CN114408270A - 用于水果成熟度分级包装的机械手、包装机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水果成熟度分级包装的机械手、包装机及方法。所述机械手中的颜色辨识系统设置在机械手本体的掌心处，颜色辨识系统用于采集机械手待抓取水果的颜色，柔性薄膜压力传感器设置在机械手本体与水果接触的手指和手掌处，控制器用于根据颜色辨识系统识别的待抓取水果的颜色确定待抓取水果的初始成熟度，并根据初始成熟度确定是否控制机械手本体抓取待抓取水果，控制器还用于根据柔性薄膜压力传感器的数据判断机械手本体抓取的水果的最终成熟度，并根据最终成熟度控制机械手本体将抓取的水果放置到对应的位置。本发明可以实现高效率和自动化的成熟度分级。

Description

用于水果成熟度分级包装的机械手、包装机及方法

技术领域

本发明涉及水果成熟度分级技术领域，特别是涉及一种用于水果成熟度分级包装的机械手、包装机及方法。

背景技术

针对于成熟前后果皮颜色和软硬度变化明显的水果，例如牛油果、猕猴桃和橘子等，在水果在采摘后的成熟度分级过程中，现有技术中多采用人工通过果皮颜色和手握判断软硬度来区分成熟度，效率和工业化程度低；还有不考虑颜色，采用硬度计、质构仪等仪器判断软硬度不能够做到无损检测，也有用少数水果成熟度估计整体成熟度，效率低，同时也会造成大量的浪费和经济效益的损失。

现在工农业生产设计中，多采用机械手搭配机器视觉进行分选和搬运功能，在农业中，水果成熟度分级多采用机器视觉对水果进行分选，仅仅依据颜色等外观因素对水果进行成熟度的分级包装，缺乏对水果本身特性的评价，当前新兴的柔性感知与机械手进行配合工作是对机械手功能的重要补充，可以大大扩大机械手的应用范围和使用功能。

机械手在智能化、无人化现代工厂要实现能够快速、灵活地响应各种变化的生产需求，并确保各种质量标准要求的实现。在农业中也实现了采摘和简单分级(比如重量，大小等)的功能，但是在水果成熟度分级领域缺乏相关研究。

因此，在水果采摘后进行成熟度分级过程中，为实现高效率的成熟度分级和无人运行生产线自动化，需要一种用于水果成熟度分级包装的机械手。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于水果成熟度分级包装的机械手、包装机及方法，可以实现高效率和自动化的成熟度分级。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于水果成熟度分级包装的机械手，包括：机械手本体、辨识水果装置和控制器，所述机械手本体和所述辨识水果装置均与所述控制器连接；

所述辨识水果装置包括：颜色辨识系统和柔性薄膜压力传感器，所述颜色辨识系统设置在所述机械手本体的掌心处，所述颜色辨识系统用于采集机械手待抓取水果的颜色，所述柔性薄膜压力传感器设置在所述机械手本体与水果接触的手指和手掌处，所述控制器用于根据所述颜色辨识系统识别的待抓取水果的颜色确定所述待抓取水果的初始成熟度，并根据所述初始成熟度确定是否控制所述机械手本体抓取所述待抓取水果，所述控制器还用于根据所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述机械手本体抓取的水果的颜色判断所述机械手本体抓取的水果的最终成熟度，并根据所述最终成熟度控制所述机械手本体将抓取的水果放置到对应的位置，所述根据所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述机械手本体抓取的水果的颜色判断所述机械手本体抓取的水果的最终成熟度具体为：

根据公式

计算当前抓取水果的最终成熟度，其中，x_k表示第k个柔性薄膜压力传感器的权重，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的反馈电压值，μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的传感器数据，

为线性相关系数，

为修正系数，F_wi为第i个计算区域内所有柔性薄膜压力传感器的传感器数据，s_i为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的传感器数据，H_n为水果软硬度，f()为

与H_n的对应关系，G表示当前抓取的水果的最终成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号。

可选的，所述机械手本体的手指为气动柔性夹具，所述机械手本体与水果接触的部位的材质为半刚性材质。

一种用于水果成熟度分级包装的包装机，包括：水果运输装置、包装装置和上述所述的用于水果成熟度分级包装的机械手；所述机械手用于将所述水果运输装置上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述包装装置上，所述包装装置用于将所述符合目标成熟度的水果进行包装。

