多关节精准定位红花采收机械臂及采收方法
阅读说明：本技术 多关节精准定位红花采收机械臂及采收方法 (Multi-joint accurate positioning safflower harvesting mechanical arm and harvesting method ) 是由 张振国 邢振宇 赵敏义 杨双平 韩长杰 郭俊先 张学军 郭全峰 于 2021-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多关节精准定位红花采收机械臂及采收方法。机械臂包括双目视觉识别系统、垂直升降机构、多关节连接模块、电机驱动装置、花丝采收机构和负压采集机构；多关节连接模块包括中间连接块、前端连接块和后端连接块；后端连接块与垂直升降机构的顶端固接；双目视觉识别系统用于采集红花花丝图像；电机驱动装置能够分别驱动多关节连接模块的前端连接块和各中间连接块在水平面内以一定角度移动,达到所需位置；花丝采收机构包括软体仿形手爪、切割装置、电动推杆和采收箱。本发明实现了双目视觉识别系统识别红花与花丝采收机构定位红花,软体仿形手爪准确夹取喂入,保护果实夹取更稳定,刀组从花丝根部切割,降低了花丝破碎率。(The invention relates to a multi-joint accurate positioning safflower harvesting mechanical arm and a harvesting method. The mechanical arm comprises a binocular vision recognition system, a vertical lifting mechanism, a multi-joint connection module, a motor driving device, a filament harvesting mechanism and a negative pressure collecting mechanism; the multi-joint connecting module comprises a middle connecting block, a front end connecting block and a rear end connecting block; the rear end connecting block is fixedly connected with the top end of the vertical lifting mechanism; the binocular vision recognition system is used for acquiring a safflower filament image; the motor driving device can respectively drive the front end connecting blocks and the middle connecting blocks of the multi-joint connecting module to move in a horizontal plane at a certain angle to reach a required position; the filament harvesting mechanism comprises a soft copying paw, a cutting device, an electric push rod and a harvesting box. The invention realizes that the binocular vision recognition system recognizes the safflower and the filament harvesting mechanism to position the safflower, the soft profiling paw is accurately clamped and fed, fruit clamping is more stable, the cutter set cuts from the root of the filament, and the filament breakage rate is reduced.)
技术领域
本发明属于农业机械领域，涉及一种多关节精准定位红花采收机械臂及采收方法。
背景技术
红花花叶上有很多硬刺，采收工人无法长时间连续采摘，人工采收效率很低，汗液也会不同程度污染红花，降低红花品质，且红花种植模式相对粗放、密集无序，难以快速定位，不精准识别定位花丝，易造成无法完整采收花丝。
目前红花采收机械的对花过程仍依靠人工，现有的红花采摘机器人多采用仿红花植株形状或者梳齿式进行红花采收，存在识别定位不准确的问题，花丝采集率低；红花采摘机器人的采摘机械臂多为有限个关节臂组成，可调整自由度不高，无法实现快速精准对花的目的。因此，亟待设计一种空间自由度高、可实现快速定位的采收机械臂，以减少花丝破损率、提高花丝采集率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种多关节精准定位红花采收机械臂及采收方法，运用双目视觉系统精确识别定位，在空间范围多自由度调整，准确地定位花丝，实现花丝的精准切割，降低花丝破碎率，提高花丝采收率。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种多关节精准定位红花采收机械臂，包括双目视觉识别系统1、垂直升降机构2、多关节连接模块3、电机驱动装置4、花丝采收机构5和负压采集机构6。
