1.一种双臂水果采摘机器人,包括果实采摘机械装置和控制系统,其特征在于,
所述果实采摘机械装置包括左机械臂、右机械臂、左末端执行器(7)、右末端执行器(4)、移动平台(1)和果篮;左机械臂包括左大机械臂(5)和左小机械臂(6);右机械臂包括右大机械臂(2)和右小机械臂(3);左大机械臂(5)和右大机械臂(2)分别滑动设置在移动平台(1)的左右两侧,左小机械臂(6)连接左大机械臂(5)与左末端执行器(7),左小机械臂(6)和左大机械臂(5)驱动左末端执行器(7)采摘果实;右小机械臂(3)连接右大机械臂(2)与右末端执行器(4),右小机械臂(3)和右大机械臂(2)驱动右末端执行器(4)采摘果实;果篮设置在移动平台(1)上;
其中,所述左大机械臂(5)和右大机械臂(2)结构相同,均包括滑台(8)、旋转基座(9)、第一关节(10)、下臂(11)、第二关节(12)、中臂(13)、第三关节(14)和上臂(15);滑台(8)滑动设置在移动平台(1)上,旋转基座(9)设置在滑台(8)上,第一关节(10)的一端固定在旋转基座(9)上,另一端与下臂(11)相连;下臂(11)通过第二关节(12)与中臂(13)相连,中臂(13)通过第三关节(14)与上臂(15)相连;
所述左小机械臂(6)和右小机械臂(3)结构相同,均包括回转关节(18)、上下直动臂(16)、前后直动臂(20)、横杆(17)和前后直动臂法兰(21);上下直动臂(16)通过回转关节(18)与上臂(15)相连;前后直动臂(20)与上下直动臂(16)滑动相连;横杆(17)固定安装于上下直动臂(16)顶端;前后直动臂法兰(21)固定安装于前后直动臂(20)上;
所述左末端执行器(7)和右末端执行器(4)结构相同,均包括采摘杯部件(22)、果实回收管(23)和舌型缓冲片(24);采摘杯部件(22)同时与前后直动臂(20)和果实回收管(23)相连,果实回收管(23)伸入到果篮内;
所述采摘杯部件包括采摘杯法兰(29)、采摘杯(49)、连接平台(36)、推杆(37)、推杆架(30)、推杆主动齿轮(31)、推杆从动齿轮(32)、左剪切刀具(43)、右剪切刀具(44)、右剪切刀具主动齿轮(33)、右剪切刀具从动齿轮(34)、右剪切刀具轴(35)、左剪切刀具主动齿轮、左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具轴;所述连接平台(36)固定在采摘杯(49)上,连接平台(36)通过采摘杯法兰(29)与前后直动臂法兰(21)相连,所述推杆架(30)固定在连接平台(36)上;推杆(37)安装于推杆架(30)内,推杆从动齿轮(32)镶嵌固定安装于推杆(37)上面,推杆主动齿轮(31)与推杆从动齿轮(32)啮合;所述采摘杯(49)的杯口设有切槽(39),所述右剪切刀具轴(35)和左剪切刀具轴均安装在上述切槽(39)内;所述右剪切刀具从动齿轮(34)和右剪切刀具(44)均固定安装于右剪切刀具轴(35)上;所述右剪切刀具主动齿轮(33)与右剪切刀具从动齿轮(34)啮合;所述左剪切刀具从动齿轮和左剪切刀具(43)均固定安装于左剪切刀具轴上;所述左剪切刀具主动齿轮与左剪切刀具从动齿轮啮合;所述采摘杯(49)的侧壁上设有采摘杯切口(45),所述采摘杯切口(45)与推杆(37)相对应;
所述控制系统包括工控机(25)、导航系统、左双目摄像机(27)、右双目摄像机(19)、用于控制左大机械臂(5)和右大机械臂(2)动作的大机械臂控制系统、用于控制左小机械臂(6)和左末端执行器(7)动作的左末端执行器控制系统、用于控制右小机械臂(3)和右末端执行器(4)动作的右末端执行器控制系统、移动平台控制器、移动平台电机驱动器、移动平台伺服电机、移动平台伺服电机编码器、果篮控制器、果篮电机驱动器和果篮旋转伺服电机;所述左双目摄像机(27)和右双目摄像机(19)分别固定在横杆(17)上;左双目摄像机(27)和右双目摄像机(19)的输出端分别通过电缆与工控机(25)相连;移动平台控制器连接工控机(25),移动平台控制器的输出端连接移动平台电机驱动器的输入端,移动平台电机驱动器的输出端连接移动平台伺服电机的输入端,移动平台伺服电机编码器的输出端连接移动平台控制器的输入端;果篮控制器连接工控机(25),果篮控制器的输出端连接果篮电机驱动器的输入端,果篮电机驱动器的输出端连接果篮旋转伺服电机的输入端,果篮旋转伺服电机驱动果篮旋转。
