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专利号: 2024106605552
申请人: 仲恺农业工程学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人,其特征在于:包括移动底盘、龙门架、采摘机械臂、末端执行器与采摘控制系统,移动底盘与龙门架均为两组且龙门架固定设置在对应移动底盘上;采摘机械臂设置在两个龙门架之间的上端且采摘机械臂包括支撑支架、横向同步带模组、垂向同步带模组与驱动机构,支撑支架固定设置在两个龙门架上端之间且支撑支架横向截面为“日”字形结构,支撑支架端面平行设置四根滑移轨道,“日”字形结构横线之间通过滑移轨道分别滑动设置两组横向同步带模组且每个横向同步带模组上滑动设置一个垂向同步带模组,横向同步带模组上设置驱动机构;末端执行器设置在垂向同步带模组底端;采摘控制系统分别与移动底盘、采摘机械臂、末端执行器电性连接;支撑支架上对应两组同行的末端执行器设置深度相机,深度相机与采摘控制系统电连接;

所述驱动机构包括固定支架、驱动电机、主动齿轮、从动齿轮、齿条、轴承座与传动杆,水平支杆的一端通过固定支架设置驱动电机且驱动电机输出轴贯穿对应固定支架后、固定套接主动齿轮,滑移轨道内侧分别固定设置一根齿条,水平支杆的两端设置轴承座,传动杆与对应水平支杆之间平行设置且传动杆两端分别贯穿对应的轴承座,传动杆与轴承座之间转动连接,传动杆两端端部且对应齿条固定套接从动齿轮,从动齿轮与对应齿条啮合且靠近驱动电机侧的从动齿轮与主动齿轮啮合;

所述末端执行器包括外壳、舵机、主动轴、刀具连接件、下刀具、上刀具、刀具定位板、轨迹控制板与收集盒,外壳固定设置在垂直支杆底端且外壳的横向截面为矩形框结构,外壳一侧外壁通过舵机支架固定设置舵机且舵机输出轴通过联轴器固定连接一根主动轴,主动轴远离舵机的一端贯穿对应的外壳侧壁且与外壳另一侧侧壁转动连接;主动轴位于外壳内侧中部的外壁与刀具连接件底端固定连接,外壳靠近舵机的一侧内壁固定设置轨迹控制板且轨迹控制板上开设弧形槽,刀具连接件顶端开设滑移槽且滑移槽内滑动设置随动块,随动块远离刀具连接件的一端滑动卡接在弧形槽内;刀具连接件远离弧形槽的一侧侧面固定设置下刀具;主动轴位于刀具连接件远离轨迹控制板一侧的外壁转动套接刀具定位板,刀具定位板位于下刀具远离刀具连接件的一侧固定设置上刀具且上刀具与下刀具对应设置;

外壳内侧且位于轨迹控制板远离下刀具的一侧固定设置收集盒;

刀具连接件的横向截面为“L”形结构,刀具定位板的横向截面为“Z”字形结构;外壳内侧且位于刀具定位板远离上刀具的一侧设置限位板,用于对刀具定位板的向下转动形成硬限位;刀具连接件靠近上刀具的一侧侧面且位于刀具定位板上侧设置复位柱。

2.根据权利要求1所述的一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人,其特征在于:所述移动底盘采用履带式行走机构。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人,其特征在于:所述横向同步带模组包括水平支杆、滑动支座、移动滑块、第一传动带机构与第一传动电机,水平支杆两端底部分别设置滑动支座且滑动支座分别滑动卡接在支撑支架端面的对应滑移轨道上,水平支杆上滑动设置移动滑块且移动滑块通过水平支杆上设置的第一传动带机构在对应水平支杆上滑动,水平支杆一端设置第一传动电机、用于控制第一传动带机构运行;垂直同步带模组包括竖直支杆、定位支座、升降滑块、第二传动带机构与第二传动电机,竖直支杆底端通过定位支座设置末端执行器且竖直支杆靠近对应水平支杆的一侧侧面滑动设置升降滑块,升降滑块与对应的移动滑块之间通过连接支架进行连接,升降滑块通过竖直支杆上设置的第二传动带机构在对应竖直支杆上进行滑动、进而控制竖直支杆进行升降,竖直支杆顶端设置第二传动电机、用于控制第二传动带机构运行。

