一种果蔬采摘六足机器人论文和设计-刘富成

全文摘要

本实用新型涉及一种果蔬采摘六足机器人，其特征在于，包括机身及设置在所述机身上的六条机械腿，所述机身上还设置有采摘机械臂、收集箱、视觉识别模块、循迹传感器排布板、陀螺仪模块、控制模块和电源，所述采摘机械臂末端设置有采摘抓手。所述机身的四角分别设置有一条机械腿，另外两条机械腿对称设置在所述机身的中部。本实用新型的移动方式为足式，适合在松软地面或严重崎岖不平的地形上进行果蔬采摘，具有较好的灵活性，且机身下板有矩形排布的循迹传感器，可按照预定轨迹行进，采摘机械臂上安装有视觉识别模块，增加采摘准确性，实现了可在相对不平坦地形按设定轨迹，自行采摘的目的，具有较强实用价值。

主设计要求

1.一种果蔬采摘六足机器人，其特征在于，包括机身及设置在所述机身上的六条机械腿，所述机身上还设置有采摘机械臂、收集箱、视觉识别模块、循迹传感器排布板、陀螺仪模块、控制模块和电源，所述采摘机械臂末端设置有采摘抓手。

设计方案

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述机身的四角分别设置有一条机械腿，另外两条机械腿对称设置在所述机身的中部。

3.根据权利要求1或2所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述每条机械腿均包括髋关节舵机、膝关节舵机和踝关节舵机；所述膝关节舵机输出轴的轴线与所述踝关节舵机输出轴的轴线平行，所述髋关节舵机输出轴的轴线与所述膝关节舵机输出轴的轴线垂直。

4.根据权利要求1或2所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述采摘机械臂包括可旋转底盘和两关节机械臂，所述可旋转底盘与所述两关节机械臂之间、所述两关节机械臂与所述采摘抓手之间均采用相应的舵机相连接；所述可旋转底盘的旋转轴垂直于所述机身上平面，所述两关节机械臂关节处的舵机输出轴轴线与所述可旋转底盘的旋转轴垂直。

5.根据权利要求1或2所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述收集箱有两个，分别设置在所述采摘机械臂两侧的机身上板上。

6.根据权利要求5所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述收集箱是由木质骨架和塑料板构成的轻质立方体状箱子。

7.根据权利要求1、2或6所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述视觉识别模块是OpenMV机器视觉模块，设置于所述采摘机械臂的第二段机体上。

8.根据权利要求1、2或6所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述循迹传感器排布板上设置有十四个循迹传感器，所述十四个循迹传感器围成一个矩形检测带；所述循迹传感器排布板设置在所述机身的下板底部。

9.根据权利要求1、2或6所述的果蔬采摘六足机器人，其特征在于，所述控制模块包括主控制板和舵机控制板，所述舵机控制板包括机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板，所述机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板通过第三电路板与所述主控制板连接；所述主控制板与所述视觉识别模块、循迹传感器排布板上的各循迹传感器、陀螺仪模块连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于农业机器人技术领域，具体涉及一种果蔬采摘六足机器人。

背景技术

目前果蔬采摘机器人多为轮式或履带式机器人。轮式机器人在相对平坦的地形上行驶时，运动速度迅速、平稳，具有相当的优势，其结构和控制也较简单，而在相对不平坦地面上行驶时，车轮的作用将严重丧失且移动效率大大降低，能耗将大大增加。履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差，行驶时机身晃动严重。但实际采摘地地形大多数不规则且崎岖不平，轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型提供了一种果蔬采摘六足机器人。该机器人只需要离散的点接触地面，就可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖地形的适应性强，而且可以通过调节腿关节的角度保持机身水平，不易翻倒，稳定性更高。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下方案：

一种果蔬采摘六足机器人，包括机身及设置在所述机身上的六条机械腿，所述机身上还设置有采摘机械臂、收集箱、视觉识别模块、循迹传感器排布板、陀螺仪模块、控制模块和电源，所述采摘机械臂末端设置有采摘抓手。

