双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人及其作业方法

本发明涉及农业智能采摘装备，尤其涉及一种双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人及其作业方法。

背景技术：

1、葡萄采摘包装装备是实现葡萄规模化、智能化采收，提升农业生产效率的核心装备。随着设施农业向精细化、智能化转型，温室大棚高端葡萄种植产业迎来快速发展，阳光玫瑰、夏黑等高端鲜食葡萄的市场需求持续攀升。而现有高端葡萄采收环节仍以人工为主，配套的采摘装备存在智能化程度低、采收精度不足、果实损伤率高、采收与包装环节脱节等问题，难以满足高端葡萄种植产业的标准化、高品质生产需求。当前市场上葡萄采摘相关设备主要为简易机械采摘器或单一功能自动化设备，具体如下：现有机械采摘设备多为手持式剪切采摘器，依靠人工识别成熟葡萄并手动操作剪切，不仅采摘效率低，且人工判断的主观性易导致成熟度筛选标准不统一；部分自动化采摘设备仅实现单一采摘功能，缺乏配套的标准化打包模块，采摘后的葡萄需人工二次分拣打包，易造成果实二次损伤；同时，现有设备无精准视觉定位功能，采摘过程中易误剪果枝、碰伤果实，整体智能化水平与产业需求存在较大差距。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人及其作业方法，以解决背景技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，包括机械臂、双目视觉感知装置、采摘执行装置和自动包装装置。

4、所述机械臂安装在机架承载装置上。

5、所述双目视觉感知装置包括安装于机架承载装置上的后置深度相机和安装于机械臂末端的前置深度相机。

6、所述采摘执行装置包括剪切装置和机械抓手，所述机械抓手由机械臂驱动，机械抓手的两个夹持指均设有硅胶缓冲垫；两个所述剪切装置正对，安装在两个夹持指前端。

7、所述自动包装装置包括环形包装基地、磁吸块、轻量化环形袋体、气泵和充气嘴。所述环形包装基地与机械抓手的座体固定，两块所述磁吸块固定在所述环形包装基地两侧，所述气泵和充气嘴均固定在环形包装基地上，且气泵的出气口与充气嘴的进气口连通；所述轻量化环形袋体由环形支撑圈和透明保鲜袋组成；所述环形支撑圈两侧均固定有磁性材料块；所述透明保鲜袋包括开放腔和环绕开放腔的密封腔，所述密封腔顶部设有带阀充气口；透明保鲜袋的袋口位置与环形支撑圈热压固定，且开放腔敞口设置，所述带阀充气口由轻量化环形袋体侧壁的开口伸出轻量化环形袋体外。

8、优选地，所述剪切装置包括刀片、直线驱动件和刀座，所述刀片固定在刀座上，所述刀座由直线驱动件的执行件驱动直线运动；两个剪切装置的直线驱动件的壳体分别固定在机械抓手对应一个夹持指的前端。

9、更优选地，所述直线驱动件为推拉电磁铁或电动推杆，刀座与推拉电磁铁或电动推杆的推拉杆固定。

10、更优选地，所述刀片开设的滑槽与刀座开设的螺纹孔通过螺栓固定，刀片可通过调节滑槽相对螺纹孔位置来调节伸出长度。

11、优选地，所述机械抓手包括座体和两个夹持件，所述座体由机械臂驱动，两个所述夹持件后端由安装在座体上的舵机驱动。所述夹持件包括齿轮、摆杆一、摆杆二和夹持指，所述摆杆一的一端与铰接在座体上的齿轮固定，所述摆杆二的一端与座体铰接，所述夹持指的后端和中部分别与摆杆一和摆杆二的另一端铰接，夹持指前端包裹硅胶缓冲垫；其中一个夹持件的齿轮与舵机的输出轴固定，两个夹持件的齿轮啮合。

12、优选地，所述机械臂为六轴协作机械臂。

13、优选地，所述轻量化环形袋体设有多个，上下堆叠置于袋仓中，袋仓置于机架承载装置上。

14、优选地，所述机架承载装置包括履带车和机架。所述履带车包括车架和置于车架两侧的两个履带机构；所述机架固定在车架上；所述履带机构包括主动轮、从动轮、履带和直流减速电机；所述主动轮和从动轮均铰接在车架上，并通过履带连接；所述直流减速电机安装在车架上，并驱动主动轮旋转。

15、本发明双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人的作业方法，具体如下：

16、控制器控制履带车移动至作业区域，后置深度相机对作业区域进行全局扫描，传给控制器进行葡萄植株与果串分布区域定位；前置深度相机对目标果串进行近距离图像采集，传给控制器完成成熟葡萄识别与果梗定位。随后，对成熟葡萄进行采收包装作业，具体过程为：

17、①控制器控制履带车移动至成熟葡萄下方，并控制机械臂带动采摘执行装置和环形包装基地运动，使环形包装基地移动至袋仓位置，两块磁吸块通电，对袋仓的单只轻量化环形袋体的两块磁性材料块进行吸附，且充气嘴与轻量化环形袋体的带阀充气口对接。

