CN114303644A - 鲜食葡萄无损采摘分级、打包、收集机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包、收集机器人及其使用方法，其中一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人包括自行走装置，以及安装于自行走装置上的采摘装置、图像采集装置、充气打包装置、残次品收集箱和若干分级收集箱；采摘装置包括机械臂、位于机械臂末端的采摘机构，以及驱动采摘机构沿竖向轴线旋转的第一电机，采摘机构包括剪切装置和位于剪切装置下方的夹持机构。本发明可同时采收两侧篱架的葡萄，集采摘、分级、打包和收集功能于一体，可以一次性完成葡萄采摘分级、打包和收集，缩短了从采摘到收集装箱的时间，提高了葡萄的收获效率，最大限度的减少人工参与和葡萄损伤，处理后的葡萄可以直接供应市场。

Description

鲜食葡萄无损采摘分级、打包、收集机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及农业智能装备技术领域，尤其涉及到一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包、收集机器人及其使用方法。

背景技术

我国是世界最大的鲜食葡萄生产国和消费国，自本世纪以来，我国葡萄种植量和产量逐年增长。目前，我国自动化采收葡萄技术还不成熟，基本是靠人工采收，且一般的葡萄采摘机器人采摘效率低并功能单一，葡萄采摘后还需要人工分拣，又由于鲜食葡萄果穗含水量高、皮薄多汁，运输和分拣时易造成损伤，急需一种智能化的采收分级打包一体机，改变现状。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包、收集机器人及其使用方法，实现了葡萄采摘、分级、打包和收集的一体化作业，大大提高了从采摘到分箱收集的作业效率，同时避免了葡萄的损伤。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，包括自行走装置，以及安装于所述自行走装置上的采摘装置、图像采集装置、充气打包装置、残次品收集箱和若干分级收集箱，自行走装置、采摘装置、图像采集装置和打包装置均电性连接控制器；

采摘装置包括机械臂、位于机械臂末端的采摘机构，以及驱动采摘机构沿竖向轴线旋转的第一电机，采摘机构包括剪切装置和位于剪切装置下方的夹持机构；机械臂带动采摘机构移动至葡萄生长位、充气打包装置打包位上方和残次品收集箱上端进料口上方；通过第一电机带动采摘机构旋转，便于采集采摘下的葡萄的多个侧面信息，以提高分级的准确性；

图像采集装置用于识别葡萄生长位的果梗和夹持机构所夹持的葡萄表面信息，以便于确定采摘位置和对葡萄进行分级；充气打包装置位于分级收集箱上方，自行走装置上还安装有驱动打包装置移动至各分级收集箱上端进料口的驱动机构，通过驱动机构实现充气打包装置在各收集箱上方移动，以实现根据葡萄级别装箱，采用充气打包装置，利用包装袋夹层的气囊，避免葡萄损伤。

本方案通过自行走装置实现机器人的行走，通过图像采集装置采集图像，并传至控制器，控制器利用改进MASK-RCNN算法识别鲜食葡萄的特征、同时进行分割和采摘点定位，然后机械臂末端夹持果梗并剪切，利用改进SVM算法对葡萄品质等级划分，将残次品葡萄运送至对应收集箱，其他等级葡萄运送至充气打包装置，充气打包后，将数据无线传输至智能控制系统，系统控制电动滑轨将充气打包装置运送到所采葡萄对应品质等级收集箱位置，将葡萄送入。

作为优化，充气打包装置的打包位下方设有支撑充气包装袋的支撑板，支撑板与充气打包装置的底座通过横轴铰接，充气打包装置的底座上安装有驱动所述支撑板绕横轴转动的第二电机。本优化方案通过设置支撑板，对充气包装袋进行支撑，以免葡萄落入时包装袋从吸盘掉落，通过设置第二电机，实现了支撑板的转动，使包装袋沿支撑板倾斜滑落至收集槽，进一步避免了对葡萄的损伤。

作为优化，自行走装置上固设有机械臂座，机械臂座上设有沿竖向延伸的导向槽，以及驱动机械臂沿所述导向槽上下移动的动力机构，机械臂座位于充气打包装置的前方，残次品收集箱和各分级收集箱沿左右方向依次分布，所述驱动机构为沿左右方向延伸的电动滑轨。本优化方案将充气打包装置安装在电动滑轨上，通过电动滑轨驱动充气打包装置移动，结构简单，且便于控制；通过设置导向槽给机械臂的上下移动提供导向，将机械臂座设置在充气打包装置的前方，使机械臂向后方两侧移动，避免影响行走双目相机的工作，机械臂座的两侧面均沿竖向滑接有机械臂；将残次品收集箱和各分级收集箱沿左右方向分布，便于机械臂直接放置残次品，同时提高了设备的紧凑性。