进一步，所述机身的四角分别设置有一条机械腿，另外两条机械腿对称设置在所述机身的中部。

进一步，所述每条机械腿均包括髋关节舵机、膝关节舵机和踝关节舵机；所述膝关节舵机输出轴的轴线与所述踝关节舵机输出轴的轴线平行，所述髋关节舵机输出轴的轴线与所述膝关节舵机输出轴的轴线垂直。

进一步，所述采摘机械臂包括可旋转底盘和两关节机械臂，所述可旋转底盘与所述两关节机械臂之间、所述两关节机械臂与所述采摘抓手之间均采用相应的舵机相连接；所述可旋转底盘的旋转轴垂直于所述机身上平面，所述两关节机械臂关节处的舵机输出轴轴线与所述可旋转底盘的旋转轴垂直。

进一步，所述收集箱有两个，分别设置在所述采摘机械臂两侧的机身上板上。

进一步，所述收集箱是由木质骨架和塑料板构成的轻质立方体状箱子。

进一步，所述视觉识别模块是OpenMV机器视觉模块，设置于所述采摘机械臂的第二段机体上。

进一步，所述循迹传感器排布板上设置有十四个循迹传感器，所述十四个循迹传感器围成一个矩形检测带；所述循迹传感器排布板设置在所述机身的下板底部。

进一步，所述控制模块包括主控制板和舵机控制板，所述舵机控制板包括机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板，所述机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板通过第三电路板与所述主控制板连接；所述主控制板与所述视觉识别模块、循迹传感器排布板上的各循迹传感器、陀螺仪模块连接。

进一步，所述电源设置在所述机身的上下板之间。

本实用新型行走在预定轨迹上，遇到十字标识时，会从前行状态转至立正姿态，然后执行采摘，采摘完毕继续前行；遇到转弯相关标记则变化机械腿的姿态以另一种形式在转完后的路迹上前行，整个机身不发生方位变化；在没有十字标而只有路迹线的停滞点的路线上，机器人会根据视觉识别系统反馈的结果进行采摘，在没有路迹线只有十字标的路线上，机器人会根据导航模块按预先设定的路线行进，在十字标处停滞进行采摘。

该果蔬采摘六足机器人具有以下有益效果：

（1）本实用新型果蔬采摘六足步行机器人的具有独特优势，只需要离散的点接触地面对环境的破坏程度也较小可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对崎岖地形的适应性强，六足步行机器人的腿部具有多个自由度使运动的灵活性大大增强，它可以通过调节腿关节的角度保持机身水平，不易翻倒稳定性更高。

（2）本实用新型转弯时，机身保持不动，只需要机身四角的机械腿摆动相应角度既可实现，克服了轮式机器人、履带式机器等都存在的转弯半径比较大、灵活性差的缺点。

（3）本实用新型的移动方式为足式，适合在松软地面或严重崎岖不平的地形上进行果蔬采摘，具有较好的灵活性，且机身下板有矩形排布的循迹传感器，可按照预定轨迹行进，采摘机械臂上安装有视觉识别模块，增加采摘准确性，实现了可在相对不平坦地形按设定轨迹，自行采摘的目的，解决了在相对不平坦路面精确循迹和准确采摘果实或者蔬菜的问题，具有较强实用价值。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人的主视图；

图2：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人的俯视图；

图3：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人的行走姿态Ⅰ示意图；

图4：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人的行走姿态Ⅱ示意图；

图5：本实用新型实施方式中循迹传感器排布板的俯视图；

图6：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人实验场地的示意图；

图7：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人实验场地行走路线的示意图；

图8：本实用新型实施方式中果蔬采摘六足机器人与实验场地循迹线的各类相对位置情况图。

附图标记说明：

1—机身；2—机械腿；3—采摘机械臂；4—收集箱；5—视觉识别模块；6—采摘抓手；7—舵机控制板；8—主控制板；9—循迹传感器排布板；91—循迹传感器；10—电源；11—陀螺仪模块；