所述多关节连接模块3包括中间连接块3-1、前端连接块3-2和后端连接块3-3；前端连接块3-2、多个中间连接块3-1、后端连接块3-3首尾依次衔接；所述后端连接块3-3与垂直升降机构2的顶端固接，垂直升降机构2的底端固接在采收机上；所述双目视觉识别系统1固接在前端连接块体3-2-1的前端面上，用于采集红花花丝图像；所述电机驱动装置4能够分别驱动多关节连接模块3的前端连接块3-2和各中间连接块3-1在水平面内以一定角度移动，达到所需位置。
所述中间连接块3-1包括中间连接块体3-1-1、中间左转向齿轮3-1-2、中间蜗杆3-1-3和中间右转向齿轮3-1-4；其中，所述中间连接块体3-1-1的前端面上部和下部分别设有中间连接齿轮3-1-1-3和中间连接底板3-1-1-4，后端面的中部设有中间连接凸台3-1-1-2；所述中间连接齿轮3-1-1-3与中间连接底板3-1-1-4之间间隔一定距离，中间连接齿轮3-1-1-3的下表面、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面构成一个容纳空间，所述空间的高度和深度能够容纳其前方的中间连接块体3-1-1的中间连接凸台3-1-1-2；所述中间连接凸台3-1-1-2、中间连接齿轮3-1-1-3和中间连接底板3-1-1-4均呈半圆形；所述中间连接块体3-1-1的左右两侧下部和中间连接底板3-1-1-4的左右两侧分别设有一中间移动滑槽3-1-1-1；所述中间蜗杆3-1-3水平地设置在中间连接块体3-1-1的后端面上部，中间蜗杆3-1-3的转轴的两端分别从中间连接块体3-1-1的左端面和右端面穿出，并分别与中间左转向齿轮3-1-2和中间右转向齿轮3-1-4固接。
多个中间连接块3-1相互连接时，前一个中间连接块3-1的中间连接凸台3-1-1-2插入由后一个中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面所构成的容纳空间内，所述插入的中间连接凸台3-1-1-2与其上方和下方的中间连接齿轮3-1-1-3以及中间连接底板3-1-1-4通过一竖直连接轴相互铰接，且前一个中间连接块3-1上的蜗杆3-1-3与后一个中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3相互啮合。
相邻的两个中间连接块3-1的纵轴线重合时，两个中间连接块3-1的中间移动滑槽3-1-1-1相互连通。
所述前端连接块3-2包括前端连接块体3-2-1、前端左转向齿轮3-2-2、前端蜗杆3-2-3和前端右转向齿轮3-2-4；其中，所述前端连接块体3-2-1后端面的中部设有与中间连接凸台3-1-1-2结构相同的前端连接凸台3-2-1-2；所述前端连接块体3-2-1的左右两侧下部分别设有一前端移动滑槽3-2-1-1；所述前端蜗杆3-2-3水平地设置在前端连接块体3-2-1的后端面上部，前端蜗杆3-2-3的转轴的两端分别从前端连接块体3-2-1的左端面和右端面穿出，并分别与前端左转向齿轮3-2-2和前端右转向齿轮3-2-4固接。
前端连接块3-2与中间连接块3-1连接时，前端连接块3-2的前端连接凸台3-2-1-2插入由中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面所构成的容纳空间内，前端连接凸台3-2-1-2与中间连接齿轮3-1-1-3以及中间连接底板3-1-1-4通过一竖直连接轴相互铰接，且前端连接块3-2上的前端蜗杆3-2-3与中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3相互啮合。
所述前端连接块3-2的纵轴线与其连接的中间连接块3-1的纵轴线重合时，前端连接块3-2的前端移动滑槽3-2-1-1与中间连接块3-1的中间移动滑槽3-1-1-1相互连通。
所述后端连接块3-3的前端面上部和下部分别设有后端连接齿轮3-3-2和后端连接底板3-3-3，所述后端连接齿轮3-3-2与后端连接底板3-3-3之间间隔一定距离，后端连接齿轮3-3-2的下表面、后端连接块3-3的前端面以及后端连接底板3-3-3的上表面构成一个容纳空间，所述空间的高度和深度能够容纳其前方的中间连接块体3-1-1的中间连接凸台3-1-1-2；所述后端连接块3-3的下端面设有与垂直升降机构2螺纹连接的安装孔3-3-1。
后端连接块3-3与中间连接块3-1连接时，中间连接块3-1的中间连接凸台3-1-1-2插入后端连接块3-3的由后端连接齿轮3-3-2、后端连接块3-3的前端面以及后端连接底板3-3-3的上表面所构成的容纳空间内，所述插入的中间连接凸台3-1-1-2与后端连接齿轮3-3-2以及后端连接底板3-3-3通过一竖直连接轴相互铰接，且中间连接块3-1上的中间蜗杆3-1-3与后端连接块3-3的后端连接齿轮3-3-2相互啮合。
所述电机驱动装置4包括移动驱动架4-1、转向驱动机构4-2和移动驱动机构4-3。
所述移动驱动架4-1套设在多关节连接模块3的外侧，移动驱动架4-1包括水平设置的上平板4-1-1和下平板4-1-2，以及固接在上平板4-1-1与下平板4-1-2之间的左立柱4-1-3和右立柱4-1-4；所述左立柱4-1-3和右立柱4-1-4分别位于上平板4-1-1和下平板4-1-2后部的左右两侧。
所述转向驱动机构4-2包括转向驱动轴4-2-1、左转向拨轮4-2-2、右转向拨轮4-2-3和转向电机4-2-4；所述转向驱动轴4-2-1的两端分别安装在左立柱4-1-3和右立柱4-1-4上；所述转向电机4-2-4的动力输出轴与转向驱动轴4-2-1固接；所述左转向拨轮4-2-2和右转向拨轮4-2-3分别固接在转向驱动轴4-2-1上，并分别能够与中间左转向齿轮3-1-2和中间右转向齿轮3-1-4，以及前端左转向齿轮3-2-2和前端右转向齿轮3-2-4啮合。
