本发明属于农业，具体涉及一种多功能葡萄采摘机器人及其葡萄采摘方法。
背景技术：
1、随着自动化和机器人产业的蓬勃发展，机器人应用技术在农业和果蔬业领域已经日渐成熟，发挥着越来越重要的作用。目前的采摘机器人技术主要集中在苹果和橙子等水果的采摘上，但是采摘葡萄的机器设备还少有耳闻。
2、葡萄为攀援藤本，在我国北部地区和西部地区都有广泛种植，且葡萄种植时需要搭建较高的架子让其秧苗顺着架子爬升。现阶段葡萄的采摘工作大多都是人工进行采摘，费时费力，人工成本高，而且对于相对比较高的葡萄，人工采摘时还可能会发生危险；另外，现在商场、水果店里的一些葡萄，例如阳光玫瑰、晴王等一些品种外面都会有一层塑料袋包裹，而这些包装袋都是在葡萄采摘完成后由人工套上去的，整个环节耗时周期长，人工成本高，不能实现自动一体化采摘。当前市场上鲜有相关采摘葡萄并且完成套袋的装置，有的话也是用的传统的弹性绳或弹性件扎口法，工序繁琐，不适用于高效率采摘。在葡萄的种植环境中，葡萄在藤架上的姿态经常会杂乱无章，很容易被葡萄叶片遮挡住，大大增加了人工采摘的难度。因此需要设计能够实现智能采摘葡萄的采摘机器人。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种多功能葡萄采摘机器人及其葡萄采摘方法。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、本发明一种多功能葡萄采摘机器人，包括移动车体、旋转装置、机械臂和采摘包装装置。所述移动车体驱动旋转装置移动，旋转装置驱动机械臂在水平方向上转动。
4、所述采摘包装装置包括包装机构、位置调整机构、切割机构和视觉相机。所述位置调整机构包括环形导轨、连接架和支撑座；所述水平设置的环形导轨由机械臂驱动平移，且环形导轨上固定有同轴设置的环形齿轮，环形导轨的内壁和外壁上开设有同轴布置的两个环形槽；连接架上铰接有间距布置的两个滚轮一，并铰接有驱动齿轮，且两个滚轮一与两个环形槽分别构成滚动摩擦副，驱动齿轮与环形齿轮啮合，并由驱动电机一驱动；支撑座固定于连接架上，视觉相机设于支撑座上。所述切割机构包括弧形刀、旋转轴和驱动件，竖直且间距布置的两个旋转轴均与支撑座构成转动副，并均由驱动件驱动，相对且上下层叠布置的两个弧形刀设于环形导轨的正下方，并与两个旋转轴分别固定。
5、所述包装机构包括包装壳、热熔切断组件、套袋组件和闭合板。所述包装壳位于两个弧形刀的正下方，并固定于支撑座上，且包装壳的上端和下端均开设有开口，位于下端的开口两侧铰接有对称布置的两个闭合板，且两个闭合板由对称布置的两个气缸一分别驱动转动，两个闭合板上均设有压力传感器；热熔切断组件和套袋组件均设于包装壳内。所述热熔切断组件包括推板、固定框、热熔器、气缸二和刀片，水平平行且相对布置的两个气缸二固定于包装壳的上端，并驱动水平平行的推板和固定框相向或相背运动，平行于推板且上下间距布置的两个热熔器均与固定框构成平行于气缸二的滑动副，并均与固定框通过弹簧一连接，且固定框上位于两个热熔器的间隙位置处固定有水平设置的刀片，推板靠近固定框的一端开设有与刀片平齐的横槽。所述套袋组件包括弧形板、套袋环环芯和环形保护壳，水平设置的环形保护壳由升降组件驱动升降，且环形保护壳中空设置，环形保护壳的内侧开设有环形槽口，相对布置的两个弧形板均置于环形保护壳内，并均与环形保护壳通过弹簧二连接，套袋环环芯置于环形保护壳内，且套袋环环芯上套置有多个套袋环。其中，各弹簧二均处于压缩状态，两个弧形板均压在各套袋环的外侧。
6、优选地，所述移动车体包括车架、后轮驱动机构和前轮转向机构，车架前端设有前轮转向机构，后端设有后轮驱动机构，前轮转向机构驱动车架转向，后轮驱动机构驱动车架前进或后退。
7、更优选地，所述前轮转向机构包括前轮、转向轴、液压缸一、连杆、支撑杆和转向杆；液压缸一和支撑杆均水平且垂直于车架前进方向设置，液压缸一的缸体固定于车架上，支撑杆设有水平平行且间距布置的两个，两个支撑杆的中部均设有一体成型的竖杆，其中一个支撑杆固定于车架上；连杆的一端与液压缸一的活塞杆铰接，中部与其中一个竖杆铰接，另一端开设的腰型槽与另一个竖杆构成槽销副；转向杆设有水平平行且间距布置的两个，每个转向杆的两端与两个支撑杆的同一端铰接，水平平行且同轴布置的两个转向轴与两个转向杆固定，两个转向轴上铰接有对称布置的两个前轮；其中，两个支撑杆和两个转向杆构成平行四边形机构，初始状态下，转向轴平行于支撑杆。