a、b、c、d—机身四角的机械腿在机身上的分布方位；

A、B、C、D、E、F、G、H—行走路线上的起点、各转折点及终点。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图8示出了本实用新型一种果蔬采摘六足机器人的具体实施方式。图1是本施方式中果蔬采摘六足机器人的主视图；图2是本实施方式中果蔬采摘六足机器人的俯视图；图3是本实施方式中果蔬采摘六足机器人的行走姿态Ⅰ示意图；图4是本实施方式中果蔬采摘六足机器人的行走姿态Ⅱ示意图；图5是本实施方式中循迹传感器排布板的俯视图；图6是本实施方式中果蔬采摘六足机器人实验场地的示意图；图7是本实施方式中果蔬采摘六足机器人实验场地行走路线的示意图；图8是本实施方式中果蔬采摘六足机器人与实验场地循迹线的各类相对位置情况图。

如图1和图2所示，本实施方式中的果蔬采摘六足机器人，包括机身1及设置在机身1上的六条机械腿2，机身1上还设置有采摘机械臂3、收集箱4、视觉识别模块5、循迹传感器排布板9、陀螺仪模块11、控制模块和电源10，采摘机械臂3末端设置有采摘抓手6。

优选地，机身1的四角分别设置有一条机械腿2，另外两条机械腿2对称设置在机身1的中部，如图1和图2所示。

优选地，每条机械腿2均包括髋关节舵机、膝关节舵机和踝关节舵机；所述膝关节舵机输出轴的轴线与所述踝关节舵机输出轴的轴线平行，所述髋关节舵机输出轴的轴线与所述膝关节舵机输出轴的轴线垂直，如图1和图2所示。机械腿2可按照程序运动至相应位置，可以精确的沿直线大步前进、大步后退、小步前进、小步后退，自身轴线与所走直线形成的偏角大于预定值时，也可以进行角量弥补调整。

优选地，采摘机械臂3包括可旋转底盘和两关节机械臂，可旋转底盘与两关节机械臂之间、两关节机械臂与采摘抓手6之间均采用相应的舵机相连接；所述可旋转底盘的旋转轴垂直于机身1上平面，所述两关节机械臂关节处的舵机输出轴轴线与所述可旋转底盘的旋转轴垂直，如图1和图2所示。可旋转底盘可使采摘机械臂3和采摘抓手6绕竖直轴旋转，采摘机械臂3可调整采摘抓手6的高低位置，方便采摘不同位置的蔬菜或者果实，采摘抓手可调整其抓取装置的仰角和展角，方便其在尽量保证果蔬完整性的条件下采摘。

优选地，收集箱4有两个，分别设置在采摘机械臂3两侧的机身2上板上，如图1和图2所示。本实施例中，一个收集箱4放置水果，另一个收集箱4放置蔬菜。

优选地，收集箱4是由木质骨架和塑料板构成的轻质立方体状箱子。

优选地，视觉识别模块5是OpenMV机器视觉模块，设置于采摘机械臂3的第二段机体上，如图1所示。在机器人行进过程中，采摘机械臂3的第二段机体会保持固定方向，视觉识别模块5会时时检测果实是否已经处在采摘机械臂3可采摘区域。在采摘机械臂3调整姿态过程中，视觉识别模块5会随采摘机械臂3随时记录摄像头前的图像，观察到所采摘果实会向主控制板8反应特殊信号。

优选地，循迹传感器排布板9上设置有十四个循迹传感器91，十四个循迹传感器91围成一个矩形检测带；循迹传感器排布板9设置在机身1的下板底部，如图2和图5所示。机器人自起点开始按照程序设定，在不同区域根据循迹传感器排布板9上的14个循迹传感器91所反馈的数据，进行相应的移动和调整。

本实施例中，循迹传感器91采用灰度传感器，十四个灰度传感器围成一个80mm×100mm的矩形检测带。单个灰度传感器检测区域的宽度约为8mm，会时时将地面规划好的路迹反馈至主控制板8。

