【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及农业智能采摘机器人技术，特别是一种果蔬采摘机器人及其末端抓取装置和方法。
技术介绍
1、果蔬采摘质量的好坏直接影响果蔬的存储、加工和销售等环节，从而最终影响市场价格和经济效益。由于果蔬种植环境的非结构性特点和生长的复杂性，当前果蔬采摘基本上都是以手工劳动为主，自动化程度仍然很低，劳动强度大、成本高成为阻碍果蔬产业机械化、现代化发展进程主要因素。通常而言，果蔬生长环境枝叶相互交错，果实等目标容易被枝叶遮挡，且果实的生长姿态差异较大，果实和果实之间重叠和遮挡现象严重，对于农业机器人采摘作业具有极高的挑战性。因此，如何精准的获取果蔬位姿并且进行无损摘取一直是采摘自动化领域的核心问题和瓶颈问题。
2、末端执行器是果蔬采摘机器人的关键部分，在果蔬被识别、定位并确定采摘路线后，利用末端执行器将果实与果梗或枝干分离是实现采摘的重要环节。作为整个采摘动作的核心执行部件，采摘机器人的末端抓取装置尤为重要。视觉感知和姿态估计是保证末端执行机构准确抓取的前提和基础。深度图像以深度信息的直观表现形式来模拟人类的立体视觉感知能力，具有目标内部一致性和形状先验特性。随着realsense和kinect等深度相机兴起，为基于rgb-d的视觉感知任务奠定了数据基础。当前，采摘执行装置正向着目标通用化、智能化和集群化方向发展。
3、在采摘过程中，末端执行器对果实施加力的大小尤为重要，如果施加力较小，会造成果实无法采摘，果实表面与末端执行器发生摩擦或者在“采”、“收”过程中果实发生脱落引起果实擦伤或碰伤，如果施加力过大会同样会
4、现有技术对果蔬的识别与定位大多只是确定了目标的中心，没有识别出果蔬的朝向和姿态信息。当完成对目标位置的获取后，机械臂携带末端执行机构以固定方向靠近果实，末端执行器无法实现对果蔬目标以特定方位相对于果梗的方向旋转或拉伸，从而造成果实采摘过程中的损伤。另外，由于果实的生长姿态不一，在采摘过程中末端执行器容易与果实果梗产生干涉，造成果实抓取的偏离和采摘抓取错误，严重降低了摘取成功率和机器人采摘收获效率。
5、综上，现有技术的采摘机器人末端抓取装置存在如下问题：
6、1)抓取准确率低、容易产生夹取损伤。现有的末端执行机构重量较大且控制实现复杂，影响末端抓取装置的鲁棒性和稳定性差，导致采摘机器人在抓取果蔬这类易碎易损坏果实时容易伤害果实表皮，影响采摘质量；
7、2)通用性和适用性差。采摘末端的通用性不仅仅包括不同环境作业的通用性，也包括相似果蔬间作业的通用性，现有的采摘末端大多主要是针对特定果蔬进行仿形设置的，无法迁移至其他类型的果蔬对象上应用；
8、3)成本高、难推广。已有末端执行机构成本高且维护困难，不利于农业采摘机器人的商业化落地和推广应用；
9、4)对目标果实的有效信息利用性差。针对果实的姿态获取未能充分利用二维图像和三维点云信息的优势，导致定位和姿态估计精准性不高，从而降低了成功率。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种采摘机器人及其末端抓取装置和方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种采摘机器人的末端抓取装置，其中，包括：
3、末端执行器，包括壳体、固定块、驱动机构和夹持机构，所述驱动机构设置在所述壳体内，并分别与所述固定块和夹持机构连接；所述夹持机构安装在所述壳体一端；所述壳体的另一端安装在所述固定块上；
4、联轴器，安装在所述固定块下方，并与所述驱动机构连接；所述驱动机构驱动所述联轴器带动所述固定块±360°旋转；
5、双目深度相机，安装在相机支撑架上，所述相机支撑架通过相机法兰安装在所述联轴器上；以及
6、端盖，分别与所述联轴器及采摘机器人的机械臂连接，所述端盖上设置有通信接口，所述驱动机构和双目深度相机通过所述通信接口与所述采摘机器人的控制器连接。
7、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述夹持机构为二指夹持机构，包括相对设置的夹爪第一指和夹爪第二指，所述夹爪第一指和夹爪第二指的底部分别通过第一固定件和第二固定件与所述驱动机构连接。
8、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述夹爪第一指和夹爪第二指为软硅橡胶柔性材料件，且所述夹爪第一指和夹爪第二指的表面设置有仿生指纹的凹凸纹理。
9、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述夹爪第一指和/或夹爪第二指上设置有薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器与所述采摘机器人的控制器连接。
10、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述驱动机构包括直流伺服电机和齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构分别与所述直流伺服电机和夹爪第一指及夹爪第二指连接，所述直流伺服电机驱动所述齿轮齿条传动机构带动所述夹爪第一指及夹爪第二指相向或相背移动。
11、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述夹爪第一指及夹爪第二指的行程为0-50mm；所述夹爪第一指及夹爪第二指的单指夹持力为40-100n，位置重复精度为±0.02mm。
12、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述驱动机构还包括步进电机，所述步进电机与所述固定块连接，并驱动所述固定块旋转带动所述夹持机构旋转分离果实。