可选的，所述包装装置包括：顺序连接的装盒机构和扣盖机；所述装盒机构用于将空盒子传送到装盒区，所述机械手用于将所述水果运输装置上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述盒区内的空盒子内得到盛满水果后的盒子，所述扣盖机用于对所述盛满水果后的盒子进行扣盖；所述盛满水果后的盒子中有设定数量的水果。

可选的，所述包装装置还包括：互相连接的称重计和贴标机系统，所述称重计设置在所述装盒区内，所述称重计用于对所述空盒子和所述盛满水果后的盒子分别进行称重得到第一重量和第二重量，并将所述第一重量和所述第二重量传输给贴标机系统，所述贴标机系统根据所述第一重量和所述第二重量得到所述盛满水果后的盒子内水果的重量，并将所述水果的重量贴在盒子上。

可选的，所述装盒机构包括：第一传送带、装盒台、第二传送带、第一推杆和第二推杆；所述第一传送带用于传送所述空盒子，所述第一推杆固定设置在所述第一传送带的末端，所述第一推杆的运动方向与所述第一传送带的传送方向垂直，所述第一推杆用于将所述空盒子从所述第一传送带上推到所述装盒台的装盒区内，所述第二推杆设置在所述装盒台上，所述第二推杆的运动方向与所述第二传送带的传送方向相同，所述第二推杆用于将所述装盒区内装满水果的盒子推送到所述第二传送带上，所述第二传送带用于将所述装满水果的盒子传送到设定位置。

可选的，所述扣盖机包括：液压杆、吸盘和导轨；所述吸盘设置在所述液压杆的一端，所述液压杆的另一端沿所述导轨滑动设置，所述吸盘用于吸起盒子盖，并沿所述导轨运动到所述装盒区的正上方，所述液压杆用于将吸盘垂直移动，以使所述吸盘上的盒子盖盖到所述装盒区内盛满水果后的盒子上。

一种用于水果成熟度分级包装的方法，应用于上述所述的用于水果成熟度分级包装的机械手，所述方法包括：

获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色；

根据所述当前待抓取水果的颜色确定所述当前待抓取水果的初始成熟度；

根据所述当前待抓取水果的初始成熟度和目标成熟度判断是否要抓取所述当前待抓取水果，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为否，则更新当前待抓取水果，并返回步骤所述“获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色”；

若所述第一判断结果为是，则控制机械手本体抓取所述当前待抓取水果得到当前抓取水果并获取当前机械手本体上各柔性薄膜压力传感器的数据；

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度。

可选的，所述根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体包括：

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据确定所述当前抓取水果的软硬度；

根据所述当前抓取水果的软硬度和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度。

可选的，所述根据所述当前抓取水果的软硬度和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体包括：

根据公式

计算当前抓取水果的最终成熟度，其中，x_k表示第k个柔性薄膜压力传感器的权重，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的反馈电压值，μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的传感器数据，

为线性相关系数，

为修正系数，F_wi为第i个计算区域内所有柔性薄膜压力传感器的传感器数据，s_i为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的传感器数据，H_n为水果软硬度，f()为

与H_n的对应关系，G表示当前抓取的水果的最终成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明颜色辨识系统设置在机械手本体的掌心处，颜色辨识系统用于采集机械手待抓取水果的颜色，柔性薄膜压力传感器设置在机械手本体与水果接触的手指和手掌处，控制器用于根据颜色辨识系统识别的待抓取水果的颜色确定待抓取水果的初始成熟度，并根据初始成熟度确定是否控制机械手本体抓取待抓取水果，控制器还用于根据柔性薄膜压力传感器的数据判断机械手本体抓取的水果的最终成熟度，并根据最终成熟度控制机械手本体将抓取的水果放置到对应的位置，通过颜色和柔性薄膜压力传感器的数据对水果按照成熟度分级抓取，可以实现高效率和自动化的成熟度分级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的辨识水果装置所处位置示意图；

