RU2847932C1

RU2847932C1 - Robotic frame-type manipulator for harvesting fruit trees

Info

Publication number: RU2847932C1
Application number: RU2024137806A
Authority: RU
Inventors: Игорь Геннадьевич Смирнов; Александр Андреевич Подковырин; Даниил Сергеевич Пупин; Дмитрий Олегович Хорт; Ростислав Александрович Филиппов; Алексей Игоревич Кутырёв; Авс Ахмад; Степан Владимирович Семичев
Filing date: 2024-12-16
Publication date: 2025-10-15

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to agriculture, in particular to devices for selective harvesting of fruit trees. A robotic frame-type manipulator for harvesting fruit from fruit trees comprises modules, each of which includes a frame 1 designed to attach the manipulator's components and mechanisms. It is equipped with electric motors 2 that provide three-dimensional movement of movable carriages 3 with an extendable gripper 4 along the axes of the frame 1. Each manipulator module contains a linear drive 5 for changing the angle of inclination of the gripper relative to the frame 1, electric motors 6 for extending the gripper 4, and limit switches 7 for the position of the movable carriages 3 with the extendable gripper 4. It has a sensor 8 for approaching the fruit and computers with an artificial intelligence-based control programme. Based on data from the machine vision system 9, computers with artificial intelligence-based control software automatically determine the coordinates and condition of the fruit, calculate the trajectory of the movable carriages 3 with the extendable gripper 4, ensure their movement to the target fruit, and harvest it, followed by unloading onto the transport device 10.

EFFECT: 22-35% improvement in the quality and efficiency of fruit tree harvesting by changing the angle of the working parts and increasing the accuracy of fruit recognition.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к устройствам для выборочного сбора плодов фруктовых деревьев.The invention relates to the field of agriculture, in particular to devices for selective harvesting of fruits from fruit trees.

Известен двухфункциональный обрезчик деревьев и плодоуборочный комбайн, использующий одно и то же оборудование для обрезки и сбора урожая (Патент на изобретение US № 9877428, A01D 46/30, 2016), включающий в себя: самоходное транспортное средство, роботизированные манипуляторы с компьютерным управлением, систему цифровой визуализации, радарную систему слежения, систему глобального позиционирования, географическую информационную систему, силовой обрезчик или силовой стеблерез в зависимости от ситуации, вакуумную систему для фруктов, плод уловитель, систему обработки фруктов и загрузчик контейнеров для фруктов. A dual-function tree pruner and fruit harvester is known, using the same equipment for pruning and harvesting (US Patent No. 9877428, A01D 46/30, 2016), including: a self-propelled vehicle, computer-controlled robotic manipulators, a digital imaging system, a radar tracking system, a global positioning system, a geographic information system, a power pruner or a power stem cutter depending on the situation, a vacuum system for fruits, a fruit catcher, a fruit processing system and a fruit container loader.

К недостаткам известного устройства следует отнести необходимость наличия оператора и отсутствие возможности обеспечивать достаточную точность и аккуратность при сборе, что приводит к повреждению плодов и низкой эффективности. Также в данном комбайне вакуумная трубка, прикрепленная непосредственно к роботизированному захвату, затрудняет сбор плодов в глубине кроны дерева.The disadvantages of the existing device include the need for an operator and the inability to ensure sufficient precision and accuracy during harvesting, which leads to fruit damage and low efficiency. Furthermore, the vacuum tube attached directly to the robotic gripper in this harvester makes it difficult to harvest fruit deep in the tree canopy.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному роботизированному манипулятору рамочного типа является машина для уборки урожая (Патент на изобретение US № 9475189, МПК B25J 9/00, 2016). Включает в себя несколько манипуляторов, один или несколько датчиков и один или несколько компьютеров. Манипуляторы установлены на общей раме, обращенной к убираемому участку, и каждый из них сконфигурирован для сбора урожая путем достижения и захвата урожая с фиксированным углом подхода в своём заданном секторе. Датчики настроены на получение изображений участка. Компьютеры действуют таким образом, чтобы идентифицировать плоды на изображениях и посылают управляющие сигналы роботам на сбор распознанных плодов.The closest technical equivalent to the claimed frame-type robotic manipulator is a harvesting machine (US Patent No. 9,475,189, IPC B25J 9/00, 2016). It comprises multiple manipulators, one or more sensors, and one or more computers. The manipulators are mounted on a common frame facing the harvesting area, and each is configured to harvest by reaching and grasping the crop at a fixed approach angle within its designated sector. The sensors are configured to obtain images of the area. The computers identify the fruits in the images and send control signals to the robots to harvest the identified fruits.