8、更优选地，所述后轮驱动机构包括后轮、驱动轴、差速器和驱动电机二，差速器和驱动电机二的壳体均固定于车架上，且驱动电机二的输出轴与差速器的输入轴同轴固定，差速器的两个输出轴与水平且同轴布置的两个驱动轴同轴固定，两个驱动轴均与车架构成转动副，且两个驱动轴上固定有对称布置的两个后轮。
9、更优选地，所述旋转装置包括旋转平台、同步带机构和驱动电机三，旋转平台与车架构成转动副，驱动电机三的壳体固定于车架上，驱动电机三的输出轴与旋转平台上一体成型的竖轴通过同步带机构连接。
10、更优选地，所述机械臂包括连接座、连接臂和液压缸二，连接座固定于旋转平台上，连接臂设有依次布置的多个，且位于中部的每个连接臂两端与相邻两个连接臂的一端铰接，位于最外侧的两个连接臂的外端分别与连接座和环形导轨铰接；除与连接座铰接的连接臂外，其余每个连接臂的中部和前一级连接臂的中部与一个液压缸二的两端分别铰接，铰接在连接座上的连接臂中部和连接座与一个液压缸二的两端分别。
11、优选地，所述驱动件包括驱动电机四、减速器和转动轴，水平设置的转动轴与支撑座构成转动副，驱动电机四和减速器的壳体均固定有支撑座上，驱动电机四的输出轴与减速器的输入轴同轴固定，减速器的输出轴上固定有锥齿轮一，转动轴上固定有间距布置的两个锥齿轮二，两个旋转轴上均固定有锥齿轮三，且两个锥齿轮二均与锥齿轮一啮合，并与两个锥齿轮三分别啮合。
12、优选地，所述升降组件包括滚轮二、导杆和安装架，竖直设置的两个导杆固定于包装壳上，对称布置的两个安装架固定于环形保护壳的两侧，并套置在两个导杆上，每个安装架上铰接有平齐且间距布置的两个滚轮二，其中一个滚轮二由驱动电机五驱动，每个安装架上的两个滚轮二与相应的导杆均构成滚动摩擦副。
13、优选地，所述环形保护壳包括上环形壳和下环形壳，上环形壳可拆卸固定于下环形壳上，且固定后上环形壳和下环形壳的内侧形成环形保护壳内侧的环形槽口；安装架固定于下环形壳上；两个弧形板与上环形壳和下环形壳分别通过两个弹簧二连接。
14、本发明一种多功能葡萄采摘机器人的葡萄采摘方法，具体如下：
15、步骤一、在移动车体的车架上放置收集筐；将一端封闭的包装袋套置在套袋环上，具体是：取出套袋环环芯和套袋环，将包装袋未封闭的一端打开，并与所有套袋环均固定，再将包装袋绕在套袋环上，然后将套袋环环芯和套袋环放入环形保护壳内，且使两个弧形板压在套袋环上包装袋的两侧。
16、步骤二、根据视觉相机检测到的成熟葡萄的位置，移动车体驱动旋转装置带动机械臂、采摘包装装置和收集筐移动，旋转装置驱动机械臂带动采摘包装装置在水平方向上转动，机械臂驱动采摘包装装置平移，使得一串成熟葡萄穿过环形导轨，并穿过位于包装壳上端的开口，且该串成熟葡萄的果柄位于两个弧形刀之间，其中，若视觉相机检测到出现叶片遮挡成熟葡萄的情况，控制器控制驱动电机一驱动驱动齿轮与环形齿轮啮合，进而通过两个滚轮一带动连接架沿两个环形槽移动，从而通过支撑座带动包装机构、切割机构和视觉相机转动，使支撑座带动包装机构、切割机构和视觉相机转动至叶片的后方；接着驱动件驱动两个旋转轴带动两个弧形刀相向转动，两个弧形刀对该串成熟葡萄的果柄进行剪切，当该串成熟葡萄的果柄被切断后，该串成熟葡萄落在包装袋上，且包装袋在该串成熟葡萄的重力作用下带动各套袋环转动，使得各套袋环上的一部分包装袋被抽出，该串成熟葡萄落至闭合板上，进而完成对成熟葡萄的剪切工作。
