CN110420878A - 一种果蔬分选机械手及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种果蔬分选机械手及系统，果蔬分选机械手，包括驱动机构、气缸连杆机构和夹持机构，驱动机构通过气缸连杆机构和夹持机构连接，用于驱动气缸连杆机构滑动，带动夹持机构沿铰接点旋转；近红外光谱仪、卤素灯和光纤探头，卤素灯围绕于光纤探头的周侧，光纤探头的一端与近红外光谱仪连接；果蔬分选系统包括：视觉识别子系统、控制器以及本果蔬分选机械手，将近红外光谱检测分析技术与夹持装置相结合，在夹持装置抓取果蔬的同时对果蔬进行内部品质检测，然后根据检测结果对果蔬进行分级装箱。本发明结构简单，可实现果蔬无损检测分级。
Description
技术领域
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种果蔬分选机械手及系统。
背景技术
我国是水果生产大国，但国际竞争力弱，水果产业仍以国内市场为主。主要原因是我国水果产业采后商品化处理能力不足，水果的质量未能达到国际市场标准。分级是提高水果产业商品质量的有效手段，因此发展水果检测分级技术，研制水果检测分级装置，对于提升水果采后商品化处理水平具有促进作用。
近红外光谱检测技术使用简易仪器即可实现光谱信号的快速采集，样本无需进行预处理，并且光谱数据中信息量丰富，一次光谱采集获取的光谱数据可完成多种品质参数的预测。越来越多的研究关注于近红外光谱技术在水果内部品质在线检测和分级中的应用。但现在大多数在线检测装置的分选执行机构采用料斗或果盘翻转使被测物体落下，或者采用挡板使不同级别的被测物滚落至不同区域，这样的分选机构适用于不易受损的水果，自由度较少，运行不够灵活，机械分选完成后，还需要人工进行装箱操作。
随着自动化技术和传感器技术的发展，机械手已广泛应用于多个生产领域，人们对于农产品日益增长的需求对农业生产提出了更高的要求，在农业生产领域机械手的研究越来越多，主要应用于采摘机器人上。由机械手完成水果的分拣，可以满足更加复杂的分选操作，并且机械手可在分选时完成装箱，省去了人工装箱的工序，可进一步提高工作效率。
发明内容
本发明实施例提供一种果蔬分选机械手及系统，用以解决现有技术中果蔬光谱采集，同时进行分选，且分选时容易对果蔬造成损伤，自由度较少，运行不够灵活，操作复杂的问题。
本发明实施例提供一种果蔬分选机械手，包括：抓取装置和检测装置，所述检测装置固定于所述抓取装置，所述抓取装置包括驱动机构、气缸连杆机构和夹持机构，所述驱动机构通过所述气缸连杆机构和所述夹持机构连接，用于驱动所述气缸连杆机构滑动，带动所述夹持机构沿铰接点旋转；所述检测装置包括近红外光谱仪、卤素灯和光纤探头，所述卤素灯围绕于所述光纤探头的周侧，所述光纤探头的一端与所述近红外光谱仪连接。
其中，还包括上固定框架和下固定框架，所述近红外光谱仪安装于所述上固定框架和所述下固定框架之间，所述卤素灯和所述光纤探头安装于所述下固定框架内部且位于所述下固定框架的底部。
其中，所述气缸连杆机构包括直线气缸和连杆，所述直线气缸一端铰接于所述上固定框架，所述直线气缸另一端与所述连杆连接。
其中，所述夹持机构包括多个夹持块和多个夹持块固定座，所述夹持块一一对应固定于所述夹持块固定座，所述夹持块固定座的一端铰接于所述下固定框架，所述夹持块固定座的另一端与所述连杆连接。
其中，还包括压力传感器，所述压力传感器安装于所述夹持块的内侧。
其中，所述夹持块固定座包括第一插板和第一槽板，在所述下固定框架的外侧壁上固定有第二槽板，所述第一插板与所述第二槽板可转动插接，所述第一槽板与所述连杆的一端可转动插接。