13、上述的采摘机器人的末端抓取装置，其中，所述双目深度相机位于所述夹持机构后上方，并安装在相机连接件上，所述相机连接件通过旋转定位销与所述相机支撑架的一端连接，所述相机支撑架另一端安装在所述相机法兰上，所述相机法兰安装在所述联轴器上。
14、为了更好地实现上述目的，本专利技术还提供了一种采摘机器人，其中，包括上述的末端抓取装置。
15、为了更好地实现上述目的，本专利技术还提供了一种采摘机器人的末端抓取方法，其中，所述采摘机器人包括上述的末端抓取装置，所述末端抓取方法包括如下步骤：
16、s100、所述末端抓取装置的双目深度相机随所述采摘机器人移动过程中拍摄获取果实rgb图像和果实深度图像；
17、s200、所述采摘机器人的控制器内置基于深度学习的目标检测算法，对所述果实rgb图像中的果实目标进行实时检测和粗定位，同时根据果实特征对果实成熟度进行判定，并返回成熟果实中心坐标；
18、s300、利用所述果实深度图像，对所述成熟果实进行三维重建，结合所述成熟果实中心坐标和3d点云信息对果实进行姿态估计，并根据果实姿态修正所述成熟果实中心坐标；
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹持机构为二指夹持机构，包括相对设置的夹爪第一指和夹爪第二指，所述夹爪第一指和夹爪第二指的底部分别通过第一固定件和第二固定件与所述驱动机构连接。
3.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪第一指和夹爪第二指为软硅橡胶柔性材料件，且所述夹爪第一指和夹爪第二指的表面设置有仿生指纹的凹凸纹理。
4.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪第一指和/或夹爪第二指上设置有薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器与所述采摘机器人的控制器连接。
5.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述驱动机构包括直流伺服电机和齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构分别与所述直流伺服电机和夹爪第一指及夹爪第二指连接，所述直流伺服电机驱动所述齿轮齿条传动机构带动所述夹爪第一指及夹爪第二指相向或相背移动。
6.如权利要求5所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪
7.如权利要求5所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述驱动机构还包括步进电机，所述步进电机与所述固定块连接，并驱动所述固定块旋转带动所述夹持机构旋转分离果实。
8.如权利要求1所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述双目深度相机位于所述夹持机构后上方，并安装在相机连接件上，所述相机连接件通过旋转定位销与所述相机支撑架的一端连接，所述相机支撑架另一端安装在所述相机法兰上，所述相机法兰安装在所述联轴器上。
9.一种采摘机器人，其特征在于，包括权利要求1-8中任意一项所述的末端抓取装置。
10.一种采摘机器人的末端抓取方法，其特征在于，所述采摘机器人包括权利要求1-8中任意一项所述的末端抓取装置，所述末端抓取方法包括如下步骤：
11.如权利要求10所述的采摘机器人的末端抓取方法，其特征在于，还包括：
12.如权利要求10所述的采摘机器人的末端抓取方法，其特征在于，基于能耗最优模式规划采摘序列，得到所有适配的运动学逆解，并根据能耗函数排序实现对多个果实目标的采摘序列规划。
...【技术特征摘要】
1.一种采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹持机构为二指夹持机构，包括相对设置的夹爪第一指和夹爪第二指，所述夹爪第一指和夹爪第二指的底部分别通过第一固定件和第二固定件与所述驱动机构连接。
3.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪第一指和夹爪第二指为软硅橡胶柔性材料件，且所述夹爪第一指和夹爪第二指的表面设置有仿生指纹的凹凸纹理。
4.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪第一指和/或夹爪第二指上设置有薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器与所述采摘机器人的控制器连接。
5.如权利要求2所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述驱动机构包括直流伺服电机和齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构分别与所述直流伺服电机和夹爪第一指及夹爪第二指连接，所述直流伺服电机驱动所述齿轮齿条传动机构带动所述夹爪第一指及夹爪第二指相向或相背移动。
6.如权利要求5所述的采摘机器人的末端抓取装置，其特征在于，所述夹爪第一指及夹爪第二指的行程为0-50mm；所述夹爪第...
【专利技术属性】
技术研发人员：柴秀娟，樊湘鹏，张凝，张文蓉，孙坦，萨茹拉，王凯，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业信息研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。