优选地，控制模块包括主控制板8和舵机控制板7，舵机控制板7包括机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板，机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板通过第三电路板与主控制板8连接；主控制板8与视觉识别模块5、循迹传感器排布板9上的各循迹传感器91、陀螺仪模块11连接，如图1和图2所示。机械腿舵机控制板与六只机械腿2的各舵机相连，用于编写并存放机器人行进过程中各机械腿2的动作与形态，采摘机械臂舵机控制板与采摘机械臂3的各舵机相连，用于编写并存放机器人采摘过程中机械臂的动作与形态，第三电路板与机械腿舵机控制板和采摘机械臂舵机控制板相连接，用于编写并存放机器人行进、调整、采摘的主函数，主控制板8为自行设计焊接的方便第三电路板、各传感器、电机等电路元件相连接的合理排布排针排母的电路板。

本实施例中，第三电路板采用arduino 2560电路板。

优选地，电源10设置在机身1的上下板之间。本实施例中，电源10有两块，如图1所示。供电电源10分别为机械腿2、各传感器和采摘机械臂3、视觉识别模块5等供电。

试验时，在机身1四角有标号a、b、c、d，分别表示机身四角的机械腿2在机身1上的分布方位；循迹传感器排布板9的十四个循迹传感器91分别用标号Ⅰ至ⅩⅣ。机器人所走实验场地如图6所示，实线为白色反光条，CD区域虚线与实线交点为机器人所需的停滞标记点，但没有横向反光条在虚线处，实线矩形框分别为起点区和收集区，实线方形框为果实或蔬菜放置区域。机器人所设定路线如图7所示，实线为规划的路迹，含有a、b、c、d四个字母标记的矩形框为机器人机身投影。机器人自起点区开始向A点运动，AB区域为由三个十字标和连接A点和B点的24mm白色反光条组成的直线行走区域，在行走过程中机身Y方向轴线与所循直线会出现如图8中所示的（1,2）、（1,3）、（1,4）、（1,5）四种情况，机器人分别会进行ab调整、cd调整、ba调整、dc调整，ab调整即以a为起点，b为终点的有向直线的方向进行移动，直至Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号循迹传感器91均在白线上，机器人才会由调整转变为行走，当循迹排布板9移动至十字架上方，循迹传感器排布板9与十字标的相对位置会出现如图8中所示的（2,1）、（2,2）、（2,3）三种情况，出现情况（2,2）、（2,3）时机器人会分别进行后退一小步、前进一小步，直至出现情况（2,1），出现情况（2,1）时机器人会保持立正姿态然后采摘机械臂3进行采摘；当机器人行走至至B点，循迹传感器排布板9与丁字标相对位置会出现如图8中所示的（3,1）、（3,2）、（3,3）三种情况，遇此三种情况机器人均会转换姿态，即由如图3所示的采摘区域行走姿态Ⅰ变成如图4所示的非采摘区域行走姿态Ⅱ，转变姿态后机器人形心有微小偏移，循迹传感器排布板9与丁字标相对位置会出现如图8所示的（3,1）、（3,2）、（3,3）、（3,4）、（3,5）五种情况，出现情况（3,4）、（3,5）时，机器人会转变回原来的姿态并后退一小步，回到AB区域，出现情况（3,2）、（3,3）时，机器人会分别进行db调整和bd调整，直至出现如图8所示的情况（4,1）、（4,4）、（4,5），当出现此三种情况时机器人会在BC方向前进，进入BC区域；BC区域为由24mm白色反光条组成的直线行走区域，在行走过程中X方向轴线与所循直线会出现如图8所示情况（4,2）、（4,3）、（4,4）、（4,5），机器人分别进行bd调整、db调整、ac调整、ca调整，直至Ⅵ、Ⅸ号循迹传感器91均在白线上；当机器人行走至C点，循迹传感器排布板9与十字标相对位置会出现如图8所示的情况（5,1）、（5,2）、（5,3）、（5,4）、（5,5），遇此五种情况机器人均会转换姿态，由非采摘区域行走姿态Ⅱ变成采摘区域行走姿态Ⅰ，转变姿态后机器人形