图2是本发明实施例提供的用于水果成熟度分级包装的机械手示意图；

图3是本发明用于水果成熟度分级包装的包装机的整体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的夹取水果时试验得出的最优的柔性传感器与水果接触面积示意图；

图5是本发明实施例提供的夹取水果时俯视示意图；

图6是试验得出的柔性传感接触面积效果示意图；

图7是本发明实施例提供的机械手末端气动夹具示意图；

图8是本发明实施例提供的包装装置示意图；

图9是本发明实施例提供的水果运输装置示意图；

图10是以牛油果为例成熟度判断决策图；

图11为以颜色判断成熟度和以本发明中颜色和硬度综合判断成熟度的结果准确率柱状图。

符号说明：

1-机械手本体、2-辨识水果装置、3-包装装置、4-水果运输装置、21-颜色辨识系统、22-柔性薄膜压力传感器、31-扣盖机、311-盒子盖、312-导轨、313-液压杆、314-吸盘、32-贴标机系统、321-收束、33-第一传送带、331-包装盒、332-第一推杆、333-第二推杆、334-称重计、41-托盘、42-水果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种用于水果成熟度分级包装的机械手，如图1和图2所示，包括：机械手本体1、辨识水果装置2和控制器，所述机械手本体1和所述辨识水果装置2均与所述控制器连接；所述辨识水果装置2包括：颜色辨识系统和柔性薄膜压力传感器22，所述颜色辨识系统设置在所述机械手本体1的掌心处，所述颜色辨识系统用于采集机械手待抓取水果的颜色，所述柔性薄膜压力传感器22设置在所述机械手本体1与水果接触的手指和手掌处，在手指和掌心处柔性薄膜压力传感器22数量和分布位置由其最优的柔性传感机械手形状、抓取姿势、水果形状和水果摆放方式等决定，柔性压力传感信号与颜色辨识系统21进行综合判断成熟度，所述控制器用于根据所述颜色辨识系统识别的待抓取水果的颜色确定所述待抓取水果的初始成熟度，并根据所述初始成熟度确定是否控制所述机械手本体1抓取所述待抓取水果，所述控制器还用于根据所述柔性薄膜压力传感器22的数据和所述机械手本体1抓取的水果的颜色判断所述机械手本体1抓取的水果的最终成熟度，并根据所述最终成熟度控制所述机械手本体1将抓取的水果放置到对应的位置，所述根据所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述机械手本体抓取的水果的颜色判断所述机械手本体抓取的水果的最终成熟度具体为：

根据

计算当前抓取水果的最终成熟度，其中，x_k表示第k个柔性薄膜压力传感器的权重，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的反馈电压值，μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的传感器数据，

为线性相关系数，

为修正系数，F_wi为第i个计算区域内所有柔性薄膜压力传感器的传感器数据，s_i为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的传感器数据，H_n为水果软硬度，f()为

与H_n的对应关系，G表示当前抓取的水果的最终成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号。

作为一种可选的实施方式，颜色辨识系统21分布在机械手本体1的手爪中间。

作为一种可选的实施方式，为仿生老练工人采用掌心判断水果成熟度，柔性薄膜压力传感器22分布位置为机械手本体1最有力的手指和掌心处，尤其是手指中部，当机械手本体1抓取水果时手指中部和掌心处为接触水果最紧密的地方。

作为一种可选的实施方式，如图7所示，所述机械手本体1的手指为气动柔性夹具，与水果接触部分为半刚性材质，既不会对水果果皮产生破坏也不会发生形变，确保柔性薄膜压力传感器22反馈数据准确。

