基于連續(xù)體機(jī)器人技術(shù)的金針菇自動(dòng)采收裝置設(shè)計(jì)

摘 "要：在現(xiàn)有的金針菇工廠化產(chǎn)線中，濾光罩拆卸、金針菇采收、金針菇切根3道關(guān)鍵工序仍需人工完成，效率低下，且人工成本高昂。為提高工廠的自動(dòng)化程度及金針菇生產(chǎn)效率，對金針菇的產(chǎn)線方案進(jìn)行搭建，模塊化設(shè)計(jì)一種金針菇自動(dòng)采收裝置，將3道工序集成為一體。結(jié)合連續(xù)體機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)一種繩驅(qū)動(dòng)金針菇柔性夾爪，解決自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)金針菇無損采收這一核心問題。同時(shí)在環(huán)保的角度進(jìn)一步完善產(chǎn)線，產(chǎn)線中對濾光罩與切割后的金針菇根壤分別進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)金針菇產(chǎn)線的廢料回收再利用。

關(guān)鍵詞：金針菇；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；繩驅(qū)動(dòng)；連續(xù)體機(jī)器人；生產(chǎn)線

中圖分類號：S646.1+5 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2024）22-0006-04

Abstract： In the existing industrial production lines for enoki mushrooms， or Flammulina velutipes， the three critical processes of removing light filters， harvesting enoki mushrooms， and cutting the roots still require manual labor， resulting in low efficiency and high labor costs. In order to improve the automation degree of the factory and the production efficiency of enoki mushrooms， a production line plan for enoki mushrooms was built， and an automatic harvesting device for enoki mushrooms was designed to integrate the three processes. A rope-driven flexible gripper for enoki mushrooms was designed based on continuum robot technology， which solved the core problem of automated non-destructive harvesting of enoki mushrooms. At the same time， the production line was further improved from the perspective of environmental protection. In the production line， the filter and the cut enoki mushroom root soil were recycled separately， realizing the recycling and reuse of waste from the enoki mushroom production line.

Keywords： enoki mushroom; structural design; rope-driven; continuum robot; production line

金針菇是食用最廣泛的菌類之一，也是我國食用菌生產(chǎn)的常規(guī)主品種之一，2021年全國食用菌鮮品總產(chǎn)量為4 133.96萬t[1]。其味道鮮美，營養(yǎng)豐富，且具有一定的中醫(yī)藥價(jià)值。金針菇是中國最早實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的食用菌品種，也是目前日產(chǎn)和年產(chǎn)數(shù)量最大的品種[2]。

目前金針菇的種植方式為工廠化瓶栽種植，培養(yǎng)瓶在每個(gè)金針菇盆中以橫向、縱向4×4的方式分布放置。工廠化種植金針菇可分為濾光罩拆卸環(huán)節(jié)、金針菇采收環(huán)節(jié)、金針菇切根環(huán)節(jié)3個(gè)部分。金針菇表面貼合的濾光罩如圖1所示，其由魔術(shù)貼在銜接處進(jìn)行粘接。工作者接收產(chǎn)線輸送的金針菇盆后，依次拆卸培養(yǎng)瓶上的藍(lán)色濾光罩，拆卸完成后將金針菇從培養(yǎng)瓶中分別拔出，進(jìn)行金針菇的切根工序，最后將金針菇輸送出庫，如圖2所示。

隨著瓶栽種植食用菌類技術(shù)及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化采摘技術(shù)的發(fā)展，金針菇的自動(dòng)化采收已展開相應(yīng)研究。Sujatanagarjuna等[3]提出了一種模塊化、可拓展的室內(nèi)蘑菇收獲系統(tǒng)，其蘑菇采收環(huán)節(jié)中采用了割刀式末端執(zhí)行器分離蘑菇根部與菌柄。割刀式末端執(zhí)行器在食用菌分離階段體現(xiàn)出高效的優(yōu)點(diǎn)，但具有一定的危險(xiǎn)程度。高文碩等[4-5]針對金針菇作物特性進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，得到了金針菇拉拔力等理論參數(shù)，基于該理論參數(shù)設(shè)計(jì)了一種雙機(jī)械手瓶栽金針菇采收機(jī)器人，其末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為與金針菇菌柄局部契合的剛性圓弧狀?yuàn)A爪。剛性夾爪在抓取金針菇過程中會(huì)由于接觸力集中造成金針菇叢邊緣損傷[6]，因此，金針菇采收執(zhí)行器應(yīng)為柔性執(zhí)行器，從而保證金針菇的采收質(zhì)量。