所述移动驱动机构4-3包括移动驱动电机4-3-1、主动齿轮4-3-2、从动齿轮4-3-3和滚轮4-3-4；所述下平板4-1-2的上表面的左右两侧分别布置一组主动齿轮4-3-2、从动齿轮4-3-3和滚轮4-3-4；所述滚轮4-3-4与从动齿轮4-3-3同轴设置，从动齿轮4-3-3与主动齿轮4-3-2相互啮合；所述移动驱动电机4-3-1的动力输出轴与主动齿轮4-3-2连接。
两个滚轮4-3-4能够分别在前端连接块3-2左右两侧的前端移动滑槽3-2-1-1内和中间连接块3-1左右两侧的中间移动滑槽3-1-1-1内自由滑动。
所述花丝采收机构5包括软体仿形手爪5-1、切割装置5-2、电动推杆5-3和采收箱5-4。
所述软体仿形手爪5-1包括多个呈中心对称布置的软体手指；所述软体手指包括软体指板5-1-1和骨架5-1-4；两个软体指板5-1-1的顶端分别通过一连接环5-1-3与骨架5-1-4的左右两端铰接；两个软体指板5-1-1的底端相互连接并设有圆弧形夹持口5-1-5，用于容纳果球底部的红花花柄；两个软体指板5-1-1之间设有多个软体横梁5-1-2。
初始状态时，两个软体指板5-1-1和骨架5-1-4构成等腰三角形结构。
所述切割装置5-2包括切割盘5-2-1、双刃切割刀组5-2-2和切割电机5-2-4；所述切割盘5-2-1的中心设有进花口5-2-3；所述双刃切割刀组5-2-2设置于进花口5-2-3处，通过切割电机5-2-4可控地切割红花花丝。
所述采收箱5-4的底板上设有与进花口5-2-3相对应的对花口5-4-1；所述采收箱5-4的侧板内壁上设有用于检测由对花口5-4-1进入的红花花丝的激光对射装置5-4-2；所述采收箱5-4的侧板外壁上设有与负压采集机构6连接的收花口5-4-3。
所述采收箱5-4固接在移动驱动架4-1的下平板4-1-2的下表面与切割盘5-2-1的上表面之间，采收箱5-4的对花口5-4-1与切割盘5-2-1的进花口5-2-3相对应；多个软体手指以切割盘5-2-1的圆心呈中心对称布置，每个软体手指的骨架5-1-4的上表面的左右两侧分别与切割盘5-2-1的下表面边缘处和一竖直布置的电动推杆5-3的伸缩杆端铰接；所述电动推杆5-3的缸体端铰接在采收箱5-4的侧板外壁上的固定梁5-4-4上。
所述负压采集机构6包括花丝收集管6-1、花丝收集箱6-2和负压风机6-4。
所述花丝收集管6-1的两端分别与采收箱5-4的收花口5-4-3和花丝收集箱6-2连通；所述花丝收集箱6-2固接在移动驱动架4-1的上平板4-1-1上，所述负压风机6-4安装在花丝收集箱6-2上。
所述垂直升降机构2的油缸设有磁致伸缩位移传感器，调节精度为微米级。
初始状态时，所述软体指板5-1-1的夹持口5-1-5的两个指板之间的夹角β为28°～32°，相邻软体横梁5-1-2之间的间隔距离H0为8～10mm。
所述软体横梁5-1-2的上表面中部设有凸起。
所述移动驱动架4-1的长度a2为中间连接块3-1的长度a1的0.5～0.6倍；移动驱动架4-1的宽度b2为中间连接块3-1的左右两侧转向齿轮的间距b1的1.8～2倍；移动驱动架4-1的高度c2为中间连接块3-1高度c1的1.6～1.8倍。
所述双刃切割刀组5-2-2包括左“L”形连接板5-2-2-1、左移动齿头连接板5-2-2-2、左刀片5-2-2-3、上卡槽5-2-2-4、右刀片5-2-2-5、右移动齿头连接板5-2-2-6、右“L”形连接板5-2-2-7、下卡槽5-2-2-8和弹簧5-2-2-9。
所述上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8相互平行地固接在切割盘5-2-1上，上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8均为双层槽，包括第一层槽和第二层槽；所述左刀片5-2-2-3设置在上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8的第一层槽中，并能够在第一层槽中自由滑动；所述右刀片5-2-2-5设置在上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8的第二层槽中，并能够在第二层槽中自由滑动；所述左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀刃端相向设置，左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀刃均呈半椭圆形曲线；非切割状态时，左刀片5-2-2-3的刀刃与右刀片5-2-2-5的刀刃构成一与进花口5-2-3相对应的圆形切割口；切割花丝时，左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5相向运动并相互重叠，直至完全封闭进花口5-2-3。
所述左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7均包括相互连接并互成一定角度的刀片连接部和驱动部；左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与驱动部的连接处和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与驱动部的连接处均通过螺柱铰接在切割盘5-2-1上；左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与左刀片5-2-2-3铰接，右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与右刀片5-2-2-5铰接，且左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部相互平行；左“L”形连接板5-2-2-1的驱动部与右“L”形连接板5-2-2-7的驱动部分别通过摆动件与切割电机5-2-4连接。
