[发明专利]一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业机器人技术领域，尤其是一种轮式移动水果采摘机器人及水果采摘方法。

背景技术

水果是我国重要的经济作物，目前水果己成为继粮食、蔬菜之后的第三大农作物。水果产业在国民经济中具有重要地位。在食品消费结构中，随着主食消费比重的缓慢下降和副食品消费比重的上升，水果消费在整个食物消费中的比重也在逐步上升。自1978年中国实行农业结构调整政策以来，中国的水果产业得到快速发展，1997年一跃成为世界第一水果生产大国。水果产量从1978年的657万吨增长至1997年的5089.3万吨。到2006年，中国水果产量己达9599.2万吨，占世界水果产量的18.1%。除了具有总量优势外，中国许多水果的产量都居于世界前列，2006年中国苹果和梨产量为2605.9万吨和1198.6万吨，分别占世界产量的40.8%和61.4%，均居于世界第一位。柑橘产量达1591.9万吨，占世界产量的50.5%，也居于世界第一位。以上数据显示，苹果、柑橘、梨是我国水果的主要种植品种，无论是面积还是产量均一直排在前三位。因此，本发明的轮式移动水果采摘机器人主要采摘对象是针对以上几种水果。

进入21世纪以来，我国人口面临老龄化问题日趋严重，而且随着工业的迅速发展，农业劳动力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力成本短缺严重且成本逐渐提高。水果采摘作业是水果生产中最耗时、最费力的环节，其收获又属于劳动密集型作业。以上种种因素给水果的收获带来了很大的困难，因此研究开发一种智能化的水果采摘装置势在必行。轮式移动水果采摘机器人不仅能够降低果农的劳动强度、降低果树采摘成本、提高采摘效率、保证果实及时收获、保证果品质量，而且对于促进农村经济发展，提高我国农业机械的现代化、智能化水平，加速农业现代化进程有着重大的推动作用。

相对于发达国家，我国在水果采摘机器人领域的研究起步较晚，大概始于20世纪90年代中期。目前国内有不少科研院校和研究所在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。

中国发明专利ZL200310118301.6，发明名称为“一种移动机器人平台的驱动结构和驱动方法”。该专利介绍了一种用于轮式移动机器人平台的驱动结构，采用协调的驱动方式，它包括一个主动导向轮和两个独立的驱动轮。主动导向轮由小功率较高减速比的电机驱动，控制导向轮的转角；两个驱动后轮分别由两个低控制精度的扁平电机或轮毂电机驱动。平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。但该专利中没有描述详细的机械结构，而且也没有针对果园路面环境进行设计，因此该结构很难应用于水果的采摘。

中国发明专利ZL200410053041.3，发明名称为“智能移动机器人”。该专利介绍了一种智能移动机器人，包括车体平台和大脑两大部分，采用笔记本电脑作为机器人大脑。机器人大脑负责采集处理视觉信号，负责与外界对象通信和高层决策，下位机负责机器人执行机构的底层控制，并将获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态信息上传给机器人大脑。该专利主要对控制系统组成进行了描述，但没有涉及到机器人的具体机械结构的详细描述。该专利使用的是普通的超声波传感器，虽然价格便宜，经济性好，但是普通的超声波传感器发射角大，探测范围大，但是其致命的缺点是方向性不好。而对于路面环境比较复杂的果园，使用普通的超声波传感器极易造成障碍物的误判，因此该平台并不适宜在果园环境中使用。

此外，南京农业大学对茄子收获的视觉系统和机械臂的避障进行了研究；上海交通大学对黄瓜采摘进行了研究；江苏大学对番茄收获机械手进行相应研究；西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究；浙江大学对番茄收获机械手进行了运动学分析。从以上研究可以看出，在采摘机器人领域国内的科研人员做了大量的探索性工作，但是水果的采摘是个极其复杂的过程，目前仍有很多难题很难解决。比如以上研究大多是集中在智能移动平台、采摘机械臂、各种末端执行器、视觉传感器系统、果实的各种分割和识别算法等几个单方面的研究，由于工作量太大，研究难度高，所以几乎没有人将果实采摘的各个环节整合在一起深入研究。这就带来一些重要的问题，研究出来的成果比较零散，采摘机器人执行采摘任务仍然需要人的协助，只能实现半自动化，而且采摘的效率普遍比较低。这些问题在国内外都广泛存在。

发明内容