其中，所述检测装置还包括反光灯杯，所述反光灯杯设置于所述下固定框架内，所述反光灯杯的轴心位置设有光纤安装孔，在所述光纤安装孔周围设有多个卤素灯固定孔。
其中，所述检测装置还包括遮光圈，所述遮光圈安装于所述下固定框架内且位于所述下固定框架的底部。
其中，还包括微动开关，所述微动开关安装于所述下固定框架上。
本发明还公开一种果蔬分选系统，包括：视觉识别子系统、控制器以及如本发明的果蔬分选机械手，所述视觉识别子系统与所述控制器连接，用于识别果蔬与所述机械手的位置，所述控制器与所述机械手连接，用于控制所述抓取装置抓取或松开果蔬和所述检测装置对果蔬进行近红外光谱检测
本发明实施例提供的一种果蔬分选机械手及系统，将近红外光谱检测分析技术与夹持装置相结合，在夹持装置抓取果蔬的同时对果蔬进行内部品质检测，然后根据检测结果对果蔬进行分级装箱。本发明结构简单，可实现果蔬无损检测分级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明果蔬分选机械手的结构示意图；
图2为本发明果蔬分选机械手检测装置的结构示意图；
图3为本发明果蔬分选机械手反光灯杯的结构示意图；
图4为本发明果蔬分选机械手夹持块固定座的结构示意图；
图5为本发明果蔬分选机械手夹持块的结构示意图；
图6为本发明果蔬分选机械手下固定框架的剖视图。
图中：1、上固定框架；2、直线气缸；3、连杆；4、夹持块固定座；41、第一插板；42、第一槽板；5、微动开关；6、夹持块；7、压力传感器；8、遮光圈；9、下固定框架；10、近红外光谱仪；11、卤素灯；12、光纤；13、反光灯杯；14、光纤探头；15、光纤探头螺母；16、光纤安装孔；17、卤素灯固定孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明公开一种果蔬分选机械手，包括：抓取装置和检测装置，所述检测装置固定于所述抓取装置，所述抓取装置包括驱动机构、气缸连杆机构和夹持机构，所述驱动机构通过所述气缸连杆机构和所述夹持机构连接，用于驱动所述气缸连杆机构滑动，带动所述夹持机构沿铰接点旋转；所述检测装置包括近红外光谱仪10、卤素灯11和光纤探头12，所述卤素灯11围绕于所述光纤探头12的周侧，所述光纤探头12的一端与所述近红外光谱仪10连接。
具体地，本发明中的检测装置位于抓取装置的正中间位置，检测装置的光纤探头需保证在整个装置的下部才能在抓取过程中对果蔬进行检测，居中分布可使检测部位即为识别定位的位置，一般利用机器视觉识别物体位置时，识别的位置为物体的形心坐标，果蔬的型心位置为较为理想的检测部位。驱动机构可以位于抓取装置的上部。驱动机构可采用空气压缩机等驱动气缸运动；气缸连杆机构将驱动机构输出的转矩转化为直线运动，并驱动夹持机构沿铰接点旋转，使用夹持机构的末端对果蔬进行夹持，其结构可以为钳子或夹持块等，在气缸连杆机构的带动下可以张开或收缩。卤素灯11可选用卤钨灯珠，环绕在光纤探头12的周围布置，其作为光源可为多个，且呈环形布置，其照射在果蔬检测部位的光的形状也为环形，光源产生的环形光束照射在样本表面经漫透射后可被位于中央的光纤探头12接收，由近红外光谱仪10产生红外光谱图。
本发明实施例提供的一种果蔬分选机械手及系统，将近红外光谱检测分析技术与夹持装置相结合，在夹持装置抓取果蔬的同时对果蔬进行内部品质检测，然后根据检测结果对果蔬进行分级装箱。本发明结构简单，可实现果蔬无损检测分级。
其中，还包括上固定框架1和下固定框架9，所述近红外光谱仪10安装于所述上固定框架1和所述下固定框架9之间，所述卤素灯11和所述光纤探头12安装于所述下固定框架9内部且位于所述下固定框架9的底部。具体地，卤素灯11和光纤探头12伸出下固定框架9，卤素灯11提供光源，光纤探头12接收经过果蔬漫反射后的图像，由近红外光谱仪10产生红外光谱图。