所述左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6均平行于左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部；左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6的齿头端的轮齿相互啮合；左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6的齿头端均通过螺柱铰接在切割盘5-2-1上，另一端分别铰接在左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5上；所述弹簧5-2-2-9固接在左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6之间。
所述左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀片刃角Δλ为17°～20°。
所述左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与驱动部之间的夹角θ为118°～120°。
所述多关节精准定位红花采收机械臂进一步包括控制器7，所述控制器7固接在后端连接块3-3上；所述控制器7分别与双目视觉识别系统1、垂直升降机构2、移动驱动电机4-3-1、转向电机4-2-4、电动推杆5-3、激光对射装置5-4-2、切割电机5-2-4和负压风机6-4连接，监测激光对射装置5-4-2的状态，控制垂直升降机构2、移动驱动电机4-3-1、转向电机4-2-4、电动推杆5-3、切割电机5-2-4和负压风机6-4的启停。
一种多关节精准定位红花采收方法，包括以下步骤：
S1、红花花丝图像采集；
采收机械臂处于初始状态：垂直升降机构2处于初始最高位置；多关节连接模块3未发生偏转，保持直线状态，位于红花植株的上方；电机驱动装置4处于初始位置，位于后端连接块3-3的前一个中间连接块3-1上；花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1呈等腰三角形，保持竖直张开；
开始工作时，双目视觉识别系统1对红花植株进行拍摄，获取红花花丝图像并传输至控制器7；
S2、最优路径规划；
控制器7对红花花丝图像进行处理，标注图像中所有目标花丝的轮廓，进行圆形拟合，形成最小圆形区域，并识别最小圆形区域内目标红花花丝的三维位置信息；所述三维位置信息为最小圆形区域的圆心坐标O(x,y,z)；控制器7将所有目标红花花丝的圆心坐标的三维坐标参数x、y、z数值按照由小到大依次排序，获得采摘次序；并根据采摘次序规划最优采摘路径；
S3、花丝采收机构定位；
控制器7根据最优采摘路径和目标红花花丝的三维位置信息，向电机驱动装置4和垂直升降机构2发出控制指令；电机驱动装置4根据目标红花花丝的水平坐标(x,y)移动至多关节连接模块3的相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2上，并驱动相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2偏转至目标红花花丝的正上方，使得花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1的中心水平坐标与目标红花花丝的水平坐标(x,y)重合；
垂直升降机构2根据目标红花花丝的坐标参数z调整高度，使目标红花花丝及其果球位于花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1内；
S4、花丝切割收集；
控制器7向电动推杆5-3发出控制指令，电动推杆5-3伸展，带动软体仿形爪手5-1向红花花丝及其果球方向进行包裹，软体仿形手爪5-1的夹持口5-1-5夹紧红花果球底部的花柄，调整红花花丝及其果球的姿态，使软体仿形手爪5-1内侧紧密贴合红花果球外形，并使红花花丝由对花口5-4-1进入采收箱5-4内；
激光对射装置5-4-2的光源被进入的红花花丝阻断，切割电机5-2-4根据激光对射装置5-4-2发射的状态信号驱动双刃切割刀组5-2-2切割红花花丝；红花花丝在负压采集系统6的负压风机6-4的作用下，被吸入花丝收集管6-1，最终收集至花丝收集箱6-2；完成一个目标红花花丝采收后，花丝采收机构5和垂直升降机构2复位，重复步骤S3～S4，直至完成所有目标红花花丝采收。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、多关节连接模块3由若干个中间连接块3-1组装而成，可有效调整采收机械臂的采收长度和角度。根据红花植株的生长特性，通过调节多关节连接模块3的中间连接块3-1的数量，调整采收机械臂的采收长度和角度，实现不同距离红花花丝的采收，提高了红花花丝采收效率。
2、采用转向拨轮和转向齿轮可在空间范围多自由度调整。根据红花的种植模式相对粗放和密集无序，通过转向拨轮的转动带动转向齿轮正反转动，继而带动连接齿轮3-1-1-3与中间蜗杆3-1-3啮合传动，实现中间连接块3-1多次的多角度微小调整，直至调整到目标红花，使得机构多次平稳转动，实现红花花丝精准对花，提高了花丝采收成功率。
3、采用双滚轮4-3-4有利于快速的精准定位红花。电机驱动装置4设置左右两个滚轮4-3-4，均嵌入中间连接块3-1左右两侧中间移动滑槽3-1-1-1中，在移动驱动电机4-3带动下实现中间移动滑槽3-1-1-1中的前后往复运动，在水平中间移动滑槽3-1-1-1上移动更平稳、更精确，实现红花精准定位。
