雞樅菌錐形削根裝置設(shè)計(jì)

李一欣 趙明巖 周喬君 梁喜鳳 蔡為明 胡劍虹 謝崇陽(yáng) 陳 濤 蔡 暉

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018；2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所食藥用菌育種與栽培研究室，浙江 杭州 310021)

雞樅作為一種高檔菌菇[1]，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高[2-3]，價(jià)格為普通香菇的10倍左右，且其需求量逐年增加，2018年雞樅菌年產(chǎn)量已超過(guò)2萬(wàn)t[4]。由于雞樅菌根部富含多種微量元素，且根部呈60°類(lèi)圓錐型，為最大限度減少浪費(fèi)，需對(duì)雞樅菌根部進(jìn)行錐形削根。根部錐形切削通常需要8～10刀，但為了加快速度，工人經(jīng)常6～8刀，甚至4～5刀便完成一個(gè)雞樅菌的削根，容易造成了雞樅菌根部的浪費(fèi)。目前雞樅菌削根處理均由人工完成，生產(chǎn)效率低、一致性差、浪費(fèi)率高且人工操作具有一定的危險(xiǎn)性，勞動(dòng)力短缺及老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重制約了雞樅菌行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

目前，針對(duì)菌菇的研究主要集中于菌菇品質(zhì)[5-6]、營(yíng)養(yǎng)成分[7]、提取加工[8-9]、培育[10-11]等方面，而對(duì)菌菇去根技術(shù)研究較少，高漢斌等[12]設(shè)計(jì)了基于電荷耦合器件(CCD)傳感器的香菇去根系統(tǒng)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)去根；陳紅等[13]通過(guò)去除特征參數(shù)間的相關(guān)性及使用模式識(shí)別的方法建立菌菇類(lèi)型模型，可區(qū)分白花菇等不同菌種。試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)雙四連桿錐形削根裝置，并對(duì)裝置切削軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[14]，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[15]，通過(guò)攝像頭識(shí)別雞樅菌位置、姿態(tài)、抓取部位等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取[16-17]，隨后切削終端完成錐形切削動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)雞樅菌錐形削根。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，雞樅菌錐形削根裝置由機(jī)架、輸送帶、攝像頭、機(jī)械臂、機(jī)械手、切削裝置等組成。雞樅菌從振動(dòng)盤(pán)出料后，到達(dá)輸送帶，機(jī)械臂通過(guò)攝像頭定位抓取雞樅菌并送至切削工位。切削裝置由兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)組成，分別裝有切削刀片，刀片高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雞樅菌根部的錐形切削。切削完成后，根據(jù)雞樅菌粗細(xì)等形狀特征信息進(jìn)行篩選分級(jí)，再通過(guò)機(jī)械臂將其放入相應(yīng)的分級(jí)箱。

1. 機(jī)架 2. 振動(dòng)盤(pán) 3. 輸送帶 4. 擋邊 5. 雞樅菌 6. 攝像頭

7. 機(jī)械臂 8. 機(jī)械手 9. 切削裝置 10. 分級(jí)箱

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the whole machine

2 雞樅菌錐形削根裝置設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)系統(tǒng)組成

如圖2所示，裝置系統(tǒng)包括機(jī)械臂、機(jī)械手爪、攝像頭、單片機(jī)、觸摸屏等。攝像頭檢測(cè)到雞樅菌到達(dá)輸送帶后，將圖像發(fā)送至PC，得出雞樅菌大小、形狀、位置、姿態(tài)，機(jī)械臂到達(dá)雞樅菌所在位置，機(jī)械手執(zhí)行抓取動(dòng)作[18-20]并控制雞樅菌根部進(jìn)入切削區(qū)域的精確深度。

控制系統(tǒng)電路模塊圖如圖3所示，該系統(tǒng)分為控制部分與執(zhí)行部分。控制部分STM32F103采用Cortex-M3內(nèi)核處理器，具有單周期乘法和硬件除法，配有多個(gè)定時(shí)器，且每個(gè)定時(shí)器具有4個(gè)完全獨(dú)立的輸出通道，可進(jìn)行多線(xiàn)程的工作；控制部分負(fù)責(zé)雞樅菌圖像處理、MG996R舵機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制算法的運(yùn)作。執(zhí)行部分MG996R舵機(jī)接收由CPU發(fā)出的PWM信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 整機(jī)系統(tǒng)