本发明实施例还提供了一种用于水果成熟度分级包装的包装机，包括：水果运输装置4、包装装置3和上述实施例提供的用于水果成熟度分级包装的机械手；所述机械手用于将所述水果运输装置4上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述包装装置3上，所述包装装置3用于将所述符合目标成熟度的水果进行包装，机械手中的辨识水果装置2和柔性薄膜压力传感器22可以根据水果颜色和软硬度判断水果成熟度，确定成熟度后机械手对其进行M个级别成熟度分级并将成熟后的相同成熟度水果放到同一包装盒331进行包装，包装装置3对成熟度分级后的水果进行包装，整个过程在水果运输装置4上运行，最终获得M类成熟度的水果，可根据消费者需求的成熟度直接出售，无需二次包装，整个成熟度分级包装过程自动运行，效率高，便于根据成熟度进行催熟、售卖和冷藏，提高了科学管理水平，品质和消费体验好，减少浪费。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，机械手本体1为柔性传感五爪机械手本体，柔性传感五爪机械手本体、辨识水果装置2和包装装置3都围绕在水果运输装置4周围运行，其中：水果运输装置4为柔性传感五爪机械手本体、辨识水果装置2和包装装置3的连通媒介，水果运输装置4上有水果42和托盘41。柔性传感五爪机械手本体、辨识水果装置2和包装装置3均共有两个，柔性传感五爪机械手本体布置在水果运输装置4两侧前后，水果运输装置4运行方向为从第一个1号柔性传感五爪机械手本体到第二个2号柔性传感五爪机械手本体，两个柔性传感五爪机械手本体通过辨识水果装置2与水果运输装置4良好配合完成水果成熟度分级，确认成熟度后，柔性传感五爪机械手本体将对应成熟度的水果夹取到对应包装盒331内，一个包装装置3对成熟度分级后的相同成熟度水果进行包装。

作为一种可选的实施方式，所述包装装置3包括：顺序连接的装盒机构和扣盖机31；所述装盒机构用于将空盒子传送到装盒区，所述机械手用于将所述水果运输装置4上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述盒区内的空盒子内得到盛满水果后的盒子，所述扣盖机31用于对所述盛满水果后的盒子进行扣盖；所述盛满水果后的盒子中有设定数量的水果。

作为一种可选的实施方式，所述包装装置3还包括：互相连接的称重计334和贴标机系统32，所述称重计334设置在所述装盒区内，所述称重计334用于对所述空盒子和所述盛满水果后的盒子分别进行称重得到第一重量和第二重量，并将所述第一重量和所述第二重量传输给贴标机系统32，所述贴标机系统32根据所述第一重量和所述第二重量得到所述盛满水果后的盒子内水果的重量，并将所述水果的重量贴在盒子上。

作为一种可选的实施方式，如图8所示，所述装盒机构包括：第一传送带33、装盒台、第二传送带、第一推杆332和第二推杆333；所述第一传送带33用于传送所述空盒子，所述第一推杆332固定设置在所述第一传送带33的末端，所述第一推杆332的运动方向与所述第一传送带33的传送方向垂直，所述第一推杆332用于将所述空盒子从所述第一传送带33上推到所述装盒台的装盒区内，所述第二推杆333设置在所述装盒台上，所述第二推杆333的运动方向与所述第二传送带的传送方向相同，所述第二推杆333用于将所述装盒区内装满水果的盒子推送到所述第二传送带上，所述第二传送带用于将所述装满水果的盒子传送到设定位置。

作为一种可选的实施方式，所述扣盖机31包括：液压杆313、吸盘314和导轨312；所述吸盘314设置在所述液压杆313的一端，所述液压杆313的另一端沿所述导轨312滑动设置，所述吸盘314用于吸起盒子盖311，并沿所述导轨312运动到所述装盒区的正上方，所述液压杆313用于将吸盘314垂直移动，以使所述吸盘314上的盒子盖311盖到所述装盒区内盛满水果后的盒子上。

作为一种可选的实施方式，所述装盒台与所述第二传送带通过斜坡连接，贴标机系统32放在斜坡处，称重计334称重后包装盒331经过斜坡时进行贴标签。

作为一种可选的实施方式，盒子盖311放在盒子盖311底部推杆上，推杆推出的长度可监测，用于监测剩余盖的数量。

所述包装机的工作过程具体为：

柔性传感五爪机械手运行至水果正上方，辨识水果装置中预先输入该水果果皮颜色与成熟度对应关系，与待测水果成熟度颜色图像对比，获得待测水果果皮颜色对应成熟度，果皮颜色符合即进行抓取水果，柔性传感五爪机械手抓取水果时柔性薄膜压力传感器经过转换获得水果软硬度，综合颜色和软硬度获得最终水果成熟度，将最终水果成熟度符合要求的水果放到包装装置进行装盒和贴签。