4、软体仿形手爪5-1具有仿形能力，包裹更严谨。通过初始状态为等腰三角形的竖直软体仿形手爪5-1向红花花丝方向进行包裹，内侧紧密贴合果球外形发生变形，使得包裹更严密，软体仿形手爪5-1底部夹持口5-1-5夹紧红花花柄与果球底部，通过对花口5-4-1喂入的红花花丝，等待切割，使得花丝进入更充分，减少红花花丝与其他装置的触碰，降低了花丝破碎率。
5、设计“L”形连接板便于转动打开双刃切割刀组5-2-2，花丝完整进入。左“L”形连接板5-2-2-1与右“L”形连接板5-2-2-7采用“L”形设计，在电机控制下实现左“L”形连接板5-2-2-1与右“L”形连接板5-2-2-7往复的转动，实现了左刀片5-2-2-3与右刀片5-2-2-5的开闭，保证了花丝完整进入及切割的完整率。
6、双刃切割刀组5-2-2包括左刀片5-2-2-3与右刀片5-2-2-5；左刀片5-2-2-3与右刀片5-2-2-5为双刃切割刀，相互之间重叠交叉，通过电机控制左刀片5-2-2-3与右刀片5-2-2-5的开闭，实现滑移转动，从花丝根部切割，使花丝切割更充分，降低了花丝破碎率。
附图说明
图1为本发明的多关节精准定位红花采收机械臂的结构示意图；
图2为本发明中的多关节连接模块3的结构示意图；
图3为本发明中的中间连接块3-1的结构示意图；
图4为本发明中的中间连接块体3-1-1的结构示意图；
图5为本发明中的前端连接块3-2的结构示意图；
图6为本发明中的前端连接块体3-2-1的结构示意图；
图7为本发明中的后端连接块3-3的结构示意图；
图8为本发明中的电机驱动装置4的结构示意图；
图9为本发明中的移动驱动架4-1的结构示意图；
图10为本发明中的转向驱动机构4-2的结构示意图；
图11为本发明中的多关节连接模块3与电机驱动装置4的安装结构示意图；
图12为本发明中的移动驱动机构4-3的结构示意图；
图13为本发明中的花丝采收机构5的结构示意图；
图14为本发明中的花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1放入初始状态结构示意图；
图15为本发明中的花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1的初始状态剖视结构示意图；
图16为本发明中的切割装置5-2的结构示意图；
图17为本发明中的采收箱5-4的结构示意图；
图18为本发明中的负压采集机构6的结构示意图；
图19a为本发明中的中间连接块3-1与电机驱动装置4主视结构示意图；
图19b为本发明中的中间连接块3-1与电机驱动装置4俯视结构示意图；
图20a为本发明中的花丝采收机构5双刃切割刀组5-2-2的闭合状态结构示意图；
图20b为本发明中的花丝采收机构5双刃切割刀组5-2-2的敞开状态结构示意图；
图21为本发明中的切割装置5-2右“L”形连接板5-2-2-7俯视结构示意图；
图22为本发明中的切割装置5-2左右两侧移动齿头连接板安装结构示意图；
图23为本发明中的切割装置5-2的左刀片5-2-2-3剖视结构示意图；
图24为本发明中的多关节精准定位红花采收机械臂转动结构示意图；
图25为本发明中的多关节精准定位红花采收机械臂的控制方法流程图。
其中的附图标记为：
1双目视觉识别系统 2垂直升降机构
3多关节连接模块 3-1中间连接块
3-1-1中间连接块体 3-1-1-1中间移动滑槽
3-1-1-2中间连接凸台 3-1-1-3中间连接齿轮
3-1-1-4中间连接底板 3-1-2中间左转向齿轮
3-1-3中间蜗杆 3-1-4中间右转向齿轮
3-2前端连接块 3-2-1前端连接块体
3-2-1-1前端移动滑槽 3-2-1-2前端连接凸台
3-2-2前端左转向齿轮 3-2-3前端蜗杆
3-2-4前端右转向齿轮 3-3后端连接块
3-3-1安装孔 3-3-2后端连接齿轮
3-3-3后端连接底板 4电机驱动装置
4-1移动驱动架 4-1-1上平板
4-1-2下平板 4-1-3左立柱
4-1-4右立柱 4-2转向驱动机构
4-2-1转向驱动轴 4-2-2左转向拨轮
4-2-3右转向拨轮 4-2-4转向电机
4-3移动驱动机构 4-3-1移动驱动电机
4-3-2主动齿轮 4-3-3从动齿轮
4-3-4滚轮 5花丝采收机构
5-1软体仿形手爪 5-1-1软体指板
5-1-2软体横梁 5-1-3连接环
5-1-4骨架 5-1-5夹持口
5-2切割装置 5-2-1切割盘
5-2-2双刃切割刀组 5-2-2-1左“L”形连接板
5-2-2-2左移动齿头连接板 5-2-2-3左刀片
5-2-2-4上卡槽 5-2-2-5右刀片
5-2-2-6右移动齿头连接板 5-2-2-7右“L”形连接板
5-2-2-8下卡槽 5-2-2-9弹簧
5-2-3进花口 5-2-4切割电机
5-3电动推杆 5-4采收箱
5-4-1对花口 5-4-2激光对射装置
5-4-3收花口 5-4-4固定梁
6负压采集机构 6-1花丝收集管
6-2花丝收集箱 6-3抽拉盖
6-4负压风机 7控制器
F红花果球 H0软体横梁间隔长度
β两个指板之间的夹角 a1中间连接块长度
a2移动驱动架长度 b1中间连接块两侧转向齿轮间距
b2移动驱动架宽度 c1中间连接块高度
c2移动驱动架高度 Δλ刀片刃角
θ刀片连接部与驱动部之间的夹角
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种多关节精准定位红花采收机械臂，包括双目视觉识别系统1、垂直升降机构2、多关节连接模块3、电机驱动装置4、花丝采收机构5、负压采集机构6和控制器7。