圖3 控制系統(tǒng)電路模塊圖

2.2 圖像識(shí)別部分

攝像頭將捕捉到的雞樅位置、大小、形狀、姿態(tài)等信息傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息。PC根據(jù)像素分布和亮度、顏色等特征，將圖片信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確處理。圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行如圖4所示的運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)特征，PC根據(jù)判別結(jié)果控制機(jī)械臂的動(dòng)作[21]。當(dāng)機(jī)械臂對(duì)當(dāng)前雞樅菌進(jìn)行抓取、切削等動(dòng)作時(shí)，下一個(gè)雞樅菌即隨輸送帶到達(dá)指定位置并由攝像頭采集信息，進(jìn)行圖像識(shí)別工作。

圖4 視覺(jué)識(shí)別流程圖

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.3.1 機(jī)械手爪 由圖5可知，機(jī)械手爪的兩個(gè)抓取夾片由回轉(zhuǎn)型加緊結(jié)構(gòu)控制。動(dòng)力原件采用舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)夾片夾緊雞樅菌，可根據(jù)菇柄直徑適當(dāng)調(diào)整夾緊程度。由于雞樅菌菇柄剛度較普通香菇大，且機(jī)械手爪前端設(shè)有記憶海綿，在夾取過(guò)程中能適應(yīng)雞樅菌柄部形狀，不會(huì)對(duì)菌體造成損傷。因此，對(duì)不同形狀、尺寸的雞樅菌，機(jī)械手爪具有一定的自動(dòng)適應(yīng)能力。當(dāng)單片機(jī)控制舵機(jī)動(dòng)作時(shí)，夾片收攏，待夾緊雞樅菌后，機(jī)械臂將其運(yùn)送至切削裝置上方，完成削根作業(yè)，如圖6所示。

2.3.2 削根裝置 由圖7可知，削根裝置由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的四桿機(jī)構(gòu)組成，連桿上裝有切削刀片。同步輪Ⅱ帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)左側(cè)錐齒輪7與右側(cè)錐齒輪5。左側(cè)錐齒輪7帶動(dòng)同步輪組12一起運(yùn)動(dòng)，同步輪組12與圓盤(pán)4相連，當(dāng)圓盤(pán)4運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)連桿3及安裝在連桿3上的刀片一起運(yùn)動(dòng)。同步輪Ⅰ在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)平臺(tái)11及安裝在平臺(tái)11上的兩個(gè)支架13一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)跟隨平臺(tái)11一起公轉(zhuǎn)。將雞樅菌根部放入切削區(qū)，兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)隨平臺(tái)11公轉(zhuǎn)，結(jié)合自身在同步輪組驅(qū)動(dòng)下形成的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成雞樅菌的錐形削根。

1. 滑塊 2. 夾片 3. 記憶海綿 4. 滑槽 5. 機(jī)架 6. 固定柱 7. 連桿 8. 舵機(jī)

圖5 機(jī)械手爪

Figure 5 Mechanical gripper

圖6 切削作業(yè)示意圖

1. 切削刀片 2. 搖桿 3. 連桿 4. 圓盤(pán) 5. 右側(cè)錐齒輪 6. 主動(dòng)錐齒輪 7. 左側(cè)錐齒輪 8. 同步輪Ⅰ 9. 同步輪Ⅱ 10. 機(jī)架 11. 平臺(tái) 12. 同步輪組 13. 支架

圖7 切削裝置

Figure 7 Cutting device

切削裝置三維仿真圖如圖8所示，當(dāng)切削裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切削刀片以腰形曲線(xiàn)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，并隨四連桿機(jī)構(gòu)繞平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)公轉(zhuǎn)。采用450 r/min原動(dòng)機(jī)，錐齒輪傳動(dòng)比、同步帶輪傳動(dòng)比均為1∶1，可得兩個(gè)刀片自轉(zhuǎn)速度均為7.5 r/s，即1 s內(nèi)兩個(gè)刀片共對(duì)雞樅菌切削15刀。按12刀切削一個(gè)雞樅菌計(jì)算，0.8 s即可完成一次作業(yè)。

圖8 切削裝置三維仿真圖

機(jī)構(gòu)仿真模型圖與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖9所示。假設(shè)圓盤(pán)(即曲柄AB)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正，對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。l1、l2、l3、l4、l5分別為AB、BC、CD、DA、CE線(xiàn)段長(zhǎng)度；θ1為AB(曲柄)與AD(機(jī)架)的夾角；θ2為BC(連桿)與AD(機(jī)架)的夾角；θ3為AD(機(jī)架)與Y坐標(biāo)軸的夾角。

