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

背景技術(shù)：

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

技術(shù)實現(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器人及其采摘方法，機器人結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于更換維護，可實現(xiàn)番茄采摘過程中的連續(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器人，包括柔性采摘機械臂、升降機構(gòu)、輸果軟管、傳送帶、深度相機、暫存箱、路軌兩用底盤及數(shù)顯控制面板；

3、柔性采摘機械臂包括第一關(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)電機的輸出軸連接，第一旋轉(zhuǎn)電機固定連接在升降機構(gòu)上面，第一關(guān)節(jié)的另一端與第二旋轉(zhuǎn)電機固定連接，第二旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與第二關(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；升降機構(gòu)帶動第一旋轉(zhuǎn)電機和第一關(guān)節(jié)上下升降，從而帶動第二關(guān)節(jié)、第二旋轉(zhuǎn)電機和末端采摘裝置同時上下升降；第一旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)整個柔性采摘機械臂的伸出和回收，同時調(diào)整末端采摘裝置的位置；第二旋轉(zhuǎn)電機調(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；

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

5、輸果軟管將末端采摘裝置采摘下的果實輸送至傳送帶上；

6、傳送帶連接在升降機構(gòu)上，與柔性采摘機械臂一起升降，將末端采摘裝置采摘下的果實輸送至暫存箱內(nèi)；

7、暫存箱固定連接在路軌兩用底盤的上面，存放輸送帶輸送過來的果實；

8、深度相機固定連接在升降機構(gòu)的頂部，識別果實成熟度及果實位置；

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)動件及傳感器，用于控制驅(qū)動件和傳輸信號；

10、路軌兩用底盤的四個角分別設(shè)有一個真空輪和一個軌道輪，軌道輪在軌道上做滾動運動。

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、第一電機齒輪、第一力矩伺服電機、第二力矩伺服電機、第二齒條、第二電機齒輪、下側(cè)滑塊、下側(cè)導軌、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、果實導管；

12、在關(guān)節(jié)支座的左右兩側(cè)分別固定連接一個下側(cè)導軌，在關(guān)節(jié)支座的頂部固定連接上側(cè)導軌，每個下側(cè)導軌滑動連接一個下側(cè)滑塊，上側(cè)導軌滑動連接上側(cè)滑塊，兩個下側(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齒輪，第一電機齒輪連接第一力矩伺服電機，第二齒條嚙合連接第二電機齒輪，第二電機齒輪連接第二力矩伺服電機；上側(cè)導軌、下側(cè)導軌、第一齒條、第二齒條相互平行；

13、平行上側(cè)導軌設(shè)有果實導管，果實導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)片的下部兩側(cè)和頂部均設(shè)有一對端頭滾輪，端頭節(jié)片下部的兩對端頭滾輪之間均設(shè)有一個下側(cè)彈簧鋼板，上部的一對端頭滾輪之間設(shè)有一個上側(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、第一力矩伺服電機驅(qū)動第一電機齒輪沿第一齒條滾動運動，第二力矩伺服電機驅(qū)動第二電機齒輪沿第二齒條滾動運動，從而帶動下側(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)導軌和上側(cè)導軌滑動移動，下側(cè)彈簧鋼板連接座帶動兩個下側(cè)彈簧鋼板前后移動，上側(cè)彈簧鋼板連接座帶動上側(cè)彈簧鋼板前后移動，下側(cè)彈簧鋼板與上側(cè)彈簧鋼板帶動端尾節(jié)片前后移動，端尾節(jié)片帶動末端采摘裝置前后移動，波紋管做伸縮運動。

15、優(yōu)選地，在波紋管的兩側(cè)分別設(shè)有一個波紋彈簧，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，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轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接定向轉(zhuǎn)動件的底部，定向轉(zhuǎn)動件的底部卡在采摘手指的頂端，只做逆時針90°轉(zhuǎn)動，定向轉(zhuǎn)動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，當監(jiān)測到果實掉落后，控制傳送帶進給一段距離，使果實單獨放置。