如图2所示，所述多关节连接模块3包括中间连接块3-1、前端连接块3-2和后端连接块3-3；前端连接块3-2、多个中间连接块3-1、后端连接块3-3首尾依次衔接；所述后端连接块3-3与垂直升降机构2的顶端固接，垂直升降机构2的底端固接在采收机上；所述双目视觉识别系统1固接在前端连接块体3-2-1的前端面上，用于采集红花花丝图像；所述电机驱动装置4能够分别驱动多关节连接模块3的前端连接块3-2和各中间连接块3-1在水平面内以一定角度移动，达到所需位置；所述控制器7固接在后端连接块3-3上。
优选地，所述垂直升降机构2的油缸设有磁致伸缩位移传感器，调节精度为微米级。
如图3和图4所示，所述中间连接块3-1包括中间连接块体3-1-1、中间左转向齿轮3-1-2、中间蜗杆3-1-3和中间右转向齿轮3-1-4；其中，所述中间连接块体3-1-1的前端面上部和下部分别设有中间连接齿轮3-1-1-3和中间连接底板3-1-1-4，后端面的中部设有中间连接凸台3-1-1-2；所述中间连接齿轮3-1-1-3与中间连接底板3-1-1-4之间间隔一定距离，中间连接齿轮3-1-1-3的下表面、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面构成一个容纳空间，所述空间的高度和深度能够容纳其前方的中间连接块体3-1-1的中间连接凸台3-1-1-2。所述中间连接凸台3-1-1-2、中间连接齿轮3-1-1-3和中间连接底板3-1-1-4均呈半圆形。所述中间连接块体3-1-1的左右两侧下部和中间连接底板3-1-1-4的左右两侧分别设有一中间移动滑槽3-1-1-1。所述中间蜗杆3-1-3水平地设置在中间连接块体3-1-1的后端面上部，中间蜗杆3-1-3的转轴的两端分别从中间连接块体3-1-1的左端面和右端面穿出，并分别与中间左转向齿轮3-1-2和中间右转向齿轮3-1-4固接。
多个中间连接块3-1相互连接时，前一个中间连接块3-1的中间连接凸台3-1-1-2插入由后一个中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面所构成的容纳空间内，所述插入的中间连接凸台3-1-1-2与其上方和下方的中间连接齿轮3-1-1-3以及中间连接底板3-1-1-4通过一竖直连接轴相互铰接，且前一个中间连接块3-1上的蜗杆3-1-3与后一个中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3相互啮合。
相邻的两个中间连接块3-1的纵轴线重合时，两个中间连接块3-1的中间移动滑槽3-1-1-1相互连通。
如图5和图6所示，所述前端连接块3-2包括前端连接块体3-2-1、前端左转向齿轮3-2-2、前端蜗杆3-2-3和前端右转向齿轮3-2-4；其中，所述前端连接块体3-2-1后端面的中部设有与中间连接凸台3-1-1-2结构相同的前端连接凸台3-2-1-2；所述前端连接块体3-2-1的左右两侧下部分别设有一前端移动滑槽3-2-1-1；所述前端蜗杆3-2-3水平地设置在前端连接块体3-2-1的后端面上部，前端蜗杆3-2-3的转轴的两端分别从前端连接块体3-2-1的左端面和右端面穿出，并分别与前端左转向齿轮3-2-2和前端右转向齿轮3-2-4固接。所述双目视觉识别系统1固接在前端连接块体3-2-1的前端面上。
前端连接块3-2与中间连接块3-1连接时，前端连接块3-2的前端连接凸台3-2-1-2插入由中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3、中间连接块体3-1-1的前端面以及中间连接底板3-1-1-4的上表面所构成的容纳空间内，前端连接凸台3-2-1-2与中间连接齿轮3-1-1-3以及中间连接底板3-1-1-4通过一竖直连接轴相互铰接，且前端连接块3-2上的前端蜗杆3-2-3与中间连接块3-1的中间连接齿轮3-1-1-3相互啮合。
所述前端连接块3-2的纵轴线与其连接的中间连接块3-1的纵轴线重合时，前端连接块3-2的前端移动滑槽3-2-1-1与中间连接块3-1的中间移动滑槽3-1-1-1相互连通。
如图7所示，所述后端连接块3-3的前端面上部和下部分别设有后端连接齿轮3-3-2和后端连接底板3-3-3，所述后端连接齿轮3-3-2与后端连接底板3-3-3之间间隔一定距离，后端连接齿轮3-3-2的下表面、后端连接块3-3的前端面以及后端连接底板3-3-3的上表面构成一个容纳空间，所述空间的高度和深度能够容纳其前方的中间连接块体3-1-1的中间连接凸台3-1-1-2。所述后端连接块3-3的下端面设有与垂直升降机构2螺纹连接的安装孔3-3-1。
后端连接块3-3与中间连接块3-1连接时，中间连接块3-1的中间连接凸台3-1-1-2插入后端连接块3-3的由后端连接齿轮3-3-2、后端连接块3-3的前端面以及后端连接底板3-3-3的上表面所构成的容纳空间内，所述插入的中间连接凸台3-1-1-2与后端连接齿轮3-3-2以及后端连接底板3-3-3通过一竖直连接轴相互铰接，且中间连接块3-1上的中间蜗杆3-1-3与后端连接块3-3的后端连接齿轮3-3-2相互啮合。
如图8所示，所述电机驱动装置4包括移动驱动架4-1、转向驱动机构4-2和移动驱动机构4-3。
如图9所示，所述移动驱动架4-1套设在多关节连接模块3的外侧，移动驱动架4-1包括水平设置的上平板4-1-1和下平板4-1-2，以及固接在上平板4-1-1与下平板4-1-2之间的左立柱4-1-3和右立柱4-1-4；所述左立柱4-1-3和右立柱4-1-4分别位于上平板4-1-1和下平板4-1-2后部的左右两侧。
如图10所示，所述转向驱动机构4-2包括转向驱动轴4-2-1、左转向拨轮4-2-2、右转向拨轮4-2-3和转向电机4-2-4。所述转向驱动轴4-2-1的两端分别安装在左立柱4-1-3和右立柱4-1-4上；所述转向电机4-2-4的动力输出轴与转向驱动轴4-2-1固接；所述左转向拨轮4-2-2和右转向拨轮4-2-3分别固接在转向驱动轴4-2-1上，并分别能够与中间左转向齿轮3-1-2和中间右转向齿轮3-1-4，以及前端左转向齿轮3-2-2和前端右转向齿轮3-2-4啮合，如图11所示。