Ⅰ. 四桿機(jī)構(gòu)Ⅰ Ⅱ. 四桿機(jī)構(gòu)Ⅱ

對(duì)四桿機(jī)構(gòu)Ⅰ，刀片切削點(diǎn)坐標(biāo)為：

(1)

根據(jù)圖9中的幾何關(guān)系，可得出：

(2)

對(duì)四桿機(jī)構(gòu)Ⅱ，刀片切削點(diǎn)坐標(biāo)為：

(3)

根據(jù)式(1)～(3)可得出刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)環(huán)形封閉回路，在Python軟件上按照給定條件進(jìn)行仿真，計(jì)算出l1、l2、l3、l4、l5之間的優(yōu)化比例為1.0∶4.4∶3.1∶5.4∶1.5，θ3取6°時(shí)，得到刀片運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示，再根據(jù)雞樅菌根部的實(shí)際大小確定四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸。

圖10 刀片切削軌跡

由圖10可知，刀片運(yùn)動(dòng)軌跡包括一個(gè)直線(xiàn)作業(yè)段a-b-c、一個(gè)弧形的非工作段c-d-a。在a-b-c直線(xiàn)段，刀片可以模仿人工對(duì)雞樅進(jìn)行直線(xiàn)切削，同時(shí)，非工作段的弧線(xiàn)可以使切屑遠(yuǎn)離雞樅根部，避免根部的培養(yǎng)基污染切削后的表面。

雞樅菌為覆土栽培，可通過(guò)圖像處理技術(shù)精確判斷殘留黑色培養(yǎng)基的部分為菌根，并根據(jù)單個(gè)雞樅菌根部長(zhǎng)度計(jì)算需深入切削裝置的深度，采用定位精度為0.02 mm的機(jī)械臂精準(zhǔn)執(zhí)行雞樅菌處理路徑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切削，如圖11所示。而人工配合切削裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)雞樅菌錐形削根，但無(wú)法精確控制雞樅菌進(jìn)入切削區(qū)域的深度，可能出現(xiàn)過(guò)度切削(部分菇柄被切削)或不完全切削(菇根未完全切削)現(xiàn)象。

1. 雞樅菌 2. 切削軌跡

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取山東煙臺(tái)和湖南岳陽(yáng)某菌菇生產(chǎn)基地的新鮮雞樅菌進(jìn)行人工與切削裝置的比對(duì)試驗(yàn)。挑選形狀、大小接近的雞樅菌240個(gè)，隨機(jī)分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)。由圖12可知，試驗(yàn)裝置切削的雞樅菌根部呈圓錐形；人工經(jīng)過(guò)4～8刀切削，形成4～8棱錐。機(jī)械臂完成抓取、切削、分級(jí)動(dòng)作耗時(shí)708 s，平均切削速度為5.9 s/個(gè)；手工切削耗時(shí)756 s，平均切削速度為6.3 s/個(gè)。切削裝置可24 h連續(xù)工作，且一人可同時(shí)操作3～5臺(tái)設(shè)備。

圖12 裝置削根與人工削根

為計(jì)算根部切削完成后的實(shí)際體積，建立如圖13所示的模型：H1為裝置削根高度；H2為人工削根附加高度，人工切削得到4～8棱錐，機(jī)器切削得到圓錐。由表1可知，機(jī)器切削后根部實(shí)際體積明顯大于人工切削。以菇柄直徑為12 cm的雞樅菌為例，對(duì)比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗(yàn)裝置削根可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費(fèi)率。

圖13 削根后根部剩余體積

表1多棱錐與圓錐體積對(duì)比表

Table1Multi-pyramidandconevolumecomparisontable

多棱錐人工削根體積/mm3裝置削根體積/mm3體積差/mm3浪費(fèi)率/%4棱錐664.5878.9214.424.45棱錐756.5878.9122.413.96棱錐798.5878.980.49.17棱錐821.7878.966.27.58棱錐836.0878.942.94.9

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了工作段為圓錐包絡(luò)的切削機(jī)構(gòu)，在攝像頭及機(jī)械臂輔助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)雞樅菌菇柄的錐形削根。試驗(yàn)結(jié)果表明，以菇柄直徑為12 mm 的雞樅菌為例，對(duì)比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗(yàn)裝置可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費(fèi)率，且速度更快、一致性更好。試驗(yàn)僅對(duì)雞樅菌的錐形切削進(jìn)行了研究，尚未探討是否會(huì)對(duì)雞樅菌品質(zhì)造成影響，后續(xù)將進(jìn)一步研究，以驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的實(shí)用性。