CN114175927A - 一种圣女果采摘方法及圣女果采摘机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明属于采摘机械手领域，具体公开一种圣女果采摘方法及圣女果采摘机械手，其中的采摘方法包括以下步骤：（1）获取待采摘的果实串图像；（2）控制识别系统对待采摘的果实串图像进行分析识别，分割出主干蔓藤；（3）提取主干蔓藤最上方的圣女果果实的位置，得出采摘机械手的初始切割位置；（4）采摘机械手的末端执行器移动至所述初始切割位置处，末端执行器上的切刀闭合，对所述主干蔓藤进行夹持；（5）采摘机械手的末端执行器沿着主干蔓藤的延伸方向，从上往下运动，对主干蔓藤两侧的圣女果果实的果梗进行切割，完成圣女果果实的采摘。本发明基于圣女果果实的生长特点进行采摘，有利于提高采摘效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种果实采摘机械手领域，具体涉及一种圣女果采摘方法及圣女果采摘机械手。
背景技术
水果果实的采摘大多采用人工参与，劳动力大，是导致水果成本升高的影响因素之一。为了提高果实采摘的效率，节省劳动力，采摘机器人逐步应用至各种水果采摘中。现有技术中，采摘机器人在采摘果实时，每次动作只能完成一个果实的采摘，对于串式果实的采摘来说，效率极低，且容易损坏相邻的果实。例如，圣女果的果实一般以串为单位生长在一起，并且以同一根蔓藤为基础，果实生长在蔓藤的两边；此时若采用传统的采摘机器人进行圣女果的采摘，每串圣女果中包含多个果实，逐个采摘效率极低，并且同一串圣女果中多个果实之间间距小，逐个采摘的方式容易损坏相邻的果实，显示无法应用至圣女果果实采摘中。现有技术中出现一些果实串采摘机器人，具体是针对以串为单位的果实进行整串采摘，例如龙眼、荔枝、番茄串等，在采摘时对果实串进行抓取和保护，对果实串中的主干梗或主干藤进行切割，从而完成串式果实的采摘；但是，由于圣女果在采摘后的保存、销售一般均为单个独立分离，因此整串采摘后仍然需要将单个圣女果果实从蔓藤上摘出分离，上述果实串采摘机器人无法满足圣女果果实的采摘。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种圣女果采摘方法，该采摘方法基于圣女果果实的生长特点进行采摘，有利于提高采摘效率高。
本发明的另一目的在于提供一种圣女果采摘机械手。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种圣女果采摘方法，包括以下步骤：
（1）拍摄装置对圣女果果树进行拍摄，获取待采摘的果实串图像；
（2）控制识别系统对待采摘的果实串图像进行分析识别，分割出主干蔓藤，并进行特定标识；
（3）依据步骤（2）中分析得出的主干蔓藤，提取主干蔓藤最上方的圣女果果实的位置，并以最上方的圣女果果实的位置作为参考，确定采摘机械手的初始切割位置；
（4）采摘机械手的末端执行器移动至所述初始切割位置处，末端执行器上的切刀闭合，对所述主干蔓藤进行夹持；
（5）采摘机械手的末端执行器沿着主干蔓藤的延伸方向，从上往下运动，对主干蔓藤两侧的圣女果果实的果梗进行切割，完成圣女果果实的采摘。
本发明的一个优选方案，所述控制识别系统包括实时分割模型，该实时分割模型为SOLOv2模型，采用SOLOv2模型对果实串图像进行主干蔓藤的分割，并对主干蔓藤进行特定标识。
优选地，步骤（2）中，若出现多条被标识的主干蔓藤，则根据多条主干蔓藤的三维数据，在多条被标识的主干蔓藤中选取深度值最近的主干蔓藤进行下一步骤。