2.如权利要求1所述的双臂水果采摘机器人,其特征在于,所述大机械臂控制系统,包括运动控制器、左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统;左大机械臂驱动系统和右大机械臂驱动系统的结构相同,均包括滑台电机驱动器、滑台伺服电机、滑台伺服电机编码器、旋转基座电机驱动器、旋转基座伺服电机、旋转基座伺服电机编码器、第一关节电机驱动器、第一关节伺服电机、第一关节伺服电机编码器、第二关节电机驱动器、第二关节伺服电机、第二关节伺服电机编码器、第三关节电机驱动器、第三关节伺服电机、第三关节伺服电机编码器;
滑台电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连,滑台电机驱动器的输出端与滑台伺服电机的输入端相连,滑台伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连,运动控制器与工控机(25)相连;
旋转基座电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连,旋转基座电机驱动器的输出端与旋转基座伺服电机的输入端相连,旋转基座伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连,运动控制器与工控机(25)相连;
第一关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连,第一关节电机驱动器的输出端与第一关节伺服电机的输入端相连,第一关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连,运动控制器与工控机(25)相连;
第二关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连,第二关节电机驱动器的输出端与第二关节伺服电机的输入端相连,第二关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连,运动控制器与工控机(25)相连;
第三关节电机驱动器的输入端与运动控制器的输出端相连,第三关节电机驱动器的输出端与第三关节伺服电机的输入端相连,第三关节伺服电机编码器的输出端与运动控制器的输入端相连,运动控制器与工控机(25)相连。
3.如权利要求1所述的双臂水果采摘机器人,其特征在于,所述左末端执行器控制系统和右末端执行器控制系统的结构相同,均包括末端执行器控制器、回转关节电机驱动器、回转关节伺服电机、回转关节伺服电机编码器、上下直动臂电机驱动器、上下直动臂伺服电机、上下直动臂伺服电机编码器、前后直动臂电机驱动器、前后直动臂伺服电机、前后直动臂伺服电机编码器、不少于一个的上位置传感器(40)、中位置传感器(41)、下位置传感器(42)、压力传感器(48)、推杆电机驱动器、推杆电机(38)、左剪切刀具电机驱动器、左剪切刀具电机(46)、右剪切刀具电机驱动器、右剪切刀具电机(47);
末端执行器控制器连接工控机(25),末端执行器回转关节电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连,末端执行器回转关节电机驱动器的输出端与末端执行器回转关节伺服电机的输入端相连,末端执行器回转关节伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端;末端执行器上下直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连,末端执行器上下直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器上下直动臂伺服电机的输入端相连,末端执行器上下直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端;末端执行器前后直动臂电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连,末端执行器前后直动臂电机驱动器的输出端与末端执行器前后直动臂伺服电机的输入端相连,末端执行器前后直动臂伺服电机编码器的输出端连接末端执行器控制器的输入端;
