[发明专利]一种番石榴采摘机器人及其实现方法

权利要求书

1.一种番石榴采摘机器人，其特征在于：包括拉拧式末端执行器、3D视觉模块、六自由度机器人、收集机构、无人田间移动小车、220v蓄电池组；所述拉拧式末端执行器，包括连接机构、旋转机构和夹持机构；连接机构由法兰盘、铝型材和梯形固定座组成，法兰盘用于连接铝型材和六自由度机器人，铝型材的前端固定有梯形固定座；旋转机构由减速电机和L形板组成，L形板固定于梯形固定座上，L形板固定有减速电机，其作用是旋转夹持机构以拧动番石榴，促使番石榴与果枝分离；夹持机构由联轴器、舵机和拟人爪组成，舵机通过联轴器与旋转机构的减速电机刚性连接，拟人爪呈圆弧状，底端具有不完全齿轮，2个拟人爪的不完全齿轮呈啮合状，舵机用于驱动不完全齿轮运动，从而使拟人爪由张开状态运动至闭合状态，实现夹持目的。

2.根据权利要求1所述的番石榴采摘机器人，其特征在于：所述3D视觉模块包括Kinect2相机、相机固定架和笔记本电脑；相机固定架由传感器安装座、铝型材和锥形座组成；锥形座固定于无人田间移动小车上，锥形座的上方固定有铝型材；传感器安装座固定于铝型材上，传感器安装座的上方固定有Kinect2相机；笔记本电脑放置在无人田间移动小车上，用于运行识别定位程序，通过串口与六自由度机器人进行通信；Kinect 2和笔记本电脑由220v蓄电池组供电。

3.根据权利要求1所述的番石榴采摘机器人，其特征在于：所述六自由度机器人通过螺钉、螺母固定于无人田间移动小车的中部，由220v蓄电池组供电。

4.根据权利要求1所述的番石榴采摘机器人，其特征在于：所述收集机构包括锥形座、铝型材、软管固定座、软管和收集槽；锥形座通过螺钉、螺母固定在无人田间移动小车上，锥形座的上方固定有铝型材；软管固定座通过梯形螺母、螺钉固定于铝型材上；软管一端连接软管固定座，另一端连接收集槽；收集槽固定于无人田间小车上，用于收纳果实。

5.根据权利要求1所述的番石榴采摘机器人，其特征在于：所述无人田间移动小车包括4个车轮、4台驱动电机、上支撑板、下支撑板和支撑柱；车轮与驱动电机刚性连接；驱动电机固定在下支撑板上，可实现无人田间移动小车的行走和转向；支撑柱安装在上支撑板和下支撑板的中间，形成一定空间，用于放置220v蓄电池组；上支撑板用于固定六自由度机器人、Kinect2相机锥形座、软管锥形座、收集槽和笔记本电脑。

6.一种番石榴采摘机器人的实现方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)采用Kinect2相机采集图像，应用3D视觉模块识别番石榴，计算番石榴的中心坐标和半径值；再用3D视觉模块的坐标转换功能，将Kinect2相机坐标系下的三维坐标转换为机器人用户坐标系下的空间坐标值，得到番石榴的空间坐标值，并通过串口将数据传输给六自由度机器人；

所述3D视觉模块，采用下述识别定位步骤：

a.应用Kinect2相机采集RGB和深度图像：由于RGB图像分辨率为1920*1080，深度图像为512*424，需利用Kinect2相机的RGB和相机的内参数矩阵和外参数矩阵对RGB和深度图像进行对齐，使RGB图像分辨率调整为512*424；

b.应用Faster RCNN深度卷积神经网络从RGB图像中检测番石榴；

c.利用深度图像和Kinect2相机内参数，通过透视投影变换方法计算番石榴的三维点云；因番石榴呈球形，应用随机抽样一致性算法从三维点云中检测球体，以球体的中心坐标为番石榴的三维位置，以球体的半径值为番石榴半径值；

(2)根据所获得的番石榴的空间坐标值，六自由度机器人控制拉拧式末端执行器运动至番石榴处；

(3)根据所获得的番石榴的半径值，六自由度机器人控制拉拧式末端执行器的拟人爪由张开状态缓慢闭合直至番石榴被包裹住；然后，拉拧式末端执行器的减速电机控制拟人爪旋转，同时六自由度机器人使拉拧式末端执行器后退一定距离，产生拉、拧效果，实现番石榴与果枝的分离；

(4)六自由度机器人控制拉拧式末端执行器运动至软管开口上方，拉拧式末端执行器的拟人爪张开，番石榴通过软管滑落到收集槽中；动作结束后，六自由度机器人复位，开始下一下采摘动作。

7.根据权利要求6所述的番石榴采摘机器人的实现方法，其特征在于：Kinect2相机坐标系下的三维坐标转换为机器人用户坐标系下的空间坐标值，转换过程采用下述步骤：

(1)通过示教盒将机器人用户坐标系设定在平面棋盘格标定板上；

(2)使用Kinect2相机采集棋盘格标定板图像，提取角点，通过解PnP问题，得到Kinect2相机坐标系与六自由度机器人用户坐标系的旋转、平移矩阵；

(3)对三维坐标进行平移和旋转变换，可实现坐标转换。