18、②控制器控制机械臂带动采摘执行装置和自动包装装置运动至目标果串位置，并使目标果串套入环形包装基地上的轻量化环形袋体中，目标果串的果梗位于采摘执行装置的机械抓手的两个夹持指之间，也位于两个剪切装置之间；随后机械抓手的两个夹持指夹持目标果串的果梗，两个剪切装置剪断果梗。

19、③机械抓手松开果串，同时气泵启动，通过充气嘴向透明保鲜袋的带阀充气口供气，密封腔膨胀，开放腔缩小并包裹果串。

20、④控制器控制机械臂带动采摘执行装置和自动包装装置运动至收集框位置，机械抓手将轻量化环形袋体和果串一起放入收集框内，两块磁吸块断电松开轻量化环形袋体。

21、⑤控制器控制机械臂带动采摘执行装置和环形包装基地复位。

22、本发明具有的有益效果如下：

23、1、本发明利用双目视觉感知装置实现“全局粗定位+局部精定位”的双重感知，通过前置深度相机精准识别果梗位置，替代人工肉眼定位，配合六轴协作机械臂，大幅提升采摘精准度和效率；搭配机械臂的灵活运动与履带车的移动能力，打破固定点位采摘的限制，有效提升采收范围；采用柔性机械抓手夹持果梗、剪切装置精准切梗的采摘方式，而非传统蛮力拽取，剪切过程平稳无冲击，使葡萄果串保持完整，降低果实损伤率，能达到果实损伤率≤3%。

24、2、本发明实现了“视觉识别——精准采收——标准化包装”的全流程闭环联动。葡萄采摘完成后，自动包装装置通过轻量化环形袋体定时充气的方式，实现“采摘——充气包装”一体化，解决了传统采收和包装脱节的行业痛点，通过充气封装保持葡萄果实新鲜度，实现单串葡萄标准化、统一化打包，单串处理耗时≤15秒，使葡萄果串直接以可售卖的包装形式产出，也避免了人工二次处理果实造成的损伤，保障葡萄采收品质提升作业效率与商品价值，而且透明保鲜袋的充气包装方式，既能有效保护果串，又能直观展示葡萄品质。

25、3、本发明结构紧凑，适配性强，运行稳定，能在众多场景中应用，为高端葡萄智能化生产提供了轻量化、小型化解决方案，也能推动农业向现代化、数字化的方向转型。

1.双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，包括机械臂和采摘执行装置，其特征在于：还包括双目视觉感知装置和自动包装装置；所述机械臂安装在机架承载装置上；

2.根据权利要求1所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述剪切装置包括刀片、直线驱动件和刀座，所述刀片固定在刀座上，所述刀座由直线驱动件的执行件驱动直线运动；两个剪切装置的直线驱动件的壳体分别固定在机械抓手对应一个夹持指的前端。

3.根据权利要求2所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述直线驱动件为推拉电磁铁或电动推杆，刀座与推拉电磁铁或电动推杆的推拉杆固定。

4.根据权利要求2所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述刀片开设的滑槽与刀座开设的螺纹孔通过螺栓固定，刀片可通过调节滑槽相对螺纹孔位置来调节伸出长度。

5.根据权利要求1所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述机械抓手包括座体和两个夹持件，所述座体由机械臂驱动，两个所述夹持件后端由安装在座体上的舵机驱动；所述夹持件包括齿轮、摆杆一、摆杆二和夹持指，所述摆杆一的一端与铰接在座体上的齿轮固定，所述摆杆二的一端与座体铰接，所述夹持指的后端和中部分别与摆杆一和摆杆二的另一端铰接，夹持指前端包裹硅胶缓冲垫；其中一个夹持件的齿轮与舵机的输出轴固定，两个夹持件的齿轮啮合。

6.根据权利要求1所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述机械臂为六轴协作机械臂。

7.根据权利要求1所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述轻量化环形袋体设有多个，上下堆叠置于袋仓中，所述袋仓置于机架承载装置上。

8.根据权利要求1所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人，其特征在于：所述机架承载装置包括履带车和机架；所述履带车包括车架和置于车架两侧的两个履带机构；所述机架固定在车架上；所述履带机构包括主动轮、从动轮、履带和直流减速电机；所述主动轮和从动轮均铰接在车架上，并通过履带连接；所述直流减速电机安装在车架上，并驱动主动轮旋转。

9.根据权利要求1至8中任一项所述双目视觉引导下的葡萄采收包装协同机器人的作业方法，其特征在于：控制器控制履带车移动至作业区域，后置深度相机对作业区域进行全局扫描，传给控制器进行葡萄植株与果串分布区域定位；前置深度相机对目标果串进行近距离图像采集，传给控制器完成成熟葡萄识别与果梗定位；随后，对成熟葡萄进行采收包装作业，具体过程为：