成熟度判断及抓取过程具体为：

S0：机械手自动或手工校正，根据要分级的水果形状，通过人工或机械手抽样抓取测试，实现机械手自动调整的适应功能，以最优的柔性接触面积进入工作状态，如图4所示，图4为夹取水果时试验得出的最优的柔性传感器与水果接触面积示意图。

为了实现针对多种水果转换稳定抓取，确定最优解调整方式：

1)机械手自带知识库调整，根据预设待测水果形状，或者该水果检测历史记录，自动生成夹取方案。

2)人工基于知识库调整，获得夹取方案最优解并记录信息，便于下次直接调取知识库进行检测。

3)通过给定的测试规则自动测试调整，针对特殊果型，对其多次测试，获得最优检测方案并计入知识库。

考虑到不同品种水果果型差异，为确保机械手抓取水果时柔性传感获得最佳接触面积，从而获得最优效果。图5和图6展现了试验所得实际接触面积反映的压力分布，采用5*5像素点来展示柔性压力传感得到的压力分布，颜色越深压力越大。图6-1反映了接触面积为0时，A和B柔性压力传感器局部放大图和5*5像素点颜色变化情况，表明柔性压力传感器未接收到压力信号，5*5像素点不显示压力变化；图6-2反映了机械手实际抓取水果时，A和B柔性压力传感器局部放大图和5*5像素点颜色变化情况，5*5像素点表明柔性传感对不同方向力的变化感受明显，柔性压力传感器接收到压力信号，5*5像素点显示压力变化和压力分布情况。通过5*5像素点压力变化情况，能获得接触面积对测量结果的影响，从而获得最优的柔性传感机械手形状、抓取姿势、水果摆放方式和柔性薄膜压力传感器布置形式，进而获得最优的接触面积；图6-3反映了柔性传感器内部不同接触位置压力变化曲线，R处感应最敏感且最感知范围最大，S、T处以此类推，用于指导最佳接触位置。

S1：如图9所示，从果园采摘下来未经过成熟度分级水果，以20个为单位放置在标记好位置号的五排四列(5，4)水果托盘中，水果运输装置将水果托盘定位运输至1号机械手所在位置并停下，机械手运动至一排一列(1，1)，从(1，1)开始，进行M种成熟度的识别。

S2：位于机械手掌心的颜色辨识系统采集水果果皮颜色，与成熟度不同的果皮颜色进行对比分析，根据颜色初步得出成熟度，按照订单需求，将果皮颜色分为第一到第M种成熟度水平，只抓取预先设定的某一成熟度的水果。

S3：机械手对其软硬度进行第二次成熟度检测，1号机械手抓取颜色识别某一成熟度的水果，2号机械手抓取颜色识别为另一成熟度的水果，符合则对其软硬度进行第二次成熟度检测。

S4：软硬度符合后抓取装盒后进入包装程序，不符合则放回。托盘内剩余的为某种预先设定不抓取成熟度的水果。

装盒包装过程：

第一推杆推动第一传送带上的包装盒进入称重计，机械手将符合成熟度的水果装入包装盒中，装满3个后，准备包装过程，扣盖机上的吸盘吸起盖子并沿着导轨运动至包装盒正上方，吸盘向下运动，与包装盒接触完成扣盖过程，完成后第二推杆推动装满水果的包装盒进入斜坡，贴标机系统进行贴标签，包装盒滑下过程中有收束规范滑落过程中的位置，这样便完成了包装过程。

称重贴标签过程：

基于水果包装商品化需求，确定售卖包装方式，机械手将相同成熟度的水果按照给定重量范围要求计重包装或固定个数包装将水果装满包装盒后，包装盒底部称重计读取放水果前后包装盒的质量，得出包装盒内水果的质量，将信息传输至斜坡上的贴标机系统，待包装盒运行至斜坡贴签机的位置，进行贴标签过程，标签中包含当日日期、质量和成熟度等信息。

