道到達(dá)可采摘番茄位置；

24、s4、升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)柔性采摘機(jī)械臂、傳送帶、輸果軟管提升至合適高度；

25、s5、啟動(dòng)第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)和第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)，從而調(diào)節(jié)柔性伸縮關(guān)節(jié)的位置和朝向；

26、s6、啟動(dòng)第一力矩伺服電機(jī)和第二力矩伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)彈簧鋼板伸出，使末端采摘裝置靠近并套住成熟果實(shí)；

27、s7、第一力矩伺服電機(jī)和第二力矩伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)彈簧鋼板縮回，使末端采摘裝置摘下套住的成熟果實(shí)，被摘下的果實(shí)直接掉落在波紋管中，并沿波紋管進(jìn)入果實(shí)導(dǎo)管，再?gòu)墓麑?shí)導(dǎo)管進(jìn)入輸果軟管，經(jīng)輸果軟管落在傳送帶上；

28、s8、傳送帶接住果實(shí)后，步進(jìn)一段距離，等待下一個(gè)果實(shí)的落下；當(dāng)傳送帶上面暫存的果實(shí)足夠多時(shí)，傳送帶將上面的果實(shí)運(yùn)送至?xí)捍嫦鋬?nèi)；

29、s9、重復(fù)步驟s3-s8；

30、s10、當(dāng)其中一層的暫存箱內(nèi)盛滿采摘下的果實(shí)后，啟動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，使傳送帶對(duì)準(zhǔn)另一層暫存箱，然后重復(fù)步驟s3-s8；

31、s11、當(dāng)所有的暫存箱均盛滿果實(shí)，更換暫存箱，重復(fù)步驟s3-s8，直至成熟果實(shí)采摘完畢。

32、采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

33、1、本發(fā)明通過(guò)分模塊式設(shè)計(jì)與一體化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化精準(zhǔn)番茄采摘的升級(jí)。作業(yè)時(shí)，路軌兩用底盤實(shí)現(xiàn)路基和軌道的切換，完成上軌動(dòng)作，上軌后深度相機(jī)識(shí)別番茄成熟度及三維坐標(biāo)，通過(guò)上位機(jī)做運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算控制柔性采摘機(jī)械臂及各功能組件共同作業(yè)采摘番茄，采摘后的番茄通過(guò)輸果軟管進(jìn)入傳送帶暫存，當(dāng)儲(chǔ)存番茄達(dá)到上限時(shí)，通過(guò)升降機(jī)構(gòu)將傳送帶升至空置暫存框位置高度，將番茄送入儲(chǔ)存，完成采摘作業(yè)。通過(guò)柔性采摘機(jī)械臂、升降機(jī)構(gòu)、輸果軟管、傳送帶、深度相機(jī)、暫存箱及路軌兩用底盤等功能組件之間聯(lián)動(dòng)控制、相互配合，可實(shí)現(xiàn)上軌，采摘，暫存及儲(chǔ)存采摘全流程自動(dòng)化作業(yè)，兩側(cè)機(jī)械臂可雙向同時(shí)采摘多株番茄，互不干涉，并且柔性采摘機(jī)械臂只需要完成采摘?jiǎng)幼?，不需做卸果?dòng)作，極大地提高了采摘效率。相較于傳統(tǒng)人工采摘番茄，本發(fā)明可降低人力成本，各模塊通過(guò)機(jī)械限位與時(shí)序控制精準(zhǔn)協(xié)同，且機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、動(dòng)作協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了溫室復(fù)雜環(huán)境下的番茄選擇性采摘。

34、2、本發(fā)明采用柔性采摘機(jī)械臂采摘+輸送軟管卸果+傳送帶暫存+暫存箱儲(chǔ)存的一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了番茄采摘過(guò)程中的連續(xù)性采摘，柔性采摘機(jī)械臂只負(fù)責(zé)采摘，不用放置，提高了采摘效率。

35、3、傳送帶和柔性采摘機(jī)械臂均安裝在升降機(jī)構(gòu)上面，使傳送帶和柔性采摘機(jī)械臂高度差保持不變且一同升降，避免了在番茄采摘過(guò)程中因番茄下落高度過(guò)高導(dǎo)致的摔傷損壞。

36、4、系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)布局緊湊，各子系統(tǒng)協(xié)同工作無(wú)干涉，且便于更換維護(hù)。

37、5、柔性采摘機(jī)械臂具備完整采摘功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，引導(dǎo)彈簧鋼板帶動(dòng)末端采集裝置伸出的采摘方案，具備良好的創(chuàng)新性與實(shí)用性。