作为优化，自行走装置的前、后两端分别设置有防撞杆。本优化方案通过设置防撞杆，形成对机器人的防护，避免因发生撞击而损坏。

本方案还提供一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人的使用方法，包括如下步骤：

S101 机器人启动后，通过内嵌在自行走装置车头的行走双目相机观察路况，控制自行走装置的移动状态；

S102 机器人行走在左、右葡萄架之间，对成熟葡萄采摘，并分级，将残次品放入残次品收集箱，其余等级葡萄放入充气打包装置进行打包；

通过可调节双目相机对葡萄架的图像采集识别，将采集到的图像数据传输给控制器，当控制器分析出有一侧采集的图像中发现满足采摘的目标时，自行走装置停止运行，可调节双目相机对图像采集，控制器利用改进的MASK对目标识别分割，确定采摘顺序，定位果梗，制定同侧机械臂的采摘路径；同侧机械臂按照路径采摘，首先通过机械臂末端的夹持机构夹住果梗，随后压力传感器传输数据，剪切装置执行剪切操作，果梗剪切完毕后，机械臂末端的采摘机构沿竖向轴线旋转，每次旋转90度，双目相机拍摄被采摘的葡萄四个面，利用改进SVM算法分级，将残次品葡萄直接运送至残次品收集箱，将优等、一等和二等品葡萄运送至充气打包装置，夹持机构将一整串葡萄放入充气打包装置中，完成一侧的一次采摘工作，机械臂复位后继续采摘下一个目标；

S103 对采摘后的葡萄打包；

通过取袋电机带动取袋装置向储袋箱转动，通过吸盘吸附包装袋，取袋电机反转，取袋装置带着包装袋回到初始位置，撑袋装置的气缸伸出，将包装袋另一侧吸附，撑袋装置的气缸后移，将包装袋撑开，夹持机构松开对葡萄的夹持，葡萄落入包装袋中，充气装置完成充气；

S104 对打包好的葡萄装箱；

电动滑轨根据分级结果将充气打包装置运送到相应等级的分级收集箱上方，吸盘停止吸气，支撑板的向下转动，使包装好的葡萄滑入收集箱；

S105 装箱完毕后，充气打包装置复位，等待下一串葡萄的采收；

当两侧可调节双目相机检测到满足条件的目标均采收完毕后，机械臂复位，重复S101工作。

本发明的有益效果为：可同时采收两侧篱架的葡萄，集采摘、分级、打包和收集功能于一体，可以一次性完成葡萄采摘分级、打包和收集，缩短了从采摘到收集装箱的时间，提高了葡萄的收获效率，最大限度的减少人工参与和葡萄损伤，处理后的葡萄可以直接供应市场。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图（后方视角）；

图2为本发明的整体结构示意图（前方视角）；

图3为本发明的自行走装置结构图；

图4为本发明的机械臂结构图；

图5为本发明的机械臂末端结构图；

图6为本发明的打包装置结构图；

图7为阳光玫瑰等级参考表；

图8为本发明的工作流程图；

图中所示：

1、自行走装置，11、防撞杆，12、行走双目相机，13、底盘，2、采摘装置，21、机械臂，22、机械臂座，211、剪切装置，212、夹持机构，213、第一电机，214、压力传感器，3、图像采集装置，4、充气打包装置，41、充气打包装置的底座，42、支撑板，43、取袋装置，431、取袋电机，44、储袋箱，45、充气装置，46、撑袋装置，461、气缸，462、吸盘，5、电动滑轨，6、分级收集箱。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，包括自行走装置1，以及安装于所述自行走装置上的采摘装置2、图像采集装置3、充气打包装置4、残次品收集箱和若干分级收集箱6，自行走装置、采摘装置、图像采集装置和打包装置均电性连接智能控制器。

分级收集箱6为三个，分别用于盛放优等品、一等品和二等品葡萄，残次品收集箱和各分级收集箱沿左右方向依次分布，各收集箱均可拆卸并且设置有把手。

图像采集装置3用于识别葡萄生长位的果梗和夹持机构所夹持的葡萄表面信息，本实施例的图像采集装置包括两个可调节双目相机，可调节双目相机的角度可以调节，以便采集目标图像。

