本發(fā)明涉及食用菌采收，尤其涉及一種菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置及作業(yè)方法。
背景技術(shù)：
1、近年來，隨著食用菌產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，香菇等菌棒栽培類食用菌作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，其市場(chǎng)需求逐年增加。傳統(tǒng)的菌菇采摘主要依賴人工操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且容易因操作不當(dāng)造成菌帽損傷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。此外，人工采摘成本高，尤其在工廠化規(guī)模種植場(chǎng)景下，已成為制約食用菌產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。
2、采收裝置是菌菇采摘設(shè)備中的關(guān)鍵核心部件，其性能直接影響采摘效率、作業(yè)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。作為機(jī)械系統(tǒng)與菌菇直接交互的終端裝置，采收裝置需要同時(shí)滿足精準(zhǔn)定位、靈活抓取、無損采摘等多重要求。采收末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是提升菌菇采摘自動(dòng)化水平的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的重要方向之一。
3、經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利“一種香菇分級(jí)采摘裝置及方法”，申請(qǐng)公布號(hào)為cn116671392a和中國(guó)發(fā)明專利“一種層架式種植的香菇雙臂采摘裝備及其作業(yè)方法”，申請(qǐng)公布號(hào)為cn119278818a，采用簡(jiǎn)單的機(jī)械臂設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)菌菇沿菌棒圓周面生長(zhǎng)的情況，缺乏靈活性和協(xié)調(diào)性，無法實(shí)現(xiàn)沿圓周面旋轉(zhuǎn)采摘。采收部分采用三指手爪抓取香菇菌帽，容易損傷香菇菌帽，且存在采摘成功率低，損壞菌棒表面等問題。
4、針對(duì)上述問題，亟需一種菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置及作業(yè)方法，有助于實(shí)現(xiàn)棒栽菌菇的選擇性收獲，提高采摘效率和質(zhì)量，減小采摘機(jī)械損傷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置及作業(yè)方法，采用如下技術(shù)方案：一種菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，包括底座、弧形運(yùn)動(dòng)模塊、直線運(yùn)動(dòng)模塊、視覺模塊、自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器；所述的弧形運(yùn)動(dòng)模塊安裝于底座上；所述的直線運(yùn)動(dòng)模塊與弧形運(yùn)動(dòng)模塊相連接；所述的視覺模塊安裝于自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器上；所述的自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器傳動(dòng)連接于直線運(yùn)動(dòng)模塊上。
2、所述的弧形運(yùn)動(dòng)模塊由弧形齒圈、前弧形軌道、后弧形軌道、前弧形滑塊、后弧形滑塊、弧形驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪組成；前弧形軌道安裝在弧形齒圈的前端，后弧形軌道安裝在弧形齒圈的后端，三者固連為一體形成一種三層結(jié)構(gòu)，安裝于底座上；所述的前弧形軌道和后弧形軌道上都有v型槽，用于適配v型滾輪；所述的前弧形滑塊上固連有四個(gè)v型滾輪，且四個(gè)v型滾輪卡緊前弧形軌道；所述的后弧形滑塊上固連有四個(gè)v型滾輪，且四個(gè)v型滾輪卡緊后弧形軌道；所述的前弧形滑塊與后弧形滑塊通過長(zhǎng)螺栓固連為一體，同步進(jìn)行弧形運(yùn)動(dòng)；所述的弧形驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在后弧形滑塊上，弧形驅(qū)動(dòng)電機(jī)出軸上固連有驅(qū)動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)齒輪與弧形齒圈嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)后弧形滑塊和前弧形滑塊同步進(jìn)行弧形運(yùn)動(dòng)。
3、所述的直線運(yùn)動(dòng)模塊由雙層直線導(dǎo)軌、直線滑塊、直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、同步帶輪、從動(dòng)輪、同步帶組成；所述的雙層直線導(dǎo)軌貫穿安裝于前弧形滑塊和后弧形滑塊上，且雙層直線導(dǎo)軌之間留有一定間隙，通過隔離柱與螺栓固連為一體；所述的直線滑塊滑動(dòng)安裝于雙層直線導(dǎo)軌上；所述的直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在前弧形滑塊上，直線驅(qū)電機(jī)出軸上固連有同步帶輪；所述的從動(dòng)輪安裝于雙層直線導(dǎo)軌前端，且從動(dòng)輪通過同步帶與直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)出軸上的同步帶輪傳動(dòng)連接；所述的同步帶為開口同步帶，同步帶開口的兩端環(huán)繞一圈后分別緊固在自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器上；通過直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)模塊的直線運(yùn)動(dòng)。