心有微小偏移，循迹传感器排布板9与十字标相对位置会出现情况（5,1）、（5,2）、（5,3）、（5,4）、（5,5）、（5,6）、（5,7），出现情况（5,6）、（5,7）时，机器人会转变回原来的姿态并后退一小步，回到BC区域，出现情况（5,2）、（5,3）和（5,4）、（5,5）时，机器人分别会进行ab、cd调整和ba、dc调整，直至出现情况（5,1），当出现情况（5,1）时会在CD方向前进，进入CD区域；CD区域除没有三个十字标外，其他和AB区域一样，机器人在CD区域打开视觉识别模块5，在行走过程中，所采摘果实蔬菜处于机械臂可采摘区域时机器人会保持立正姿态然后机械臂进行采摘；当机器人行走至D点，其在D点、DE区域、E点处理方式均和B点、BC区域、C点处理方式类似；EF区域除没有连接E点和F点的24mm白色反光条外，其他和AB区域一样，机器人在EF区域打开陀螺仪模块11，机器人会一直沿着设定的EF方向移动，如在没有反光条的区域有较小偏移，当循迹排布板9移动至十字标上方，其调整方式和AB区域类似，出现情况（5,2）、（5,3）、（5,4）、（5,5）时，机器人会通过ab调整、ba调整、cd调整、dc调整，直至机身Y方向轴线与十字标纵向线相重合，然后出现情况（2,2）、（2,3），机器人会通过小步后退或小步前进使机身X方向轴线与十字标横向线相重合，直至机器人正交轴与十字标重合后，机器人会保持立正姿态然后机械臂进行采摘，如在没有反光条的区域有较大偏移，当循迹排布板9移动至十字标上方，出现情况（5,6）、（5,7）时，机器人由采摘区域行走姿态Ⅰ变成非采摘区域行走姿态Ⅱ，通过在场地横向线方向上的移动，会出现情况（5,2）、（5,3）、（5,4）、（5,5），机器人由非采摘区域行走姿态Ⅱ变成采摘区域行走姿态Ⅰ，之后如前所述，采摘三次过后，机器人行走至F点，由采摘区域行走姿态Ⅰ变成非采摘区域行走姿态Ⅱ，在FG方向前进并进入FG区域，FG区域为没有24mm白色反光条和有四个十字标的直线行走区域，通过陀螺仪模块11和在十字标处的调整，机器人可沿预定直线走至G点，如在没有反光条的区域有较小偏移，当循迹排布板9移动至十字标上方，出现情况（2,2）和（2,3）时，机器人会通过ac调整、bd调整和ca调整、db调整，直至机身X方向轴线与十字标横向线相重合，机器人由非采摘区域行走姿态Ⅱ变成采摘区域行走姿态Ⅰ，然后出现情况（5,2）、（5,3）和（5,4）、（5,5），机器人会通过ab调整、cd调整和ba调整、dc调整使机身X方向轴线与十字标横向线相重合，直至机器人正交轴与十字标重合后，机器人由采摘区域行走姿态Ⅰ变成非采摘区域行走姿态Ⅱ,继续在FG方向前进,机器人走至G点，由非采摘区域行走姿态Ⅱ变成采摘区域行走姿态Ⅱ，在GH方向前进并进入H点所在的收集区区域。

本实用新型的移动方式为足式，适合在松软地面或严重崎岖不平的地形上进行果蔬采摘，具有较好的灵活性，且机身下板有矩形排布的循迹传感器，可按照预定轨迹行进，采摘机械臂上安装有视觉识别模块，增加采摘准确性，实现了可在相对不平坦地形按设定轨迹，自行采摘的目的，解决了在相对不平坦路面精确循迹和准确采摘果实或者蔬菜的问题，具有较强实用价值。

本实用新型行走在预定轨迹上，遇到十字标识时，会从前行状态转至立正姿态，然后执行采摘，采摘完毕继续前行；遇到转弯相关标记则变化机械腿的姿态以另一种形式在转完后的路迹上前行，整个机身不发生方位变化；在没有十字标而只有白色路迹线的停滞点的路线上，机器人会根据视觉识别系统反馈的结果进行采摘，在没有白色路迹线只有十字标的路线上，机器人会根据导航模块按预先设定的路线行进，在十字标处停滞进行采摘。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

设计图

一种果蔬采摘六足机器人论文和设计

一种果蔬采摘六足机器人论文和设计-刘富成

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