优选地，所述控制识别系统还包括目标检测模型，通过所述目标检测模型对步骤（2）中选取的主干蔓藤进行圣女果果实检测；在检测时，以选取的主干蔓藤为中心且以预设距离为半径作为检测范围；
若检测到圣女果果实，则进行下一步骤；
若未检测到圣女果果实，则剔除该主干蔓藤，在多条被标识的主干蔓藤中选取下一条主干蔓藤继续进行圣女果果实检测，或重新进行步骤（2）。
优选地，所述目标检测模型为YOLO模型。
一种圣女果采摘机械手，包括座体、多轴臂关节以及末端执行器，所述末端执行器设置在所述多轴臂关节的末端上；其中，所述末端执行器包括夹持切刀组件以及驱动所述夹持切刀组件闭合或分离的夹持驱动机构，所述夹持切刀组件包括两个相对设置的切刀。
优选地，所述夹持切刀组件还包括夹持导向组件，该夹持导向组件包括两个相对设置的夹持件，两个所述夹持件均呈开口半圆筒设置，两个所述切刀分别设置在两个所述夹持件的下端。
优选地，所述切刀呈开口半圆筒设置，所述切刀的一端配合设置在所述夹持件的内壁上，所述切刀的另一端向下延伸设置。
优选地，所述切刀呈锥形设置，所述切刀的直径从上往下逐渐减小。
优选地，还包括收果托盘，该收果托盘设置在所述夹持切刀组件的下方，收果托盘上设有出果口，所述出果口通过软管与果实储存箱连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明针对圣女果的生长特点（大量果实生长在同一条藤蔓上），特定设计高效的采摘方法，快速准确地将同一蔓藤上的圣女果果实采摘下来，后期无需再进行摘出分离。
2、本发明的圣女果采摘方法，采摘下来后为单个独立的果实，以便直接进行后续的果实清洗、保鲜、包装和运输等处理，有利于与圣女果自动化处理设备形成智能高效的圣女果采摘包装系统。
3、本发明的圣女果采摘机械手，依据圣女果的生长特点，采用双切刀的形式，快速高效地对同一蔓藤上的圣女果果实进行切割采摘，具有效率高、完整性好等优点。
附图说明
图1为本发明的圣女果采摘方法的流程框图。
图2为待采摘的果实串图像的示意图。
图3为对待采摘的果实串图像进行主干蔓藤分割和标识后的示意图。
图4-图7为本发明的圣女果采摘机械手的结构示意图，其中，图4为主视图，图5为第一视角立体图，图6为第二视角立体图，图7为末端执行器立体图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-图3，本实施例公开一种圣女果采摘方法，包括以下步骤：
（1）通过拍摄装置对圣女果果树进行拍摄，获取待采摘的果实串图像，如图2所示；本实施例中的拍摄装置包括深度相机。
（2）控制识别系统中的实时分割模型对待采摘的果实串图像进行分析识别，分割出主干蔓藤，并进行特定标识。具体地，所述实时分割模型为SOLOv2模型，具有动态、更快和更强的优点，能够快速精准地完成果实串图像中的主干蔓藤的分割识别。关于主干蔓藤的特定标识，可采用颜色轨迹进行标识，例如，可将分割识别出来的主干蔓藤进行蓝色轨迹标识，当然也可采用其他具有鲜明颜色进行标识；如图3所示，较暗颜色轨迹为被标识的主干蔓藤。进一步地，首先，通过采集、收集、整理圣女果树的图像，使用labelImg对图像中的圣女果果实和主干蔓藤进行数据标注，并转换成COCO格式的训练数据集；接着，将训练数据集对SOLOv2模型进行训练；并且，通过配置mixup、随机裁剪、颜色扭曲等数据增强策略进行扩展数据；采用PaddleSlim对SOLOv2模型进行裁剪，减少模型的推理时间；紧接着进行量化，部署到采摘机器人（圣女果采摘机械手）控制器或其他边缘端设备中。