Недостатком известного устройства является фиксированный угол расположения рабочих органов, что ограничивает использование агрегата при различных технологиях и схемах посадки плодового сада.A disadvantage of the known device is the fixed angle of the working parts, which limits the use of the unit in various technologies and planting schemes for orchards.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности сбора плодов с плодоножки с различных ярусов дерева в зависимости от типа и диаметра кроны за счет изменения угла расположения рабочих органов. The technical objective of the proposed invention is to increase the efficiency of harvesting fruits from the stalk from different tiers of the tree, depending on the type and diameter of the crown, by changing the angle of the working parts.

Техническим результатом является повышение качества, эффективности процесса сбора плодов, в автоматическом режиме и точность распознавания плодов.The technical result is an increase in the quality, efficiency of the fruit harvesting process in automatic mode and the accuracy of fruit recognition.

Поставленный технический результат достигается тем, что роботизированный манипулятор рамочного типа для сбора плодов фруктовых деревьев, содержащий раму, подвижные каретки с выдвижным захватом, привод и транспортирующее устройство, согласно изобретению, он содержит модули, каждый из которых снабжен линейным приводом изменения угла наклона рабочих органов относительно плоскости рамы, компьютерами с программой управления на основе искусственного интеллекта, концевыми датчиками крайних положений подвижных кареток с захватом, датчиком приближения к плоду, а привод выполнен в виде электромоторов, расположенных по осям рамы.The technical result achieved is that a frame-type robotic manipulator for harvesting fruit from fruit trees, comprising a frame, movable carriages with a retractable grip, a drive and a transport device, according to the invention, contains modules, each of which is equipped with a linear drive for changing the angle of inclination of the working elements relative to the plane of the frame, computers with a control program based on artificial intelligence, end sensors for the extreme positions of the movable carriages with a grip, a proximity sensor to the fruit, and the drive is made in the form of electric motors located along the axes of the frame.

Изобретение поясняется фигурами. The invention is explained by figures.

На фиг. 1 представлен модуль роботизированного манипулятора рамочного типа для сбора плодов фруктовых деревьев, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.Fig. 1 shows a module of a frame-type robotic manipulator for harvesting fruit from fruit trees, front view; Fig. 2 shows the same, side view.

Роботизированный манипулятор рамочного типа для сбора плодов фруктовых деревьев содержит модули, каждый из которых включает в себя раму 1, предназначенную для крепления узлов и механизмов манипулятора. Он оснащен электромоторами 2, обеспечивающими трехмерное передвижение подвижных кареток 3 с выдвижным захватом 4 по осям рамы 1. Каждый модуль манипулятора содержит линейный привод 5 для изменения угла наклона захвата относительно рамы 1, электромоторы 6 для выдвижения захвата 4, концевые датчики 7 положения подвижных кареток 3 с выдвижным захватом 4. Имеет датчик 8 приближения к плоду и компьютеры с программой управления на основе искусственного интеллекта (на фиг. не показаны). На основе данных системы технического зрения 9 компьютеры с программой управления на основе искусственного интеллекта (на фиг. не показаны) автоматически определяют координаты и состояние плодов, рассчитывает траекторию движения подвижных кареток 3 с выдвижным захватом 4, обеспечивают их перемещение к целевому плоду и осуществляет его сбор с последующей выгрузкой на транспортирующее устройство 10.A frame-type robotic manipulator for harvesting fruit trees comprises modules, each of which includes a frame 1 intended for mounting the manipulator's units and mechanisms. It is equipped with electric motors 2, providing three-dimensional movement of movable carriages 3 with an extendable grip 4 along the axes of frame 1. Each manipulator module contains a linear drive 5 for changing the gripper's tilt angle relative to frame 1, electric motors 6 for extending grip 4, and end sensors 7 for detecting the position of movable carriages 3 with an extendable grip 4. It has a fruit proximity sensor 8 and computers with a control program based on artificial intelligence (not shown in the figure). Based on the data from the technical vision system 9, computers with a control program based on artificial intelligence (not shown in the figure) automatically determine the coordinates and condition of the fruits, calculate the trajectory of movement of the movable carriages 3 with the retractable gripper 4, ensure their movement to the target fruit and collect it with subsequent unloading onto the transport device 10.

