CN111480861B - 一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法，其特征在于包括输送装置Ⅰ、去皮装置和输送装置Ⅱ，所述去皮装置的一侧设置有输送装置Ⅰ，另一侧设置有输送装置Ⅱ。番薯在输送过程中采用自应力感应装置使得输送过程中的番薯始终保持平稳、不发生滚动掉落的意外情形；同时能够在一条去皮生产流水线上实现番薯机械化、自动化去皮作业，并且通过视觉系统检测一次去皮后的番薯存在的缺陷，通过视觉系统分析得出结果并反馈给多功能机械手进行单独去皮和挖孔作业，无需人工再次检验，大大提高了番薯去皮作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种农产品加工装置，尤其涉及一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法。
背景技术
番薯又称地瓜，营养丰富，种植面积较广，鲜食难以消耗其巨大的生产量，新鲜番薯保存较难，因此将番薯加工成食品是目前番薯种植大户的迫切需求。番薯可以加工成多味食品，如薯条、薯片、番薯干等。在制作番薯干的加工食品过程中，对番薯需要进行清洗、去皮、切条、蒸煮、漂烫、沥干、烘干、真空包装等工序，其中由于番薯去皮工艺是第一道工序，去皮质量直接影响番薯干产品的质量。由于番薯的个体生长差异性，番薯的外形特征各异，很难对番薯进行一次性去皮，尤其是对番薯表面的凹凸不平的坑，通常很难通过机械进行去皮，目前大多依靠人工进行二次去皮，去皮效率低下，劳动力成本投入较高。
番薯经过去皮后，在空气中容易氧化，目前市场上大多采用旋转去皮工序，通过刀具对旋转前进的番薯进行切削去皮，刀具不能完全依照番薯外形进行去皮，通常是刀具削掉较深的番薯才能将表皮去除干净，刀具切削去皮表面不均匀，深浅不一，去皮率较低。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于包括输送装置Ⅰ、去皮装置和输送装置Ⅱ，所述去皮装置的一侧设置有输送装置Ⅰ，另一侧设置有输送装置Ⅱ；其中所述输送装置Ⅰ包括水平输送机构、上斜坡输送机构、顶部输送机构；所述去皮装置包括抓取装置、抓取装置末端执行器、去皮组件、托盘装置、视觉系统、多功能机械手；所述输送装置Ⅱ包括待输送机构、下斜坡输送机构、收纳机构。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述输送装置Ⅰ的上斜坡输送机构设有自应力感应装置，保持番薯在上移输送过程中的平稳状态。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述水平输送机构、上斜坡输送机构、顶部输送机构设置有驱动装置，所述驱动装置都是单独控制并运行，互不干扰，所述驱动装置的动力源为电机。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述去皮装置的抓取装置末端执行器设有自感应力装置，可以将抓取番薯的瞬时力学数据进行实时反馈。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述托盘装置设有重力感应装置和自动顶针装置，通过所述重力感应装置用以检测番薯稳定放置在所述托盘装置上，所述自动顶针装置顶住番薯的底部，再通过伸缩顶针穿刺以固定番薯，托盘装置底部设置有旋转机构。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述视觉系统可以对托盘装置上的去皮后的番薯进行360°图像摄取并进行数据分析，并且将分析后的数据信息传送至所述多功能机械手。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述视觉系统包括带有数据分析处理系统的相机和计算机。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述输送装置Ⅱ的下斜坡输送机构设有自重力感应装置，以保持番薯始终平稳状态。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述输送装置Ⅱ的待输送机构、下斜坡输送机构的设置有驱动装置，所述驱动装置单独控制，所述驱动装置的动力源为电机；
收纳机构设有自走装置。
所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述多功能机械手设置有双臂协作机构，所述双臂协作机构可用来控制机械臂进行独立运动和协同作业，所述多功能机械手两个机械臂的末端执行器分别为带有自应力感应装置的抓取机构和空间无死角运转的刀具。