本发明实施例在对于不同水果果实形状，具体分析其最优的柔性传感机械手形状、抓取姿势、水果摆放方式和柔性薄膜压力传感器布置形式，确保抓取水果稳定可靠有力，识别速度和准确率高。

本发明实施例还提供了一种用于水果成熟度分级包装的方法，应用于上述实施例提供的用于水果成熟度分级包装的机械手，所述方法包括：

获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色。

根据所述当前待抓取水果的颜色确定所述当前待抓取水果的初始成熟度。

根据所述当前待抓取水果的初始成熟度和目标成熟度判断是否要抓取所述当前待抓取水果，得到第一判断结果。

若所述第一判断结果为否，则更新当前待抓取水果，并返回步骤所述“获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色”。

若所述第一判断结果为是，则控制机械手本体抓取所述当前待抓取水果得到当前抓取水果并获取当前机械手本体上各柔性薄膜压力传感器的数据。

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度。

在实际应用中，所述根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体包括：

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据确定所述当前抓取水果的软硬度；具体为：根据

计算软硬度H_n，其中，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

为机械手上p个计算区域柔性薄膜压力传感器压力值的总和，

s为计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

表示第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器对应的传感器数值；

F_wi为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的压力值，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数；

为线性相关系数，

为修正系数。

根据所述当前抓取水果的软硬度和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体为：根据公式G＝λ*(C_m,H_n)公式(7)计算最终成熟度G，分为第一成熟度，第二成熟度……第M成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号，共分C₁、C₂、C₃……C_#个级别色号，其中C1表示未成熟色，C₂代表第二等级成熟度颜色，以此类推；H_n为水果软硬度级别。

本发明的有益效果：

可以实现对采摘后的水果根据成熟度自动分级，实现了无损检测，不同于传统的破坏性试验检测成熟度或者人工耗时耗力进行逐一抓取检测，大大提高了经济效益和工作效率。

可根据消费者需求的成熟度直接出售，无需二次包装，便于根据成熟度进行催熟、售卖和冷藏，提高了科学管理水平，品质和消费体验好，减少浪费。

本发明实施例以牛油果为例，采用上述包装机对牛油果进行三种成熟度的分级包装。水果运输装置4为柔性传感五爪机械手本体、辨识水果装置2和包装装置3的连通媒介，水果运输装置4上有牛油果和托盘41。

首先柔性传感五爪机械手到达牛油果位置，摄像头拍照对比牛油果颜色，颜色符合进行抓取传感器进行压力判断得到最终成熟度，与水果运输装置4良好配合完成牛油果成熟度分级，确认成熟度后，柔性传感五爪机械手将对应成熟度的牛油果夹取到对应包装盒331内，包装装置3对成熟度分级后的相同成熟度牛油果进行包装。颜色辨识系统21位于机械手手爪掌心，柔性薄膜压力传感器22附着在机械手掌心内壁和机械手指上，根据所需精度确定柔性薄膜压力传感器22的数量n，n∈(1，+∞)且n取整数，当n取无穷大即视为人手。在掌心内壁和机械手指上计算区域内不同位置获取的压力，分析权重不同，核心公式如公式(4)。

在夹取牛油果实例中，采用将柔性薄膜压力传感器22布置于机械手手指中部和掌心处计算区域，设计十个柔性传感计算区域，五个在手指中部，五个在掌心处。包装盒331放于第一传送带33上，机械手将牛油果放于包装盒331内。贴标机放在斜坡处，称重计334称重后包装盒331经过斜坡时进行贴标签。

如图10所示，牛油果成熟度判断步骤大致为：

牛油果成熟度分选，判断果皮颜色是否符合成熟或者过度成熟，若符合成熟或者过度成熟则抓取并返回软硬度传感数据，并判断硬度是否符合最低成熟度值，若符合最低成熟度值则判断是成熟还是过度成熟，将他们抓取到包装盒，并称重后扣盖，然后出库直接售卖或者冷藏延长货架期。若不符合成熟或者过度成熟或者不符合最低成熟度值，则不抓取并继续识别下一个，并把托盘中的水果入库催熟。