Линейный привод 5 изменяет угол наклона выдвижного захвата 4 для эффективного сбора плода с плодоножки с различных ярусов дерева в зависимости от типа и диаметра кроны. Linear drive 5 changes the angle of inclination of retractable gripper 4 for efficient collection of fruit from the stalk from different tiers of the tree depending on the type and diameter of the crown.

Количество модулей роботизированного манипулятора определяется высотой обрабатываемых деревьев. При необходимости модули устанавливаются друг на друга встык. Это позволяет увеличить область применения данного роботизированного манипулятора в разнообразных плодовых садах.The number of robotic manipulator modules is determined by the height of the trees being processed. If necessary, modules can be stacked end-to-end. This allows for increased applicability of this robotic manipulator across a wide range of orchards.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Модули роботизированного манипулятора рамочного типа для сбора плодов фруктовых деревьев устанавливают на мобильную платформу (на фиг. не указано). Платформа с модулями роботизированного рамочного манипулятора, перемещаясь в междурядье плодового сада, останавливается напротив дерева, с которого необходимо собрать плоды.The robotic frame-type manipulator modules for fruit tree harvesting are mounted on a mobile platform (not shown in the figure). The platform, carrying the robotic frame-type manipulator modules, moves through the rows of the orchard and stops opposite the tree from which the fruit is to be harvested.

Система технического зрения 9 определяет координаты всех плодов в зоне работы роботизированного манипулятора рамочного типа. В автоматическом режиме компьютеры с программой управления на основе искусственного интеллекта (на фиг. не показаны) определяют очередность сбора плодов, координаты плода, который будет собран первым, и подают управляющий сигнал на электромоторы 2 подвижных кареток 3 с выдвижным захватом 4. Подвижные каретки 3 останавливаются напротив первого плода, линейный привод 5 устанавливает необходимый угол рабочих органов. Выдвижной захват 4 под действием электромоторов 6 выдвигается к выбранному плоду ориентируясь на показания датчика 8 приближения к плоду. Плод отделяется от плодоножки, подвижные каретки 3 с захватом 4 посредством электромоторов 2 передвигается к транспортирующему устройству 10 и выгружает плод.Machine vision system 9 determines the coordinates of all fruits within the operating area of the frame-type robotic manipulator. In automatic mode, computers with an artificial intelligence-based control program (not shown in the figure) determine the fruit picking sequence, the coordinates of the fruit to be picked first, and send a control signal to electric motors 2 of the moving carriages 3 with the extending gripper 4. The moving carriages 3 stop opposite the first fruit, and the linear drive 5 sets the required angle of the working elements. The extending gripper 4, driven by electric motors 6, extends toward the selected fruit, based on the readings of the fruit proximity sensor 8. The fruit is separated from the stalk, and the moving carriages 3 with the gripper 4, via electric motors 2, move to the transport device 10 and unload the fruit.

Операция повторяется до тех пор, пока все распознанные системой технического зрения 9 плоды не будут собраны, затем мобильная платформа передвигается дальше.The operation is repeated until all fruits recognized by the technical vision system 9 have been collected, then the mobile platform moves on.

Использование модульного роботизированного манипулятора рамочного типа повышает качество и эффективность операции сбора плодов фруктовых деревьев на 22-35 % за счёт изменения угла наклона рабочих органов и повышения точности распознавания плодов.The use of a modular robotic frame-type manipulator improves the quality and efficiency of fruit tree harvesting operations by 22-35% by changing the angle of the working elements and increasing the accuracy of fruit recognition.

Claims

A robotic manipulator of a frame type for harvesting fruit from fruit trees, comprising a frame, movable carriages with a retractable grip, a drive and a transport device, characterized in that it contains modules, each of which is equipped with a linear drive for changing the angle of inclination of the working elements relative to the plane of the frame, computers with a control program based on artificial intelligence, end sensors for the extreme positions of the movable carriages with a grip, a fruit proximity sensor, and the drive is made in the form of electric motors located along the axes of the frame.