推杆电机驱动器的输入端连接末端执行器控制器的输出端,推杆电机驱动器的输出端连接推杆电机(38),推杆主动齿轮(31)安装于推杆电机(38)轴上,推杆电机(38)旋转,带动推杆主动齿轮(31)旋转,推杆主动齿轮(31)旋转通过推杆从动齿轮(32)驱动推杆(37)朝向采摘杯切口(45)运动;
左剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连,左剪切刀具电机驱动器的输出端与左剪切刀具电机的输入端相连;右剪切刀具电机驱动器的输入端与末端执行器控制器的输出端相连,右剪切刀具电机驱动器的输出端与右剪切刀具电机的输入端相连;
所述上位置传感器(40)、中位置传感器(41)和下位置传感器(42)分别安装在采摘杯(49)的侧壁上,上位置传感器(40)、中位置传感器(41)和下位置传感器(42)的输出端分别通过电缆与末端执行器控制器相连;压力传感器(48)安装在位于采摘杯侧的推杆(37)的前端,压力传感器(48)通过电缆与末端执行器控制器相连。
4.如权利要求3所述的双臂水果采摘机器人,其特征在于,所述上位置传感器的数量为二;所述两个上位置传感器同水平面安装在采摘杯的侧壁上;所述上位置传感器位于采摘杯上的切槽(39)的下方。
5.如权利要求1所述的双臂水果采摘机器人,其特征在于,所述缓冲片(24)设置在位于采摘杯(22)一侧的果实回收管(23)内。
6.一种利用如权利要求1至权利要求5任一项所述的双臂水果采摘机器人进行水果采
摘的方法,其特征在于:所述由左大机械臂(5)、左小机械臂(6)、左末端执行器(7)、左双目摄像机(27)组成的左采摘部件和由右大机械臂(2)、右小机械臂(3)、右末端执行器(4)、右双目摄像机(19)组成的右采摘部件的水果采摘方法的步骤相同;其中左采摘部件的采摘方法包括以下步骤:
1)左大机械臂(5)复位到初始位置;
2)左双目摄像机(27)采集果树图像,并将图像传输给工控机(25);
3)工控机(25)对果树图像进行处理,完成果实识别与定位,计算各果实在世界坐标系下的坐标值Pi(Xi,Yi,Zi);
4)根据步骤3中各果实在世界坐标系下的坐标值确定左大机械臂(5)各采摘点及各采摘点所属果实;确定方法如下:
设左末端执行器(7)内的上下直动臂长度为a,前后直动臂长度为b,Ymax、Ymin分别为各果实Y坐标的最大值和最小值,取 的整数z,则机械臂采摘点数k=z;
左大机械臂(5)第一采摘点位置坐标为C1[0,(Ymin-αh),(Zmax-βb)],其中h为果实最大高度,Zmax为各果实Z坐标的最大值,系数α>0,β>0;左大机械臂(5)第二采摘点位置坐标为C2[0,(Ymin+a-αh),(Zmax-βb)],左大机械臂(5)第j采摘点位置坐标为Cj[0,(Ymin+(j-1)a-αh),(Zmax-βb)]。
5)左大机械臂(5)旋转至第一采摘点,左小机械臂(6)与左末端执行器(7)进行采摘;
6)第一采摘点的果实采摘完毕后,左大机械臂(5)旋至下一采摘点,重复步骤5)中采摘过程进行该采摘点果实采摘;
7)当完成所有采摘点果实采摘后,左大机械臂(5)返回初始位置;
7.如权利要求6所述的水果采摘方法,其特征在于:所述步骤5)中的左小机械臂(6)与左末端执行器(7)进行采摘的步骤为:
1)取该采摘点各果实坐标值,按照自下而上的原则取捷径确定果实采摘顺序、规划采摘路径;
2)计算左小机械臂(6)电机运行参数,启动左小机械臂与左末端执行器(7)进行果实采摘;
3)左小机械臂(6)与左末端执行器(7)采摘果实时采摘杯自下而上套获果实,上位置传感器和中位置传感器检测确认果实进入采摘杯;
4)当上位置传感器中有一个或两个传感器失去果实检测信号时,确定果实果梗处于左剪切刀具和右剪切刀具工作位置,推杆向前推动挤压固定果实,压力传感器检测推杆挤压果实力的大小,压力足以使果实固定而又不损坏果实;左剪切刀具和右剪切刀具分别在左剪切刀具电机和右剪切刀具电机作用下旋转,切断果梗,推杆向后运动,松开果实,果实自动落入果实回收管,并在重力作用下滚落入果篮,下位置传感器检测确认果实从采摘杯落入果实回收管,完成一个果实的采摘、回收;
5)进行下一个果实采摘。