采摘装置包括机械臂21、位于机械臂末端的采摘机构，以及驱动采摘机构沿竖向轴线旋转的第一电机213，采摘装置仿人形作为机器人本体，配有两个四轴的机械臂21，机械臂带动采摘机构移动至葡萄生长位、充气打包装置打包位上方和残次品收集箱上端进料口上方，实现采摘、打包和残次品装箱。机器人头部作为控制箱，智能控制器设置于控制箱内部，两个可调节双目相机分别设置在控制箱的左右两侧。采摘机构包括剪切装置211和位于剪切装置下方的夹持机构212，夹持机构上装有压力传感器214，以免对葡萄造成过度夹持。可调节双目相机定位果梗后，电机控制夹持机构212和剪切装置211的开合，夹持机构212将葡萄果梗夹住，剪切装置211进行剪切，机械臂21末端可以旋转，可调节双目相机拍摄被采摘的葡萄四个面，每次旋转90度，残次品葡萄将直接被运送至残次品收集箱，优等品、一等品和二等品葡萄被运送至充气打包装置4。四轴机械臂21的各关节、末端夹持机构212和剪切装置211各配有独立电机，与可调节双目相机配合，一侧的可调节双目相机检测到满足条件的目标时，同侧机械臂21采摘，两机械臂21可同时采摘。

充气打包装置位于分级收集箱上方，自行走装置上还安装有驱动打包装置移动至各分级收集箱上端进料口上方的驱动机构。充气打包装置的打包位下方设有支撑充气包装袋的支撑板42，支撑板与充气打包装置的底座41通过横轴铰接，充气打包装置的底座上安装有驱动所述支撑板绕横轴转动的第二电机。充气打包装置的其他结构可采用现有技术，如CN113525792A中的结构，充气打包装置4包括储袋箱44、取袋装置43、撑袋装置46、充气装置45和支撑板42，打包时取袋装置43在取袋电机431的带动下向储袋箱44转动，吸盘462吸附包装袋，取袋装置43带着包装袋回到初始位置，撑袋装置的气缸461伸出，将包装袋另一侧吸附，然后气缸伸出端后移，将包装袋撑开，葡萄落入包装袋中，充气装置45完成充气。

自行走装置包括底盘13、安装在底盘上的行走轮和驱动行走轮转动的行走电机，自行走装置的前、后两端分别设置有防撞杆11，防撞杆与底盘固接，底盘的前部上方安装有行走双目相机12与高清摄像头，用于观察路况。

自行走装置的底盘上固设有机械臂座22，机械臂座22的左侧面和右侧面均设有沿竖向延伸的导向槽，以及驱动机械臂沿所述导向槽上下移动的动力机构，两机械臂的首端分别滑设在两侧的导向槽中，机械臂座位于充气打包装置的前方。所述驱动机构为沿左右方向延伸的电动滑轨5，电动滑轨安装在各收集箱上方，充气打包装置安装在所述电动滑轨上，电动滑轨5根据被检测葡萄的分级结果，将充气打包装置4运送到被检测葡萄对应等级收集箱上方，吸盘462停止吸气，底板42下放，葡萄在充气袋的保护下落入收集箱。

智能控制器与自行走装置1、所有双目相机、机械臂21、充气打包装置4和电动滑轨5电路组成控制系统，其中智能控制器分别与双目相机、压力传感器214、充气打包装置4数据传输；智能控制器分别与四轴机械臂21、夹持机构212和剪切装置211的控制电路相连。智能控制器利用改进MASK-RCNN识别鲜食葡萄的特征，同时进行分割和定位，以及利用改进支持向量机SVM对葡萄的颜色矩、轮廓特征、几何特征和全特征模块评估，将葡萄等级分为：优等品、一等品、二等品和残次品四个等级。

一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人的使用方法，包括如下步骤：

S101 机器人启动后，通过内嵌在自行走装置车头的行走双目相机观察路况，控制自行走装置的移动状态，底盘13高度低，行走安全稳定；

S102 机器人行走在左、右葡萄架之间，对成熟葡萄采摘，并分级，将残次品放入残次品收集箱，其余等级葡萄放入充气打包装置进行打包；

控制箱两侧的可调节双目相机对葡萄架的图像采集识别，将采集到的图像数据传输给控制箱中的控制器，当控制器分析出有一侧采集的图像中发现满足采摘的目标时，自行走装置停止运行，可调节双目相机对图像采集，控制器利用改进的MASK对目标识别分割，确定采摘顺序，定位果梗，制定同侧机械臂的采摘路径；同侧机械臂按照路径采摘，首先通过机械臂末端的夹持机构夹住果梗，随后压力传感器传输数据，剪切装置执行剪切操作，果梗剪切完毕后，机械臂末端的采摘机构沿竖向轴线旋转，每次旋转90度，双目相机拍摄被采摘的葡萄四个面，利用改进SVM算法分级，将残次品葡萄直接运送至残次品收集箱，将优等、一等和二等品葡萄运送至充气打包装置，夹持机构将一整串葡萄放入充气打包装置中，完成一侧的一次采摘工作，机械臂复位后继续采摘下一个目标；