判断牛油果成熟度的自动化流程：

S0：机械手自动或手工校正，根据要分级的牛油果形状，通过人工或机械手抽样抓取测试，实现机械手自动调整的适应功能，以最优的柔性接触面积进入工作状态，确定采用机械手。

S1：从果园采摘下来的未经过成熟度分级的牛油果以20个为单位放置在标记好位置号的五排四列(5，4)牛油果托盘中，水果运输装置将牛油果托盘定位运输至1号机械手所在位置并停下，机械手运动至一排一列(1，1)，从(1，1)开始，进行三种成熟度的识别，包括未成熟、成熟和过分成熟。

S2：位于机械手掌心的颜色辨识系统采集牛油果果皮颜色，与成熟度不同的果皮颜色进行对比分析，根据颜色初步得出成熟度，将果皮颜色分为嫩绿(未成熟)、墨绿(成熟)和褐色(成熟)、黑色(过分成熟)，若识别为嫩绿则不抓取，若墨绿、褐色和黑色则进行抓取。

S3：机械手对其软硬度进行第二次成熟度检测，1号机械手抓取颜色识别为墨绿、褐色的牛油果，2号机械手抓取颜色识别为黑色的牛油果，符合则对其软硬度进行第二次成熟度检测。

S4：软硬度符合后抓取装盒后进入包装程序，不符合则放回。托盘内剩余为未成熟牛油果，进入催熟车间。

装盒包装过程和称重贴标签过程与上述实施例提供的相同，此处不再赘述。

为说明颜色与硬度互补判断性成熟度的可靠性，设置了不同方式判断成熟度的预试验，并用质构仪破坏性检测牛油果真实成熟度，实验结果如图11所示，试验表明，颜色与硬度互补判断性成熟度更可靠。

本发明不仅仅可以应用于牛油果，也可应用于猕猴桃、橘子等水果，对于成熟前后水果软硬变化分拣尤为明显。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于水果成熟度分级包装的机械手，其特征在于，包括：机械手本体、辨识水果装置和控制器，所述机械手本体和所述辨识水果装置均与所述控制器连接；

所述辨识水果装置包括：颜色辨识系统和柔性薄膜压力传感器，所述颜色辨识系统设置在所述机械手本体的掌心处，所述颜色辨识系统用于采集机械手待抓取水果的颜色，所述柔性薄膜压力传感器设置在所述机械手本体与水果接触的手指和手掌处，所述控制器用于根据所述颜色辨识系统识别的待抓取水果的颜色确定所述待抓取水果的初始成熟度，并根据所述初始成熟度确定是否控制所述机械手本体抓取所述待抓取水果，所述控制器还用于根据所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述机械手本体抓取的水果的颜色判断所述机械手本体抓取的水果的最终成熟度，并根据所述最终成熟度控制所述机械手本体将抓取的水果放置到对应的位置，所述根据所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述机械手本体抓取的水果的颜色判断所述机械手本体抓取的水果的最终成熟度具体为：

根据公式

计算当前抓取水果的最终成熟度，其中，x_k表示第k个柔性薄膜压力传感器的权重，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的反馈电压值，μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的传感器数据，

为线性相关系数，

为修正系数，F_wi为第i个计算区域内所有柔性薄膜压力传感器的传感器数据，s_i为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的传感器数据，H_n为水果软硬度，f()为

与H_n的对应关系，G表示当前抓取的水果的最终成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号。

2.根据权利要求1所述的一种用于水果成熟度分级包装的机械手，其特征在于，所述机械手本体的手指为气动柔性夹具，所述机械手本体与水果接触的部位的材质为半刚性材质。

3.一种用于水果成熟度分级包装的包装机，其特征在于，包括：水果运输装置、包装装置和如权利要求1或2中任意一项所述的用于水果成熟度分级包装的机械手；所述机械手用于将所述水果运输装置上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述包装装置上，所述包装装置用于将所述符合目标成熟度的水果进行包装。