4.根据权利要求3所述的一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人的采茶方法,其特征在于:具体步骤包括:

步骤一、首先将整个采摘机器人通过移动底盘的运动、移动至茶园待采摘处,启动深度相机进行图像采集,获取茶叶嫩芽的三维点云;并以茶叶嫩芽三维点云的中心坐标作为对应茶叶嫩芽的三维位置,根据茶叶嫩芽数量将同一幅图像中的茶叶嫩芽沿横向分隔成三个部分,分别记为集合Cl、Cm与Cr,它们对应的区域分别为Sl、Sm与Sr,对应区域内的嫩芽数量为Nl、Nm与Nr且Nl=Nr>Nm;

步骤二、以茶叶嫩芽为城市、采摘机械臂为旅行商,将图像三个部分分别看做是三个旅行商问题,从而获得采摘机械臂完成Sl、Sm与Sr三个区域采摘的最短路径所对应的嫩芽数量分割;然后通过遗传算法分别获得Sl、Sm与Sr三个区域内的最短路径,完成采摘路径规划;

步骤三、通过控制系统与机械臂的串口通讯,将采摘路径发送给采摘机械臂,进而分别控制Sl与Sr区域内的采摘机械臂进行第一次采摘、Sm区域作为缓冲区域;同时,获取Sl与Sr区域内的采摘机械臂第一次采摘所消耗的时间tl与tr,若tl≤tr、则控制Sl区域的采摘机械臂对Sm区域进行第二次采摘,若tl>tr、则控制Sr区域的采摘机械臂对Sm区域进行第二次采摘;

步骤四、完成三个区域的采摘后,采摘机械臂复位,进行下一次采摘。

5.根据权利要求4所述的一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人的采茶方法,其特征在于:所述步骤一中获取茶叶嫩芽三维点云的方法具体为:采用Yolo v8模型对深度相机拍摄采集的图像中的茶叶嫩芽进行检测,并将茶叶嫩芽检测框内部像素点转换为三维点云(xd,yd,z)d :;

式中:(uc,vc)表示深度相机的光心位置;(ui,vi)表示深度相机采集到的茶叶嫩芽像素点i的图像坐标;(fx,fy)表示深度相机的焦距;Id表示获得的深度图像;

则对应茶叶嫩芽三维点云的中心坐标(xc,yc,zc)为:

式中:n表示对应茶叶嫩芽检测框中像素点的数量。

6.根据权利要求4所述的一种面向名优茶的多机械臂协同采摘机器人的采茶方法,其特征在于:所述通过遗传算法分别获得Sl、Sm与Sr三个区域内的最短路径,完成采摘路径规划具体步骤为:首先,进行种群初始化并进行适应度计算:设置种群中个体数为M,将获得的茶叶嫩芽三维位置对应的采摘点全部随机打乱坐标顺序M次,每次打乱的坐标点的排列顺序作为初代个体的基因,同时通过函数L获得每次打乱坐标顺序后各个坐标点之间的距离,并以此作为该个体基因的适应度;

其中,函数L为: ;

式中: 、 分别表示两个点的三维坐标;

经过m次操作后,获得一个具有m个个体的初代种群;之后,进行迭代操作:将初代种群进行交叉、变异与选择,并完成多次迭代,每次迭代后均计算其适应度,并保留适应度较好的个体基因形成新种群;

最后,得出最优路径的新种群:经过预定的迭代次数后,选取最后一代中路线总长度最短的个体作为最优路径的采摘顺序。