其中，所述气缸连杆机构包括直线气缸2和连杆3，所述直线气缸2一端铰接于所述上固定框架1，所述直线气缸2另一端与所述连杆3连接。具体地，在上固定框架1上安装有第三槽板，槽板上设有小孔，该小孔为直线气缸2与上固定框架1的铰接点，可以利用定位销依次穿过槽板上的小孔和直线气缸2的端部，实现两者的铰接。而直线气缸2另一端的推杆与连杆3通过相配合的螺纹连接。
其中，所述夹持机构包括多个夹持块6和多个夹持块固定座4，所述夹持块6一一对应固定于所述夹持块固定座4，所述夹持块固定座4的一端铰接于所述下固定框架9，所述夹持块固定座4的另一端与所述连杆3连接。具体地，如图4所示，所述夹持块固定座包括第一插板41和第一槽板42，在所述下固定框架9的外侧壁上固定有第二槽板(图中未标注)，所述第一插板41与所述第二槽板可转动插接，所述第一槽板42与所述连杆3的一端可转动插接。进一步地，第一插板41与所述第二槽板均具有小孔，通过定位销穿过小孔，使得夹持块固定座4可沿第二槽板的小孔为铰接点旋转，也可以将两者的结构调换，实现两者铰接即可。这样的结构使得直线气缸2驱动连杆3伸缩时，可带动夹持块固定座4和夹持块6沿第二槽板的小孔为铰接点旋转。优选地，夹持块6和夹持块固定座4的个数可选用三个，并均匀分布于下固定框架9的周侧。夹持块6的形状为楔形结构，该结构不会顺着压力方向弯曲，而是向压力的反方向弯曲，该结构作为机械手的夹持机构在抓取物体时能够对物体起到合拢的作用，能够适应不同形状的物体，结构设计简单，有着良好的抓取性能；夹持块6采用柔软的软胶材料制成，在夹持过程中避免损伤水果。
其中，如图5所示，还包括压力传感器7，所述压力传感器7安装于所述夹持块6的内侧。具体地，压力传感器7可采用膜片式压力传感器，主要用于检测果蔬与夹持块6之间的压力，进而调整直线气缸的运动状态，使得果蔬与夹持块6之间的压力处于合适的状态。
其中，所述检测装置还包括反光灯杯13，所述反光灯杯13设置于所述下固定框架9内，所述反光灯杯13的轴心位置设有光纤安装孔16，在所述光纤安装孔16周围设有多个卤素灯固定孔17。具体地，反光灯杯13可嵌入下固定框架9的底部，利用定位螺钉对其定位，反光灯杯上均匀分布有六个卤素灯固定孔17，呈圆环状分布，圆环中部为供光纤12贯穿的光纤安装孔16，所述光纤安装孔16与所述卤钨灯珠之间有圆环状突起，避免所述卤钨灯珠发出的光直接被所述光纤探头14接收。具体地，光纤探头14穿过光纤安装孔利用光纤探头螺母15固定在反光灯杯13上，光纤探头14上有能与光纤探头螺母15相配合的螺纹。另外下固定框架9的上隔板设有用于光纤探头14穿过的小孔，用于光纤探头14与近红外光谱仪10连接。
其中，所述检测装置还包括遮光圈8，所述遮光圈8安装于所述下固定框架9内且位于所述下固定框架9的底部。该遮光圈8采用橡胶制成，可套在下固定框架9，可以贴合在不同形状的水果的表面，防止外界光的干扰，为光谱采集制造黑暗避光的环境。在采集光谱时，遮光圈贴在水果表面，卤钨灯珠发出的光渗透进水果果肉后经漫反射被光纤探头14接收，所述光纤探头螺母15可以防止所述卤钨灯珠发出的光未经反射直接进入所述光纤探头14，避免无用信息的干扰。
其中，还包括微动开关5，所述微动开关5安装于所述下固定框架9上。当果蔬贴在遮光圈8会产生微小震动，进而微动开关5出发。
本发明还公开一种果蔬分选系统，包括：视觉识别子系统、控制器以及如发明的果蔬分选机械手，所述视觉识别子系统与所述控制器连接，用于识别果蔬与所述机械手的位置，所述控制器与所述机械手连接，用于控制所述抓取装置抓取或松开果蔬和所述检测装置对果蔬进行近红外光谱检测。