一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮方法，包括以下步骤：
S1.将清洗完后待去皮的番薯放置在输送装置Ⅰ的水平输送机构上，通过轧辊及设置在轧辊上的毛刷对番薯进行表皮清刷，然后输送至去皮装置中；
S2.抓取经步骤S1表皮清刷后的番薯至托盘装置上，托盘装置上设置有顶针装置将番薯固定；
S3.驱动去皮组件，去皮组件抵靠在番薯表皮后，托盘装置转动，并通过顶针装置将番薯上下匀速移动；
S4.去皮完成后，去皮组件复位，视觉系统采集的去皮后的番薯表皮图像信息采集后进行数据处理分析，分析出该番薯表面是否存在未完全去皮点、由于生长因素存在的需要挖除的部位，将信息反馈至多功能机械手；
S5.多功能机械手对未完全去皮点以及由于生长因素存在的需要挖除的部位进行单独的去皮和挖除作业，然后将处理后的番薯输送至输送装置Ⅱ中；
S6.将去皮后的番薯输送至输送装置Ⅱ的收纳机构中，进行收纳。
该基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法具有以下有益效果：
1.本发明的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法，可以实现机械化、360°无障碍去皮、通过视觉系统对不规则番薯进行单独去皮、挖孔等作业，降低人工劳动力投入，大大提高机械式番薯去皮作业生产效率。
2.本发明的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法，采用自应力感应装置，番薯在输送过程中通过该自应力感应装置使得输送过程中的番薯始终保持平稳、不发生滚动掉落的意外情形。
3.本发明的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法，能够在一条去皮生产流水线上实现番薯去皮作业，通过视觉系统检测一次去皮后的番薯存在的缺陷，通过视觉系统分析得出结果并反馈给多功能机械手进行单独去皮和挖孔作业，无需人工再次检验。
附图说明
图1所示为基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备原理示意图；
图2所示为去皮装置工作原理示意图。
附图标记说明：
1输送装置Ⅰ；1-01水平输送机构；1-02上斜坡输送机构；1-03顶部输送机构；2去皮装置；2-01抓取装置；2-02抓取装置末端执行器；2-03视觉系统；2-04多功能机械手；2-05托盘装置；2-06去皮组件；3输送装置Ⅱ；3-01待输送机构；3-02下斜坡输送机构；3-03收纳机构。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，使本发明技术方案更易于理解和掌握。
结合图1与图2所示，一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，包含输送装置Ⅰ1、去皮装置2、输送装置Ⅱ3组成，输送装置Ⅰ1包含初始水平输送机构1-01、上斜坡输送机构1-02、顶部输送机构1-03组成；去皮装置2包含抓取装置2-01、抓取装置末端执行器2-02、去皮组件2-06、托盘装置2-05、视觉系统2-03、多功能机械手2-04组成；输送装置Ⅱ3包含待输送机构3-01、下斜坡输送机构3-02、收纳机构3-03组成。
输送装置Ⅰ1用于输送清洗完后待去皮的番薯至去皮工位，其中初始水平输送机构1-01的输送平面上设有轧辊，轧辊为齿轮轴形，轧辊两端固定安装在初始水平输送机构的两侧板内侧，轧辊四周有毛刷，输送装置Ⅰ1可以通过驱动装置进行转动，轧辊通过转动对番薯进行表皮清刷并不断将番薯输送至初始水平输送机构1-01与上斜坡输送机构1-02结合处；上斜坡输送机构1-02具备重力自感应装置，在循环向上移动的过程中，使得番薯始终保持平稳状态，不会由于在上斜坡输送机构1-02运转过程中产生方向不稳或者位置偏移发生滚落的情形；顶部输送机构1-03是输送装置Ⅰ1的最后一个输送机构，其作用是将上斜坡输送机构1-02输送过来的番薯根据一定的速度输送至下一个工位，即待去皮装置2工位。
输送装置Ⅰ1的初始水平输送机构1-01、上斜坡输送机构1-02、顶部输送机构1-03三个机构都可以根据需求进行单独不同的运动速度控制，相互之间可以单独运行，且不相互干扰。