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器人對溫室番茄進行采摘的方法，包括以下步驟：

21、s1、番茄智能采摘機器人周期性進行巡檢，利用深度相機對溫室內(nèi)番茄植株進行三維表征重構(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)，通過生長-環(huán)控預測大模型實時解析環(huán)境-作物互作關(guān)系，預測果實成熟期及成熟位置，將可采摘果實位置坐標傳輸給番茄智能采摘機器人；

22、s2、路軌兩用底盤通過slam導航系統(tǒng)識別溫室內(nèi)環(huán)境并完成建模，在slam導航系統(tǒng)引導下與軌道對接，完成番茄智能采摘機器人的上軌；

23、s3、番茄智能采摘機器人在位置坐標的引導下沿軌道到達可采摘番茄位置；

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

25、s5、啟動第一旋轉(zhuǎn)電機和第二旋轉(zhuǎn)電機，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、啟動第一力矩伺服電機和第二力矩伺服電機，驅(qū)動彈簧鋼板伸出，使末端采摘裝置靠近并套住成熟果實；

27、s7、第一力矩伺服電機和第二力矩伺服電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動彈簧鋼板縮回，使末端采摘裝置摘下套住的成熟果實，被摘下的果實直接掉落在波紋管中，并沿波紋管進入果實導管，再從果實導管進入輸果軟管，經(jīng)輸果軟管落在傳送帶上；

28、s8、傳送帶接住果實后，步進一段距離，等待下一個果實的落下；當傳送帶上面暫存的果實足夠多時，傳送帶將上面的果實運送至暫存箱內(nèi)；

29、s9、重復步驟s3-s8；

30、s10、當其中一層的暫存箱內(nèi)盛滿采摘下的果實后，啟動升降機構(gòu)，使傳送帶對準另一層暫存箱，然后重復步驟s3-s8；

31、s11、當所有的暫存箱均盛滿果實，更換暫存箱，重復步驟s3-s8，直至成熟果實采摘完畢。

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)明通過分模塊式設(shè)計與一體化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)無人化精準番茄采摘的升級。作業(yè)時，路軌兩用底盤實現(xiàn)路基和軌道的切換，完成上軌動作，上軌后深度相機識別番茄成熟度及三維坐標，通過上位機做運動學計算控制柔性采摘機械臂及各功能組件共同作業(yè)采摘番茄，采摘后的番茄通過輸果軟管進入傳送帶暫存，當儲存番茄達到上限時，通過升降機構(gòu)將傳送帶升至空置暫存框位置高度，將番茄送入儲存，完成采摘作業(yè)。通過柔性采摘機械臂、升降機構(gòu)、輸果軟管、傳送帶、深度相機、暫存箱及路軌兩用底盤等功能組件之間聯(lián)動控制、相互配合，可實現(xiàn)上軌，采摘，暫存及儲存采摘全流程自動化作業(yè)，兩側(cè)機械臂可雙向同時采摘多株番茄，互不干涉，并且柔性采摘機械臂只需要完成采摘動作，不需做卸果動作，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，各模塊通過機械限位與時序控制精準協(xié)同，且機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡潔、動作協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了溫室復雜環(huán)境下的番茄選擇性采摘。

34、2、本發(fā)明采用柔性采摘機械臂采摘+輸送軟管卸果+傳送帶暫存+暫存箱儲存的一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了番茄采摘過程中的連續(xù)性采摘，柔性采摘機械臂只負責采摘，不用放置，提高了采摘效率。

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

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

37、5、柔性采摘機械臂具備完整采摘功能，結(jié)構(gòu)簡單，采用電機驅(qū)動齒輪齒條，引導彈簧鋼板帶動末端采集裝置伸出的采摘方案，具備良好的創(chuàng)新性與實用性。