若出现多条被标识的主干蔓藤，则根据实时分割模型输出的主干蔓藤的二维信息，从拍摄装置的深度相机的点云数据中提取主干蔓藤的深度信息，从而确定多条主干蔓藤的三维数据，并根据多条主干蔓藤的三维数据，在多条被标识的主干蔓藤中选取深度值最近的主干蔓藤，随后进行圣女果果实检测。由于所拍摄的图像中可能存在多条主干蔓藤，因此通过深度值的近远对蔓藤进行选取，选取最近的蔓藤作为主干蔓藤，将其作为本次采摘的对象，缩短采摘时机械手的移动距离，且避免对其他较远处的蔓藤上的圣女果果实产生影响。
紧接着，控制识别系统的目标检测模型对选取的主干蔓藤进行圣女果果实检测；在检测时，以选取的主干蔓藤为中心且以预设距离为半径作为检测范围。
若检测到圣女果果实，则进行下一步骤；
若未检测到圣女果果实，则剔除该主干蔓藤；在多条被标识的主干蔓藤中选取下一条主干蔓藤并对其进行圣女果果实检测，或重新进行步骤（2）的操作流程。
本实施例中，所述目标检测模型为YOLO模型；本实施例的YOLO模型的训练可参见上述SOLOv2模型或现有技术。所述预设距离可设置为20cm，当然也可根据实际情况设置为其他距离数据。通过对所选取的主干蔓藤进行果实的检测，以进一步提高采摘前的识别准确度，有效剔除一些不含有圣女果果实的蔓藤。
（3）依据步骤（2）中分析得出的主干蔓藤，提取主干蔓藤最上方的圣女果果实位置的二维信息，而后从深度相机中获取深度信息构成最上方的圣女果果实的三维位置信息，并以最上方的圣女果果实的三维位置信息作为采摘机械手的初始切割位置；此处的初始切割位置，即最上方的圣女果果实的果梗位置，开始切割前的初始状态下，采摘机械手的切刀应位于最上方的圣女果果实的果梗上方。
（4）采摘机械手的末端执行器移动至所述初始切割位置处，末端执行器上的切刀闭合，对所述主干蔓藤进行夹持；
（5）采摘机械手的末端执行器沿着主干蔓藤的延伸方向，从上往下运动，对主干蔓藤两侧的圣女果果实的果梗进行切割，完成圣女果果实的采摘。
参见图4-图7，本实施例还公开一种圣女果采摘机械手，包括座体1、多轴臂关节2以及末端执行器，所述末端执行器设置在所述多轴臂关节2的末端上；其中，所述末端执行器包括夹持切刀组件以及驱动所述夹持切刀组件闭合或分离的夹持驱动机构，所述夹持切刀组件包括两个相对设置的切刀6。
参见图4-图7，所述夹持切刀组件还包括夹持导向组件，该夹持导向组件包括两个相对设置的夹持件5，两个所述夹持件5均呈开口半圆筒设置，两个所述切刀6分别设置在两个所述夹持件5的下端。所述切刀6呈开口半圆筒设置，所述切刀6的一端配合设置在所述夹持件5的内壁上，所述切刀6的另一端向下延伸设置。所述切刀6呈锥形设置，所述切刀6的直径从上往下逐渐减小。两个夹持件5闭合时，两个切刀6也随两个夹持件5一起闭合，形成一个完整的圆筒，主干蔓藤位于形成的圆筒的内腔中，主干蔓藤被两个夹持件5和切刀6包裹住，从而以便实现以主干蔓藤为导向，在向下运动过程中将两侧的圣女果果实切割下来，进而完成采摘。另外，闭合时形成的圆筒，使得在末端执行器运动时，即使末端执行器的运动轨迹与主干蔓藤的延伸轨迹不重合，也能通过形成的圆筒对主干蔓藤进行拨弄纠正，以便切刀6对两侧的圣女果果实进行切割采摘。
参见图4-图7，本实施例中，所述夹持切刀组件还包括两个夹持臂4，两个所述夹持件5分别设置在两个夹持臂4上；每个夹持臂4均包括第一臂和第二臂，所述第一臂一端与夹持驱动机构连接，第一臂另一端与第二臂连接，所述夹持件5设置在第二臂的另一端。