17、步骤三、当压力传感器检测到该串成熟葡萄落至闭合板上时，旋转装置驱动机械臂带动采摘包装装置在水平方向上转动，机械臂驱动采摘包装装置平移，使得包装壳平移至收集筐的正上方；机械臂驱动采摘包装装置平移时，驱动件驱动两个旋转轴带动两个弧形刀相背转动至原位，升降组件驱动环形保护壳带动套袋环环芯上升预设距离，使环形保护壳上升至热熔切断组件的上方，且环形保护壳带动套袋环环芯上升时还带动套袋环转动，使得套袋环上的包装袋再一次被抽出一部分，该串成熟葡萄被装入包装袋内，接着控制器控制电磁阀一驱动两个气缸二的活塞杆同步伸出，并控制两个热熔器开始工作，当推板与两个热熔器将包装袋两侧夹在一起时，两个热熔器将包装袋两侧热熔在一起，且随着两个气缸二的活塞杆继续伸出，推板推动两个热熔器向与气缸二活塞杆伸出方向相反的方向移动，两个弹簧一压缩，进而使得刀片露出，刀片将包装袋上的两个热熔位置切开，该串成熟葡萄被封装入裁切下来的包装袋内，且套袋环上的包装袋远离套袋环的一端封闭，然后控制器控制两个热熔器停止工作，并控制电磁阀一驱动两个气缸二的活塞杆同步缩回至原位，两个弹簧一推动两个热熔器回复至原状，进而完成对成熟葡萄的包装工作。
18、步骤四、当包装壳位于收集筐的正上方，且完成对成熟葡萄的包装工作后，控制器控制电磁阀一驱动两个气缸一的活塞杆同步伸出，两个气缸一的活塞杆推动两个闭合板向下转动，使得位于包装壳下端的开口打开，包装好的成熟葡萄落入收集筐内，然后控制器控制电磁阀一驱动两个气缸一的活塞杆同步缩回，两个气缸一的活塞杆拉动两个闭合板向上转动，使得位于包装壳下端的开口关闭，同时升降组件驱动环形保护壳带动套袋环环芯下降预设距离，进而完成对完成包装的成熟葡萄的收集工作。
19、本发明具有以下有益效果：
20、1、本发明能够代替人工实现对葡萄的剪切、包装和收集工作，省时省力，降低了人工成本。具体地，本发明采用视觉相机识别葡萄的位置，避免了人工采摘时因葡萄被叶片遮挡而肉眼无法识别的现象，避免了漏摘现象的发生，降低了采摘难度，并通过移动车体、旋转装置和机械臂带动采摘包装装置平移，使葡萄能够进入采摘包装装置的包装壳内，进而可以实现对较高位置处的葡萄采摘工作，避免了人工采摘较高位置处葡萄时发生危险的现象；进一步，本发明通过切割机构对进入包装壳内葡萄的果柄进行剪切，进而实现了对葡萄的剪切工作，被剪切下来的葡萄落在包装壳内套袋组件上的包装袋内，并在自身重力作用下带动包装袋从套袋环上抽出一部分，当葡萄落在闭合板上后，升降组件驱动环形保护壳带动套袋环环芯上升至热熔切断组件的上方，并使得套袋环上的一部分包装袋再一次被抽出，使得葡萄被完全装入包装袋内，再通过热熔切断组件对包装袋进行热熔和切割，进而实现了对葡萄的包装工作，然后通过旋转装置和机械臂带动采摘包装装置平移至收集筐上方，使包装好的葡萄落入收集筐内，进而实现了对葡萄的收集工作。其中，采用热熔封口的方式比传统的弹性绳或弹性件扎口法更加高效便捷，使葡萄整个采摘过程变的更加自动化、更加完善，提高生产率，满足当前的市场需求，节省了大量人力物力。
21、2、本发明通过采摘包装装置中的位置调整机构驱动包装机构、位置调整机构、切割机构和视觉相机转动至遮挡葡萄的叶片后方，避免因叶片遮挡而导致葡萄无法采摘或者采摘会损坏叶片的现象发生，进一步降低了采摘难度。
22、3、本发明中的环形保护壳内通过弹簧二连接有相对布置的两个弧形板，两个弹簧二使两个弧形板始终压在套袋环上的包装袋两侧，起到防止包装袋松散的目的。
23、4、本发明通过热熔切断组件中设置的两个热熔器对包装袋进行热熔时产生上下间距布置的两个热熔位置，并通过两个热熔器之间布置的刀片对两个热熔位置进行切割，使得两个热熔位置分开，进而在实现对包装葡萄的包装袋的封闭工作的同时，实现了对留在套袋环上的包装袋的封闭工作，便于下一次对葡萄进行包装工作。
1.一种多功能葡萄采摘机器人，包括移动车体、旋转装置和机械臂，其特征在于：还包括采摘包装装置；所述移动车体驱动旋转装置移动，旋转装置驱动机械臂在水平方向上转动；所述采摘包装装置包括包装机构、位置调整机构、切割机构和视觉相机；所述位置调整机构包括环形导轨、连接架和支撑座；所述水平设置的环形导轨由机械臂驱动平移，且环形导轨上固定有同轴设置的环形齿轮，环形导轨的内壁和外壁上开设有同轴布置的两个环形槽；连接架上铰接有间距布置的两个滚轮一，并铰接有驱动齿轮，且两个滚轮一与两个环形槽分别构成滚动摩擦副，驱动齿轮与环形齿轮啮合，并由驱动电机一驱动；支撑座固定于连接架上，视觉相机设于支撑座上；所述切割机构包括弧形刀、旋转轴和驱动件，竖直且间距布置的两个旋转轴均与支撑座构成转动副，并均由驱动件驱动，相对且上下层叠布置的两个弧形刀设于环形导轨的正下方，并与两个旋转轴分别固定；