如图12所示，所述移动驱动机构4-3包括移动驱动电机4-3-1、主动齿轮4-3-2、从动齿轮4-3-3和滚轮4-3-4。所述下平板4-1-2的上表面的左右两侧分别布置一组主动齿轮4-3-2、从动齿轮4-3-3和滚轮4-3-4；所述滚轮4-3-4与从动齿轮4-3-3同轴设置，从动齿轮4-3-3与主动齿轮4-3-2相互啮合；所述移动驱动电机4-3-1的动力输出轴与主动齿轮4-3-2连接。
两个滚轮4-3-4能够分别在前端连接块3-2左右两侧的前端移动滑槽3-2-1-1内和中间连接块3-1左右两侧的中间移动滑槽3-1-1-1内自由滑动。
如图13所示，所述花丝采收机构5包括软体仿形手爪5-1、切割装置5-2、电动推杆5-3和采收箱5-4。
如图14所示，所述软体仿形手爪5-1包括多个呈中心对称布置的软体手指，用于夹持红花果球F；所述软体手指包括软体指板5-1-1和骨架5-1-4；两个软体指板5-1-1的顶端分别通过一连接环5-1-3与骨架5-1-4的左右两端铰接。两个软体指板5-1-1的底端相互连接并设有圆弧形夹持口5-1-5，用于容纳果球底部的红花花柄。两个软体指板5-1-1之间设有多个软体横梁5-1-2。优选地，所述软体横梁5-1-2的上表面中部设有凸起，用于增加软体仿形手爪的变形拉伸力度。
如图15所示，初始状态时，两个软体指板5-1-1和骨架5-1-4构成等腰三角形结构，软体指板5-1-1的夹持口5-1-5的两个指板之间的夹角β为28°～32°，相邻软体横梁5-1-2之间的间隔距离H0为8～10mm。
如图16所示，所述切割装置5-2包括切割盘5-2-1、双刃切割刀组5-2-2和切割电机5-2-4；所述切割盘5-2-1的中心设有进花口5-2-3；所述双刃切割刀组5-2-2设置于进花口5-2-3处，通过切割电机5-2-4可控地切割红花花丝。
如图17所示，所述采收箱5-4的底板上设有与进花口5-2-3相对应的对花口5-4-1；所述采收箱5-4的侧板内壁上设有用于检测由对花口5-4-1进入的红花花丝的激光对射装置5-4-2；所述采收箱5-4的侧板外壁上设有与负压采集机构6连接的收花口5-4-3。
所述采收箱5-4固接在移动驱动架4-1的下平板4-1-2的下表面与切割盘5-2-1的上表面之间，采收箱5-4的对花口5-4-1与切割盘5-2-1的进花口5-2-3相对应；多个软体手指以切割盘5-2-1的圆心呈中心对称布置，每个软体手指的骨架5-1-4的上表面的左右两侧分别与切割盘5-2-1的下表面边缘处和一竖直布置的电动推杆5-3的伸缩杆端铰接；所述电动推杆5-3的缸体端铰接在采收箱5-4的侧板外壁上的固定梁5-4-4上。
如图18所示，所述负压采集机构6包括花丝收集管6-1、花丝收集箱6-2和负压风机6-4。
所述花丝收集管6-1的两端分别与采收箱5-4的收花口5-4-3和花丝收集箱6-2连通；所述花丝收集箱6-2固接在移动驱动架4-1的上平板4-1-1上，所述负压风机6-4安装在花丝收集箱6-2上。所述花丝收集箱6-2的顶部设有抽拉盖6-3。
所述控制器7分别与双目视觉识别系统1、垂直升降机构2、移动驱动电机4-3-1、转向电机4-2-4、电动推杆5-3、激光对射装置5-4-2、切割电机5-2-4和负压风机6-4连接，监测激光对射装置5-4-2的状态，控制垂直升降机构2、移动驱动电机4-3-1、转向电机4-2-4、电动推杆5-3、切割电机5-2-4和负压风机6-4的启停。
如图19a和图19b所示，所述移动驱动架4-1的长度a2为中间连接块3-1的长度a1的0.5～0.6倍，有益于电机驱动装置4置于中间连接块3-1的长度范围内，避免装置卡槽。移动驱动架4-1的宽度b2为中间连接块3-1的左右两侧转向齿轮的间距b1的1.8～2倍，有益于电机驱动装置4内侧恰好配合，避免过宽导致装置失衡。移动驱动架4-1的高度c2为中间连接块3-1高度c1的1.6～1.8倍，有益于负压采集机构6快速收集，避免装置过高负压不足，红花采集不足。
如图20a和图20b所示，所述双刃切割刀组5-2-2包括左“L”形连接板5-2-2-1、左移动齿头连接板5-2-2-2、左刀片5-2-2-3、上卡槽5-2-2-4、右刀片5-2-2-5、右移动齿头连接板5-2-2-6、右“L”形连接板5-2-2-7、下卡槽5-2-2-8和弹簧5-2-2-9。
所述上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8相互平行地固接在切割盘5-2-1上，上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8均为双层槽，包括第一层槽和第二层槽；所述左刀片5-2-2-3设置在上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8的第一层槽中，并能够在第一层槽中自由滑动；所述右刀片5-2-2-5设置在上卡槽5-2-2-4和下卡槽5-2-2-8的第二层槽中，并能够在第二层槽中自由滑动。所述左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀刃端相向设置，左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀刃均呈半椭圆形曲线；如图20b所示，非切割状态时，左刀片5-2-2-3的刀刃与右刀片5-2-2-5的刀刃构成一与进花口5-2-3相对应的圆形切割口；切割花丝时，左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5相向运动并相互重叠，直至完全封闭进花口5-2-3，如图20a所示。