基于金針菇的采收前后流程，本文設(shè)計(jì)了一種金針菇自動(dòng)化采收產(chǎn)線，將上述濾光罩拆卸、金針菇采收、金針菇切根3道工序集成為一體，分別為濾光罩拆卸模塊、金針菇采收模塊、金針菇自動(dòng)切根模塊，提升了現(xiàn)有金針菇工廠的自動(dòng)化程度。并且為保證金針菇出庫品質(zhì)，考慮到金針菇在采收環(huán)節(jié)的易損，在金針菇采收環(huán)節(jié)中，結(jié)合繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人技術(shù)[7-12]，設(shè)計(jì)了一種柔性夾爪，實(shí)現(xiàn)了金針菇的無損采收。

1 "產(chǎn)線總體方案設(shè)計(jì)

金針菇自動(dòng)化采收裝置整體設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示，當(dāng)金針菇盆通過輸送線達(dá)到工業(yè)相機(jī)識(shí)別位置后，輸送線停止工作，濾光罩拆卸模塊根據(jù)工業(yè)相機(jī)識(shí)別到的濾光罩標(biāo)簽定位信息將金針菇盆第一行的濾光罩拆卸處理，拆卸完成后濾光罩拆卸模塊移動(dòng)到濾光罩回收桶處，回收桶對濾光罩進(jìn)行收集，用于二次利用。每完成一行的濾光罩拆卸作業(yè)，輸送線進(jìn)行運(yùn)作將下一行待拆卸濾光罩輸送至濾光罩拆卸模塊工作位置。

當(dāng)每個(gè)培養(yǎng)瓶中的濾光罩均被拆卸后，金針菇盆被輸送到采收裝置位置。柔性夾爪將第一行金針菇連根拔起，并將金針菇翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后金針菇位置與切根裝置相對應(yīng)，此時(shí)切根裝置運(yùn)行，切根過程中殘?jiān)粩嗷厥罩粮朗占瘋}中。當(dāng)切根工序完成后，回收倉繼續(xù)移動(dòng)至根壤回收桶上方，此時(shí)后倉門打開，根壤回收桶收集掉落的金針菇根壤殘?jiān)?，其可用于進(jìn)行金針菇培養(yǎng)基的制作。同時(shí)采收裝置復(fù)位，采收裝置移動(dòng)至最右端，金針菇由此放置于出庫線上，實(shí)現(xiàn)金針菇的自動(dòng)出庫。

2 "濾光罩拆卸模塊設(shè)計(jì)

濾光罩拆卸為金針菇采收過程的第一道工序。濾光罩拆卸模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，整體共具有3個(gè)自由度。四方板鋪設(shè)有導(dǎo)軌與齒條，頂降單元與平移電機(jī)豎直安裝于四方板上。當(dāng)平移電機(jī)運(yùn)作時(shí)，濾光罩拆卸模塊在平移電機(jī)與電機(jī)齒輪的嚙合作用下實(shí)現(xiàn)X軸方向的移動(dòng)。同時(shí)拆卸單元再與頂降單元通過連接桿連接，保證了濾光罩拆卸模塊在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。

在集成架的末端，補(bǔ)償氣缸與拆卸單元相連接。當(dāng)工業(yè)相機(jī)識(shí)別到濾光罩邊緣的定位標(biāo)簽后，拆卸單元需要保證與金針菇中所在行待拆卸濾光罩同軸。濾光罩定位標(biāo)簽如圖6所示（去除金針菇）。由于金針菇盆中待拆卸濾光罩可能存在行距離偏差，補(bǔ)償氣缸將對每個(gè)濾光罩對應(yīng)的拆卸單元進(jìn)行距離修正，確保了濾光罩拆卸模塊在Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。

在濾光罩拆卸模塊中，拆卸器如圖7所示，當(dāng)拆卸器移動(dòng)到待拆卸濾光罩同軸位置后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)根據(jù)定位標(biāo)簽通過聯(lián)軸器將拆卸器旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)角度，頂降單元帶動(dòng)拆卸器下落。拆卸器中2個(gè)氣爪夾緊濾光罩邊緣位置，推動(dòng)氣缸將氣爪二向外拉伸，從而將濾光罩撕開，并轉(zhuǎn)運(yùn)到濾光罩回收桶中。