参见图4-图7，还包括收果托盘3，该收果托盘3设置在所述夹持切刀组件的下方，收果托盘3上设有出果口，所述出果口通过软管与果实储存箱连接。本实施例中的收果托盘3的底部设有向下延伸设置的连接段7，具体为用于与软管连接的螺纹段，以便与软管实现可拆卸连接。所述收果托盘3通过连接架8与多轴臂关节2的末端连接。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圣女果采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）拍摄装置对圣女果果树进行拍摄，获取待采摘的果实串图像；
（2）控制识别系统对待采摘的果实串图像进行分析识别，分割出主干蔓藤，并进行特定标识；
（3）依据步骤（2）中分析得出的主干蔓藤，提取主干蔓藤最上方的圣女果果实的位置，并以最上方的圣女果果实的位置作为参考，确定采摘机械手的初始切割位置；
（4）采摘机械手的末端执行器移动至所述初始切割位置处，末端执行器上的切刀闭合，对所述主干蔓藤进行夹持；
（5）采摘机械手的末端执行器沿着主干蔓藤的延伸方向，从上往下运动，对主干蔓藤两侧的圣女果果实的果梗进行切割，完成圣女果果实的采摘。
2.根据权利要求1所述的圣女果采摘方法，其特征在于，所述控制识别系统包括实时分割模型，该实时分割模型为SOLOv2模型，采用SOLOv2模型对果实串图像进行主干蔓藤的分割，并对主干蔓藤进行特定标识。
3.根据权利要求1或2所述的圣女果采摘方法，其特征在于，步骤（2）中，若出现多条被标识的主干蔓藤，则根据多条主干蔓藤的三维数据，在多条被标识的主干蔓藤中选取深度值最近的主干蔓藤进行下一步骤。
4.根据权利要求3所述的圣女果采摘方法，其特征在于，所述控制识别系统还包括目标检测模型，通过所述目标检测模型对步骤（2）中选取的主干蔓藤进行圣女果果实检测；在检测时，以选取的主干蔓藤为中心且以预设距离为半径作为检测范围；
若检测到圣女果果实，则进行下一步骤；
若未检测到圣女果果实，则剔除该主干蔓藤，在多条被标识的主干蔓藤中选取下一条主干蔓藤继续进行圣女果果实检测，或重新进行步骤（2）。
5.根据权利要求4所述的圣女果采摘方法，其特征在于，所述目标检测模型为YOLO模型。
6.一种应用权利要求1-5任一项所述的圣女果采摘方法的圣女果采摘机械手，其特征在于，包括座体、多轴臂关节以及末端执行器，所述末端执行器设置在所述多轴臂关节的末端上；其中，所述末端执行器包括夹持切刀组件以及驱动所述夹持切刀组件闭合或分离的夹持驱动机构，所述夹持切刀组件包括两个相对设置的切刀。
7.根据权利要求6所述的圣女果采摘机械手，其特征在于，所述夹持切刀组件还包括夹持导向组件，该夹持导向组件包括两个相对设置的夹持件，两个所述夹持件均呈开口半圆筒设置，两个所述切刀分别设置在两个所述夹持件的下端。
8.根据权利要求7所述的圣女果采摘机械手，其特征在于，所述切刀呈开口半圆筒设置，所述切刀的一端配合设置在所述夹持件的内壁上，所述切刀的另一端向下延伸设置。
9.根据权利要求8所述的圣女果采摘机械手，其特征在于，所述切刀呈锥形设置，所述切刀的直径从上往下逐渐减小。
10.根据权利要求6所述的圣女果采摘机械手，其特征在于，还包括收果托盘，该收果托盘设置在所述夹持切刀组件的下方，收果托盘上设有出果口，所述出果口通过软管与果实储存箱连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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