如图21所示，所述左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7均包括相互连接并互成一定角度的刀片连接部和驱动部；左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与驱动部的连接处和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与驱动部的连接处均通过螺柱铰接在切割盘5-2-1上；左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与左刀片5-2-2-3铰接，右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与右刀片5-2-2-5铰接，且左“L”形连接板5-2-2-1的刀片连接部与右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部相互平行；左“L”形连接板5-2-2-1的驱动部与右“L”形连接板5-2-2-7的驱动部分别通过摆动件与切割电机5-2-4连接。优选地，左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部与驱动部之间的夹角θ为118°～120°。
如图22所示，所述左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6均平行于左“L”形连接板5-2-2-1和右“L”形连接板5-2-2-7的刀片连接部；左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6的齿头端的轮齿相互啮合；左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6的齿头端均通过螺柱铰接在切割盘5-2-1上，另一端分别铰接在左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5上；所述弹簧5-2-2-9固接在左移动齿头连接板5-2-2-2和右移动齿头连接板5-2-2-6之间。
如图23所示，所述左刀片5-2-2-3和右刀片5-2-2-5的刀片刃角Δλ为17°～20°。
如图25所示，一种多关节精准定位红花采收方法，包括以下步骤：
S1、红花花丝图像采集；
采收机械臂处于初始状态：垂直升降机构2处于初始最高位置；多关节连接模块3未发生偏转，保持直线状态，位于红花植株的上方；电机驱动装置4处于初始位置，位于后端连接块3-3的前一个中间连接块3-1上；花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1呈等腰三角形，保持竖直张开；
开始工作时，双目视觉识别系统1对红花植株进行拍摄，获取红花花丝图像并传输至控制器7；
S2、最优路径规划；
控制器7对红花花丝图像进行处理，标注图像中所有目标花丝的轮廓，进行圆形拟合，形成最小圆形区域，并识别最小圆形区域内目标红花花丝的三维位置信息；所述三维位置信息为最小圆形区域的圆心坐标O(x，y，z)；控制器7将所有目标红花花丝的圆心坐标的三维坐标参数x、y、z数值按照由小到大依次排序，获得采摘次序；并根据采摘次序规划最优采摘路径；
S3、花丝采收机构定位；
控制器7根据最优采摘路径和目标红花花丝的三维位置信息，向电机驱动装置4和垂直升降机构2发出控制指令；电机驱动装置4根据目标红花花丝的水平坐标(x，y)移动至多关节连接模块3的相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2上，并驱动相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2偏转至目标红花花丝的正上方，使得花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1的中心水平坐标与目标红花花丝的水平坐标(x，y)重合；
垂直升降机构2根据目标红花花丝的坐标参数z调整高度，使目标红花花丝及其果球位于花丝采收机构5的软体仿形手爪5-1内；
S4、花丝切割收集；
控制器7向电动推杆5-3发出控制指令，电动推杆5-3伸展，带动软体仿形爪手5-1向红花花丝及其果球方向进行包裹，软体仿形手爪5-1的夹持口5-1-5夹紧红花果球底部的花柄，调整红花花丝及其果球的姿态，使软体仿形手爪5-1内侧紧密贴合红花果球外形，并使红花花丝由对花口5-4-1进入采收箱5-4内，如图24所示；
激光对射装置5-4-2的光源被进入的红花花丝阻断，切割电机5-2-4根据激光对射装置5-4-2发射的状态信号驱动双刃切割刀组5-2-2切割红花花丝；红花花丝在负压采集系统6的负压风机6-4的作用下，被吸入花丝收集管6-1，最终收集至花丝收集箱6-2；完成一个目标红花花丝采收后，花丝采收机构5和垂直升降机构2复位，重复步骤S3～S4，直至完成所有目标红花花丝采收。
所述步骤S3中，电机驱动装置4通过移动驱动电机4-3-1驱动滚轮4-3-4转动，移动至多关节连接模块3的相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2上；并通过转向驱动轴4-2-1驱动左转向拨轮4-2-2和右转向拨轮4-2-3逆时针或顺时针旋转，带动相应的中间连接块3-1的中间蜗杆3-1-3或前端连接块3-2的前端蜗杆3-2-3转动，调整相应的中间连接块3-1或前端连接块3-2的偏转角度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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