雞樅菌錐形削根裝置設(shè)計

李一欣 趙明巖 周喬君 梁喜鳳 蔡為明 胡劍虹 謝崇陽 陳 濤 蔡 暉

(1. 中國計量大學(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]，營養(yǎng)價值極高[2-3]，價格為普通香菇的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2萬t[4]。由于雞樅菌根部富含多種微量元素，且根部呈60°類圓錐型，為最大限度減少浪費，需對雞樅菌根部進行錐形削根。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刀便完成一個雞樅菌的削根，容易造成了雞樅菌根部的浪費。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、浪費率高且人工操作具有一定的危險性，勞動力短缺及老齡化現(xiàn)象嚴重制約了雞樅菌行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

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

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，雞樅菌錐形削根裝置由機架、輸送帶、攝像頭、機械臂、機械手、切削裝置等組成。雞樅菌從振動盤出料后，到達輸送帶，機械臂通過攝像頭定位抓取雞樅菌并送至切削工位。切削裝置由兩個四連桿機構(gòu)組成，分別裝有切削刀片，刀片高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)雞樅菌根部的錐形切削。切削完成后，根據(jù)雞樅菌粗細等形狀特征信息進行篩選分級，再通過機械臂將其放入相應(yīng)的分級箱。

1. 機架 2. 振動盤 3. 輸送帶 4. 擋邊 5. 雞樅菌 6. 攝像頭

7. 機械臂 8. 機械手 9. 切削裝置 10. 分級箱

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

2.1 整機系統(tǒng)組成

如圖2所示，裝置系統(tǒng)包括機械臂、機械手爪、攝像頭、單片機、觸摸屏等。攝像頭檢測到雞樅菌到達輸送帶后，將圖像發(fā)送至PC，得出雞樅菌大小、形狀、位置、姿態(tài)，機械臂到達雞樅菌所在位置，機械手執(zhí)行抓取動作[18-20]并控制雞樅菌根部進入切削區(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?？刂撇糠諷TM32F103采用Cortex-M3內(nèi)核處理器，具有單周期乘法和硬件除法，配有多個定時器，且每個定時器具有4個完全獨立的輸出通道，可進行多線程的工作；控制部分負責雞樅菌圖像處理、MG996R舵機驅(qū)動及控制算法的運作。執(zhí)行部分MG996R舵機接收由CPU發(fā)出的PWM信號，控制電機轉(zhuǎn)動。

圖2 整機系統(tǒng)

圖3 控制系統(tǒng)電路模塊圖

2.2 圖像識別部分

攝像頭將捕捉到的雞樅位置、大小、形狀、姿態(tài)等信息傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(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)字信號進行準確處理。圖像系統(tǒng)對這些信號進行如圖4所示的運算來抽取目標特征，PC根據(jù)判別結(jié)果控制機械臂的動作[21]。當機械臂對當前雞樅菌進行抓取、切削等動作時，下一個雞樅菌即隨輸送帶到達指定位置并由攝像頭采集信息，進行圖像識別工作。

圖4 視覺識別流程圖

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

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

2.3.2 削根裝置 由圖7可知，削根裝置由兩個對稱布置的四桿機構(gòu)組成，連桿上裝有切削刀片。同步輪Ⅱ帶動主動錐齒輪6轉(zhuǎn)動，驅(qū)動左側(cè)錐齒輪7與右側(cè)錐齒輪5。左側(cè)錐齒輪7帶動同步輪組12一起運動，同步輪組12與圓盤4相連，當圓盤4運動時，帶動連桿3及安裝在連桿3上的刀片一起運動。同步輪Ⅰ在電機驅(qū)動下，帶動平臺11及安裝在平臺11上的兩個支架13一起轉(zhuǎn)動，使兩個四連桿機構(gòu)跟隨平臺11一起公轉(zhuǎn)。將雞樅菌根部放入切削區(qū)，兩個四桿機構(gòu)隨平臺11公轉(zhuǎn)，結(jié)合自身在同步輪組驅(qū)動下形成的自轉(zhuǎn)運動，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. 機架 6. 固定柱 7. 連桿 8. 舵機