利用本发明的果蔬分选系统的使用方法，包括：机械手安装座安装在机械手末端，视觉系统识别到水果位置后，将水果的位置信息发送给控制器，控制器根据水果的位置坐标控制机械手移动到水果所在位置，机械手下部为近红外光谱检测机构，当机械手接触水果时，机械手的遮光圈贴在苹果表面，此时微动开关触发，单片机向继电器输出高电平信号，继电器通电，电磁阀左侧位置气路接通，直线气缸推动夹持块夹持苹果，夹紧苹果，夹持力逐渐增大，夹持力增大至压力传感器设定阈值时，压力传感器的信号转换模块向单片机发送信号，单片机向继电器输出低电平信号，继电器断电，电磁阀断电后保持断电前的状态，夹持块夹持苹果不动，同时单片机通过串口通讯向上位机发送信号，上位机控制光谱仪采集光谱数据，并根据预测模型对光谱数据进行分析计算，预测水果的糖分，根据预测结果，参照国家规定的水果含糖量分级标准，对水果进行分级，将不同等级的水果放置不同区域。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种果蔬分选机械手，其特征在于，包括：抓取装置和检测装置，所述检测装置固定于所述抓取装置，所述抓取装置包括驱动机构、气缸连杆机构和夹持机构，所述驱动机构通过所述气缸连杆机构和所述夹持机构连接，用于驱动所述气缸连杆机构滑动，带动所述夹持机构沿铰接点旋转；所述检测装置包括近红外光谱仪、卤素灯和光纤探头，所述卤素灯围绕于所述光纤探头的周侧，所述光纤探头的一端与所述近红外光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的果蔬分选机械手，其特征在于，还包括上固定框架和下固定框架，所述近红外光谱仪安装于所述上固定框架和所述下固定框架之间，所述卤素灯和所述光纤探头安装于所述下固定框架内部且位于所述下固定框架的底部。
3.根据权利要求2所述的果蔬分选机械手，其特征在于，所述气缸连杆机构包括直线气缸和连杆，所述直线气缸一端铰接于所述上固定框架，所述直线气缸另一端与所述连杆连接。
4.根据权利要求3所述的果蔬分选机械手，其特征在于，所述夹持机构包括多个夹持块和多个夹持块固定座，所述夹持块一一对应固定于所述夹持块固定座，所述夹持块固定座的一端铰接于所述下固定框架，所述夹持块固定座的另一端与所述连杆连接。
5.根据权利要求4所述的果蔬分选机械手，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器安装于所述夹持块的内侧。
6.根据权利要求4所述的果蔬分选机械手，其特征在于，所述夹持块固定座包括第一插板和第一槽板，在所述下固定框架的外侧壁上固定有第二槽板，所述第一插板与所述第二槽板可转动插接，所述第一槽板与所述连杆的一端可转动插接。
7.根据权利要求2所述的果蔬分选机械手，其特征在于，所述检测装置还包括反光灯杯，所述反光灯杯设置于所述下固定框架内，所述反光灯杯的轴心位置设有光纤安装孔，在所述光纤安装孔周围设有多个卤素灯固定孔。
8.根据权利要求2所述的果蔬分选机械手，其特征在于，所述检测装置还包括遮光圈，所述遮光圈安装于所述下固定框架内且位于所述下固定框架的底部。
9.根据权利要求8所述的果蔬分选机械手，其特征在于，还包括微动开关，所述微动开关安装于所述下固定框架上。
10.一种果蔬分选系统，其特征在于，包括：视觉识别子系统、控制器以及如权利要求1-9中任意一项所述的果蔬分选机械手，所述视觉识别子系统与所述控制器连接，用于识别果蔬与所述机械手的位置，所述控制器与所述机械手连接，用于控制所述抓取装置抓取或松开果蔬和所述检测装置对果蔬进行近红外光谱检测。
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