3 "金針菇采收模塊設(shè)計(jì)

完成上述濾光罩拆卸工序后，輸送線將金針菇轉(zhuǎn)運(yùn)至金針菇采收模塊工作位置處。采收環(huán)節(jié)為第二道工序，也是整個(gè)工藝流程中的核心環(huán)節(jié)。為了確保金針菇在采收過程中能夠無損出庫，針對金針菇的采收作業(yè)設(shè)計(jì)了一種柔性夾爪。金針菇采收模塊如圖8所示。其中頂降單元、平移電機(jī)與濾光罩拆卸模塊相同，保證了采收模塊在X軸、Z軸方向的移動(dòng)。固定架的兩側(cè)分別設(shè)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸與柔性夾爪通過聯(lián)軸器相連接，同時(shí)固定架中間留有柔性夾爪翻轉(zhuǎn)的空間，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作時(shí)，金針菇在柔性夾爪的抓取下實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，為后續(xù)切根工作做準(zhǔn)備。

柔性夾爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，針對每行待抓取的4叢金針菇可以將柔性夾爪共分為4個(gè)單元，每個(gè)單元通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)?？紤]到金針菇盆中每行金針菇之間的間距狹窄，為保證柔性夾爪能夠滿足每行待抓取金針菇的間距，因此將單元之間的菇卡板與連續(xù)體在空間上進(jìn)行交疊分布。舵盤的上、下兩端固定有驅(qū)動(dòng)繩索，驅(qū)動(dòng)繩索通過導(dǎo)向滑輪末端與連續(xù)體末端相接。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連續(xù)體在驅(qū)動(dòng)繩索的拉力作用下形成彎曲圓弧，抓取金針菇過程中，每部分的2個(gè)連續(xù)體與菇卡板共同實(shí)現(xiàn)金針菇菌柄表面的貼合。隨著舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的增大，連續(xù)體的抓取力也隨之增大，從而在連續(xù)體與菇卡板的共同作用下對金針菇進(jìn)行夾持。

連續(xù)體彎曲結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，其中Ni-Ti合金記憶心軸由起始盤出發(fā)至終點(diǎn)盤，貫穿于整個(gè)連續(xù)體的中軸線。各連接盤之間通過銷連接。當(dāng)舵機(jī)運(yùn)作時(shí)，連續(xù)體在驅(qū)動(dòng)繩索的拉力作用下實(shí)現(xiàn)彎曲。當(dāng)金針菇完成采收時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)為0°，此時(shí)連續(xù)體在Ni-Ti合金記憶心軸的彈性作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

4 "金針菇自動(dòng)切根模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)金針菇采收模塊成功抓取金針菇后，此時(shí)柔性夾爪翻轉(zhuǎn)210°，即金針菇根部朝上翻轉(zhuǎn)至金針菇自動(dòng)切根模塊工作位置。金針菇自動(dòng)切根模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，根壤收集倉的頂端固定在直線模組的工作臺(tái)上，由直線模組實(shí)現(xiàn)根壤收集倉在X軸方向的移動(dòng)。根壤收集倉底端固定有切割刀片，直線模組走刀時(shí)將金針菇根壤在自身慣性下掉落至收集倉中。當(dāng)切割工序完成后，頂升氣缸將倉門打開，收集倉內(nèi)的金針菇根壤殘?jiān)袈渲粱厥胀爸小?/p>

5 "結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種金針菇自動(dòng)采收產(chǎn)線，分別為濾光罩自動(dòng)拆卸模塊、金針菇采收模塊、金針菇自動(dòng)切根模塊，3個(gè)模塊一體化集成。對傳統(tǒng)的金針菇生產(chǎn)的多道工序進(jìn)行了合并，實(shí)現(xiàn)了金針菇的自動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)在金針菇采收模塊中，針對金針菇的無損采收作業(yè)設(shè)計(jì)了一種柔性夾爪，確保了采收環(huán)節(jié)到出庫過程中金針菇的采收質(zhì)量。后續(xù)工作將對采收模塊中柔性夾爪抓取金針菇過程的成功率進(jìn)行進(jìn)一步分析與探究。

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