圖5 機械手爪

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 5. 右側(cè)錐齒輪 6. 主動錐齒輪 7. 左側(cè)錐齒輪 8. 同步輪Ⅰ 9. 同步輪Ⅱ 10. 機架 11. 平臺 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，當切削裝置運轉(zhuǎn)時，切削刀片以腰形曲線進行自轉(zhuǎn)，并隨四連桿機構(gòu)繞平臺轉(zhuǎn)動軸線公轉(zhuǎn)。采用450 r/min原動機，錐齒輪傳動比、同步帶輪傳動比均為1∶1，可得兩個刀片自轉(zhuǎn)速度均為7.5 r/s，即1 s內(nèi)兩個刀片共對雞樅菌切削15刀。按12刀切削一個雞樅菌計算，0.8 s即可完成一次作業(yè)。

圖8 切削裝置三維仿真圖

機構(gòu)仿真模型圖與機構(gòu)運動示意圖如圖9所示。假設(shè)圓盤(即曲柄AB)順時針方向轉(zhuǎn)動為正，對四連桿機構(gòu)進行運動學(xué)分析。l1、l2、l3、l4、l5分別為AB、BC、CD、DA、CE線段長度；θ1為AB(曲柄)與AD(機架)的夾角；θ2為BC(連桿)與AD(機架)的夾角；θ3為AD(機架)與Y坐標軸的夾角。

Ⅰ. 四桿機構(gòu)Ⅰ Ⅱ. 四桿機構(gòu)Ⅱ

對四桿機構(gòu)Ⅰ，刀片切削點坐標為：

(1)

根據(jù)圖9中的幾何關(guān)系，可得出：

(2)

對四桿機構(gòu)Ⅱ，刀片切削點坐標為：

(3)

根據(jù)式(1)～(3)可得出刀片的運動軌跡為一個環(huán)形封閉回路，在Python軟件上按照給定條件進行仿真，計算出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，得到刀片運動軌跡如圖10所示，再根據(jù)雞樅菌根部的實際大小確定四連桿機構(gòu)的尺寸。

圖10 刀片切削軌跡

由圖10可知，刀片運動軌跡包括一個直線作業(yè)段a-b-c、一個弧形的非工作段c-d-a。在a-b-c直線段，刀片可以模仿人工對雞樅進行直線切削，同時，非工作段的弧線可以使切屑遠離雞樅根部，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)單個雞樅菌根部長度計算需深入切削裝置的深度，采用定位精度為0.02 mm的機械臂精準執(zhí)行雞樅菌處理路徑，實現(xiàn)精準切削，如圖11所示。而人工配合切削裝置雖然可以實現(xiàn)雞樅菌錐形削根，但無法精確控制雞樅菌進入切削區(qū)域的深度，可能出現(xiàn)過度切削(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 試驗驗證

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

圖12 裝置削根與人工削根

為計算根部切削完成后的實際體積，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，機器切削得到圓錐。由表1可知，機器切削后根部實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，對比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗裝置削根可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費率。

圖13 削根后根部剩余體積

表1多棱錐與圓錐體積對比表

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

通過對多個參數(shù)進行建模，設(shè)計了工作段為圓錐包絡(luò)的切削機構(gòu)，在攝像頭及機械臂輔助下，實現(xiàn)對雞樅菌菇柄的錐形削根。試驗結(jié)果表明，以菇柄直徑為12 mm 的雞樅菌為例，對比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗裝置可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費率，且速度更快、一致性更好。試驗僅對雞樅菌的錐形切削進行了研究，尚未探討是否會對雞樅菌品質(zhì)造成影響，后續(xù)將進一步研究，以驗證試驗裝置的實用性。