S103 对采摘后的葡萄打包；

通过取袋电机带动取袋装置向储袋箱转动，通过吸盘吸附包装袋，取袋电机反转，取袋装置带着包装袋回到初始位置，撑袋装置的气缸伸出，将包装袋另一侧吸附，撑袋装置的气缸后移，将包装袋撑开，夹持机构松开对葡萄的夹持，葡萄落入包装袋中，充气装置完成充气；

S104 对打包好的葡萄分级装箱；

电动滑轨根据分级结果将充气打包装置运送到相应等级的分级收集箱上方，吸盘停止吸气，支撑板的向下转动，使包装好的葡萄滑入收集箱；

S105 装箱完毕后，充气打包装置复位，等待下一串葡萄的采收；

当两侧可调节双目相机检测到满足条件的目标均采收完毕后，机械臂复位，重复S101工作。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，其特征在于：包括自行走装置（1），以及安装于所述自行走装置上的采摘装置（2）、图像采集装置（3）、充气打包装置（4）、残次品收集箱和若干分级收集箱（6），自行走装置、采摘装置、图像采集装置和打包装置均电性连接控制器；

采摘装置包括机械臂（21）、位于机械臂末端的采摘机构，以及驱动采摘机构沿竖向轴线旋转的第一电机，采摘机构包括剪切装置（211）和位于剪切装置下方的夹持机构（212）；机械臂带动采摘机构移动至葡萄生长位、充气打包装置打包位上方和残次品收集箱上端进料口上方；

图像采集装置（3）用于识别葡萄生长位的果梗和夹持机构所夹持的葡萄表面信息；

充气打包装置位于分级收集箱上方，自行走装置上还安装有驱动打包装置移动至各分级收集箱上端进料口的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，其特征在于：充气打包装置的打包位下方设有支撑充气包装袋的支撑板（42），支撑板与充气打包装置的底座（41）通过横轴铰接，充气打包装置的底座上安装有驱动所述支撑板绕横轴转动的第二电机。

3.根据权利要求1所述的鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，其特征在于：自行走装置上固设有机械臂座（22），机械臂座（22）上设有沿竖向延伸的导向槽，以及驱动机械臂沿所述导向槽上下移动的动力机构，机械臂座位于充气打包装置的前方，残次品收集箱和各分级收集箱沿左右方向依次分布，所述驱动机构为沿左右方向延伸的电动滑轨（5）。

4.根据权利要求1所述的鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人，其特征在于：自行走装置的前、后两端分别设置有防撞杆（11）。

5.一种鲜食葡萄无损采摘分级、打包及收集机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101 机器人启动后，通过内嵌在自行走装置车头的行走双目相机观察路况，控制自行走装置的移动状态；

S102 机器人行走在左、右葡萄架之间，对成熟葡萄采摘，并分级，将残次品放入残次品收集箱，其余等级葡萄放入充气打包装置进行打包；

可调节双目相机对葡萄架的图像采集识别，将采集到的图像数据传输给控制器，当控制器分析出有一侧采集的图像中发现满足采摘的目标时，自行走装置停止运行，可调节双目相机对图像采集，控制器利用改进的MASK对目标识别分割，确定采摘顺序，定位果梗，制定同侧机械臂的采摘路径；同侧机械臂按照路径采摘，首先通过机械臂末端的夹持机构夹住果梗，随后压力传感器传输数据，剪切装置执行剪切操作，果梗剪切完毕后，机械臂末端的采摘机构沿竖向轴线旋转，每次旋转90度，双目相机拍摄被采摘的葡萄四个面，利用改进SVM算法分级，将残次品葡萄直接运送至残次品收集箱，将优等、一等和二等品葡萄运送至充气打包装置，夹持机构将一整串葡萄放入充气打包装置中，完成一侧的一次采摘工作，机械臂复位后继续采摘下一个目标；

S103 对采摘后的葡萄打包；

通过取袋电机带动取袋装置向储袋箱转动，通过吸盘吸附包装袋，取袋电机反转，取袋装置带着包装袋回到初始位置，撑袋装置的气缸伸出，将包装袋另一侧吸附，撑袋装置的气缸后移，将包装袋撑开，夹持机构松开对葡萄的夹持，葡萄落入包装袋中，充气装置完成充气；

S104 对打包好的葡萄装箱；

电动滑轨根据分级结果将充气打包装置运送到相应等级的分级收集箱上方，吸盘停止吸气，支撑板的向下转动，使包装好的葡萄滑入收集箱；

S105 装箱完毕后，充气打包装置复位，等待下一串葡萄的采收；

当两侧可调节双目相机检测到满足条件的目标均采收完毕后，机械臂复位，重复S101工作。

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