4、所述的自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器由l型采摘手指、采摘基座、彈簧、提拉電機(jī)、線輥組成；所述的采摘基座安裝在直線滑塊上，可隨直線滑塊在直線運(yùn)動(dòng)模塊上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)；所述的彈簧放置于采摘基座上的方形空管內(nèi)；所述的l型采摘手指第一指節(jié)與第二指節(jié)之間成一定角度，使得l型采摘手指的第一指節(jié)始終與菌棒圓周面相切，且保證第一指節(jié)只接觸到菌柄同時(shí)第二指節(jié)不會(huì)接觸到菌帽，防止菌帽損傷，l型采摘手指安裝于采摘基座上的方形空管中，且壓在彈簧上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)菌棒表面的自適應(yīng)浮動(dòng)貼緊；所述的提拉電機(jī)安裝于采摘基座的后端，提拉電機(jī)的出軸固連有線輥，線輥上的線連接在l型采摘手指上部，提拉電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)線輥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)l型采摘手指上升，以實(shí)現(xiàn)l型采摘手指初始時(shí)能夠上到菌棒表面。
5、所述的視覺模塊為一個(gè)單目相機(jī)，安裝在采摘基座上，該單目相機(jī)安裝角度與采摘基座水平方向之間夾角為5°到15°范圍內(nèi)，使菌棒段出現(xiàn)在其視覺中心中。
6、本發(fā)明一種菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置的作業(yè)方法，包括如下步驟：
7、步驟s1，目標(biāo)識(shí)別與定位：基于視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別菌棒、菌帽、菌柄根基結(jié)合部、評(píng)估菌菇大小和精準(zhǔn)定位菌柄根基結(jié)合部，對(duì)菌帽直徑大于采收標(biāo)準(zhǔn)50mm目標(biāo)菌菇進(jìn)行選擇性采收；
8、步驟s2，采摘路徑規(guī)劃：基于目標(biāo)識(shí)別與定位情況，計(jì)算最優(yōu)的采摘路徑；包括弧形運(yùn)動(dòng)模塊的旋轉(zhuǎn)角度、直線運(yùn)動(dòng)模塊的移動(dòng)距離和采摘順序；
9、步驟s3，菌菇采收：弧形運(yùn)動(dòng)模塊的旋轉(zhuǎn)角度與直線運(yùn)動(dòng)模塊的移動(dòng)距離的協(xié)同配合下，將自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器的l型采摘手指移動(dòng)到菌柄根基結(jié)合部位置，此時(shí)直線運(yùn)動(dòng)模塊執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)，l型采摘手指前進(jìn)，作用在菌菇根基結(jié)合部，將菌菇從菌棒上撥下，完成目標(biāo)菌菇的收獲。
10、在步驟s1中，包括：
11、步驟s11：基于目標(biāo)識(shí)別的結(jié)果，得到菌菇菌帽檢測(cè)框的中心坐標(biāo)(x1，y1)和長(zhǎng)寬(a1，b1)、菌柄根基結(jié)合部檢測(cè)框的中心坐標(biāo)(x2，y2)和長(zhǎng)寬(a2，b2)、菌棒檢測(cè)框的中心坐標(biāo)(x3，y3)和長(zhǎng)寬(a3，b3)；
12、步驟s12：通過標(biāo)定求出基準(zhǔn)投影面上像素寬度與實(shí)際寬度比值k1，根據(jù)公式求出菌菇菌帽直徑大小，公式如下：
13、
14、步驟s13：基于目標(biāo)識(shí)別的結(jié)果，根據(jù)菌棒-菌菇的生長(zhǎng)關(guān)系，通過公式可求出菌棒半徑r、高度差h2，從而可求出菌柄處角度θ，相關(guān)公式如下：
15、
16、h2＝y(tǒng)2-y3
17、
18、最終求得菌柄根基結(jié)合部定位坐標(biāo)為(x2，θ)。
19、本發(fā)明的有益效果是：
20、1、本發(fā)明具備自適應(yīng)菌棒形態(tài)，浮動(dòng)貼緊菌棒表面的功能，在執(zhí)行菌菇采摘作業(yè)時(shí)既能緊貼菌菇根基部，又能避免損傷菌棒，防止影響其后續(xù)出菇；
21、2、本發(fā)明的l型采摘手指第一指節(jié)與第二指節(jié)之間成一定角度，該設(shè)計(jì)使得l型采摘手指的第一指節(jié)始終與菌棒圓周面相切，且保證第一指節(jié)只接觸到菌柄同時(shí)第二指節(jié)不會(huì)接觸到菌帽，防止菌菇的菌帽損傷；
22、3、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式采摘設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)沿菌棒圓周面環(huán)繞采摘，配合直線運(yùn)動(dòng)，可到達(dá)菌棒圓周面上任意采摘點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靈活高效采摘。
1.菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，其特征在于：包括底座、弧形運(yùn)動(dòng)模塊、直線運(yùn)動(dòng)模塊、視覺模塊、自適應(yīng)浮動(dòng)采摘執(zhí)行器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置的作業(yè)方法，其特征在于，包括如下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的菌棒自適應(yīng)仿形的選擇性根撥采收裝置的作業(yè)方法，其特征在于：在步驟s1中，包括如下步驟：