4.根据权利要求3所述的一种用于水果成熟度分级包装的包装机，其特征在于，所述包装装置包括：顺序连接的装盒机构和扣盖机；所述装盒机构用于将空盒子传送到装盒区，所述机械手用于将所述水果运输装置上运输的符合目标成熟度的水果抓取到所述盒区内的空盒子内得到盛满水果后的盒子，所述扣盖机用于对所述盛满水果后的盒子进行扣盖；所述盛满水果后的盒子中有设定数量的水果。

5.根据权利要求4所述的一种用于水果成熟度分级包装的包装机，其特征在于，所述包装装置还包括：互相连接的称重计和贴标机系统，所述称重计设置在所述装盒区内，所述称重计用于对所述空盒子和所述盛满水果后的盒子分别进行称重得到第一重量和第二重量，并将所述第一重量和所述第二重量传输给贴标机系统，所述贴标机系统根据所述第一重量和所述第二重量得到所述盛满水果后的盒子内水果的重量，并将所述水果的重量贴在盒子上。

6.根据权利要求4所述的一种用于水果成熟度分级包装的包装机，其特征在于，所述装盒机构包括：第一传送带、装盒台、第二传送带、第一推杆和第二推杆；所述第一传送带用于传送所述空盒子，所述第一推杆固定设置在所述第一传送带的末端，所述第一推杆的运动方向与所述第一传送带的传送方向垂直，所述第一推杆用于将所述空盒子从所述第一传送带上推到所述装盒台的装盒区内，所述第二推杆设置在所述装盒台上，所述第二推杆的运动方向与所述第二传送带的传送方向相同，所述第二推杆用于将所述装盒区内装满水果的盒子推送到所述第二传送带上，所述第二传送带用于将所述装满水果的盒子传送到设定位置。

7.根据权利要求4所述的一种用于水果成熟度分级包装的包装机，其特征在于，所述扣盖机包括：液压杆、吸盘和导轨；所述吸盘设置在所述液压杆的一端，所述液压杆的另一端沿所述导轨滑动设置，所述吸盘用于吸起盒子盖，并沿所述导轨运动到所述装盒区的正上方，所述液压杆用于将吸盘垂直移动，以使所述吸盘上的盒子盖盖到所述装盒区内盛满水果后的盒子上。

8.一种用于水果成熟度分级包装的方法，应用于上述权利要求1-2中任意一项所述的用于水果成熟度分级包装的机械手，其特征在于，所述方法包括：

获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色；

根据所述当前待抓取水果的颜色确定所述当前待抓取水果的初始成熟度；

根据所述当前待抓取水果的初始成熟度和目标成熟度判断是否要抓取所述当前待抓取水果，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为否，则更新当前待抓取水果，并返回步骤所述“获取颜色辨识系统识别的当前待抓取水果的颜色”；

若所述第一判断结果为是，则控制机械手本体抓取所述当前待抓取水果得到当前抓取水果并获取当前机械手本体上各柔性薄膜压力传感器的数据；

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度。

9.根据权利要求8所述的一种用于水果成熟度分级包装的方法，其特征在于，所述根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体包括：

根据所述当前机械手本体上各所述柔性薄膜压力传感器的数据确定所述当前抓取水果的软硬度；

根据所述当前抓取水果的软硬度和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度。

10.根据权利要求8所述的一种用于水果成熟度分级包装的方法，其特征在于，所述根据所述当前抓取水果的软硬度和所述当前抓取水果的颜色确定所述当前抓取水果的最终成熟度，具体包括：

根据公式

计算当前抓取水果的最终成熟度，其中，x_k表示第k个柔性薄膜压力传感器的权重，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的反馈电压值，μ为调整因数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的实测电阻值，f为增益系数，

为第i个计算区域内第k个柔性薄膜压力传感器的传感器数据，

为线性相关系数，

为修正系数，F_wi为第i个计算区域内所有柔性薄膜压力传感器的传感器数据，s_i为第i个计算区域内柔性薄膜压力传感器的数量，

为机械手每次夹取水果时柔性薄膜压力传感器综合处理后的压力值，

表示

中最小值和最大值的和，

表示第1个到第p个计算区域内柔性薄膜压力传感器的传感器数据，H_n为水果软硬度，f()为

与H_n的对应关系，G表示当前抓取的水果的最终成熟度，λ为调整系数，C_m代表水果色号。

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