2.根据权利要求1所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述移动车体包括车架、后轮驱动机构和前轮转向机构，车架前端设有前轮转向机构，后端设有后轮驱动机构，前轮转向机构驱动车架转向，后轮驱动机构驱动车架前进或后退。
3.根据权利要求2所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述前轮转向机构包括前轮、转向轴、液压缸一、连杆、支撑杆和转向杆；液压缸一和支撑杆均水平且垂直于车架前进方向设置，液压缸一的缸体固定于车架上，支撑杆设有水平平行且间距布置的两个，两个支撑杆的中部均设有一体成型的竖杆，其中一个支撑杆固定于车架上；连杆的一端与液压缸一的活塞杆铰接，中部与其中一个竖杆铰接，另一端开设的腰型槽与另一个竖杆构成槽销副；转向杆设有水平平行且间距布置的两个，每个转向杆的两端与两个支撑杆的同一端铰接，水平平行且同轴布置的两个转向轴与两个转向杆固定，两个转向轴上铰接有对称布置的两个前轮；其中，两个支撑杆和两个转向杆构成平行四边形机构，初始状态下，转向轴平行于支撑杆。
4.根据权利要求2所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述后轮驱动机构包括后轮、驱动轴、差速器和驱动电机二，差速器和驱动电机二的壳体均固定于车架上，且驱动电机二的输出轴与差速器的输入轴同轴固定，差速器的两个输出轴与水平且同轴布置的两个驱动轴同轴固定，两个驱动轴均与车架构成转动副，且两个驱动轴上固定有对称布置的两个后轮。
5.根据权利要求2所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述旋转装置包括旋转平台、同步带机构和驱动电机三，旋转平台与车架构成转动副，驱动电机三的壳体固定于车架上，驱动电机三的输出轴与旋转平台上一体成型的竖轴通过同步带机构连接。
6.根据权利要求5所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述机械臂包括连接座、连接臂和液压缸二，连接座固定于旋转平台上，连接臂设有依次布置的多个，且位于中部的每个连接臂两端与相邻两个连接臂的一端铰接，位于最外侧的两个连接臂的外端分别与连接座和环形导轨铰接；除与连接座铰接的连接臂外，其余每个连接臂的中部和前一级连接臂的中部与一个液压缸二的两端分别铰接，铰接在连接座上的连接臂中部和连接座与一个液压缸二的两端分别。
7.根据权利要求1所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述驱动件包括驱动电机四、减速器和转动轴，水平设置的转动轴与支撑座构成转动副，驱动电机四和减速器的壳体均固定有支撑座上，驱动电机四的输出轴与减速器的输入轴同轴固定，减速器的输出轴上固定有锥齿轮一，转动轴上固定有间距布置的两个锥齿轮二，两个旋转轴上均固定有锥齿轮三，且两个锥齿轮二均与锥齿轮一啮合，并与两个锥齿轮三分别啮合。
8.根据权利要求1所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述升降组件包括滚轮二、导杆和安装架，竖直设置的两个导杆固定于包装壳上，对称布置的两个安装架固定于环形保护壳的两侧，并套置在两个导杆上，每个安装架上铰接有平齐且间距布置的两个滚轮二，其中一个滚轮二由驱动电机五驱动，每个安装架上的两个滚轮二与相应的导杆均构成滚动摩擦副。
9.根据权利要求8所述的一种多功能葡萄采摘机器人，其特征在于：所述环形保护壳包括上环形壳和下环形壳，上环形壳可拆卸固定于下环形壳上，且固定后上环形壳和下环形壳的内侧形成环形保护壳内侧的环形槽口；安装架固定于下环形壳上；两个弧形板与上环形壳和下环形壳分别通过两个弹簧二连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种多功能葡萄采摘机器人的葡萄采摘方法，其特征在于：具体如下：