去皮装置2包含抓取装置2-01、抓取装置末端执行2-02、去皮组件2-06、托盘装置2-05、视觉系统2-03、多功能机械手2-04；抓取装置2-01是用于将输送装置Ⅰ1输送过来的番薯进行定速定量抓取至待作业工位，抓取装置2-01的驱动装置可以实现整个装置的360°无死角定位定速抓取，实现空间内的无障碍抓取番薯，同时抓取装置末端执行器2-02设有自应力感应装置，在抓取番薯的瞬间，通过自感应力装置将力数据反馈至抓取装置的数据分析系统，可以实现番薯无损伤抓取。抓取装置2-01将番薯定位抓取至托盘装置2-05上等待去皮作业，托盘装置2-05设有重力感应装置和自动顶针装置，番薯被抓取放置在托盘装置2-05上后，托盘装置通过重力感应装置，检测到番薯已经稳定放置在该工位上后，自动顶针装置为顶端尖锐凸出的细长轴类机构，自动顶针装置自上而下，先顶住番薯的底部，再通过伸缩顶针穿刺过番薯，待顶针穿刺到一定位置后，顶针停止，此时托盘装置2-05在驱动装置的驱动下进行匀速转动，托盘2-05的转速以最佳去皮效果为准，约1至2转/秒，番薯此时也跟随一起匀速转动。
此时驱动去皮组件2-06的动力源，去皮组件2-06以一定的速度移动靠近托盘装置2-05，待接近番薯表面时降低速度，缓缓靠近，去皮组件2-06的末端设有力反馈装置，在去皮组件接触到番薯表面后，力反馈装置可以根据设定的力数据进行去皮作业感应，将去皮组件固定不动，驱动托盘装置2-05，同时进行旋转和空间上下匀速运动，使得去皮组件2-06均匀将托盘装置2-05上固定的番薯进行去皮作业。
待番薯去皮作业完成后，驱动去皮组件动力源，将去皮组件运动返回至初始位置等待下一个作业；此时利用视觉系统对去皮后的番薯进行360°无死角检测，将视觉系统2-03采集的去皮后的番薯表皮图像信息采集后进行数据处理分析，分析出该番薯表面是否存在未完全去皮点、由于生长因素存在的需要挖除的部位等，通过数据分析处理系统对图像进行分析，判断番薯表皮是否去除干净；视觉系统2-03经过数据分析后将分析结果反馈给多功能机械手2-04，多功能机械手2-04对未完全去皮点以及由于生长因素存在的需要挖除的部位进行单独的去皮和挖除作业，多功能机械手2-04具有双臂功能，一个机械臂用于去皮作业和挖孔作业，实现番薯的针对性辅助性去皮作业，另一个机械臂用于番薯完成去皮作业后从去皮装置移位至下一个工序的作业环节的转移；用于去皮和挖孔作业的机械臂的末端执行器是刀具，该刀具可以实现空间无死角运转，而用于抓取番薯作业的机械臂的末端执行器带有力反馈装置，可以对去皮后的番薯进行无损伤抓取作业，多功能机械手2-04具有两个多关节串联机械手，可以为n个自由度，n为3,4,5,6……。
输送装置Ⅱ3包含待输送机构3-01、下斜坡输送机构3-02、收纳机构3-03。去皮装置2将完成番薯去作业工序的成品番薯通过多功能机械手的用于抓取番薯的机械臂将番薯逐个移位至输送装置Ⅱ3的输送机构处，等待驱动输送机构的动力源，将输送机构上放置的番薯进行输送工作。输送装置Ⅱ3的下斜坡输送机构3-02设有自重力感应装置，通过重力感应作用将去皮后输送至下斜坡输送机构3-02上的番薯始终保持平稳状态，不会由于输送工序进行而影响番薯在下斜坡输送机构3-02上的位置；下斜坡输送机构3-02的末端是收纳机构3-03，用于收集完成去皮作业的番薯，等收纳机构3-03的容量装满时，收纳机构3-03设有自走装置可以是在收纳机构底端设有自动巡航行走功能的装置，待去皮完成后，收纳机构装载满去皮后番薯，自走装置可以根据已设定的路径自动行走，通过运输途径将番薯输送至番薯干加工的下一个工位等待作业。
自应力感应装置通过重力平衡传感器将番薯平衡数据传输至控制系统，感应装置得到平衡数据后保持番薯平衡、平稳。
采用上述设备进行一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮的方法，包括以下步骤：
S1.在室温10～14℃的条件下，将清洗完后待去皮的番薯放置在输送装置Ⅰ的水平输送机构上，通过轧辊及设置在轧辊上的毛刷对番薯进行表皮清刷，然后输送至去皮装置中；
S2.抓取经步骤S1表皮清刷后的番薯至托盘装置上，托盘装置上设置有顶针装置将番薯固定；
S3.驱动去皮组件，去皮组件抵靠在番薯表皮后，托盘装置转动，托盘装置的转速一般为1-2r/s，并通过顶针装置将番薯上下匀速移动；
S4.去皮完成后，去皮组件复位，视觉系统采集的去皮后的番薯表皮图像信息采集后进行数据处理分析，分析出该番薯表面是否存在未完全去皮点、由于生长因素存在的需要挖除的部位，番薯表皮白皮层无残留即为去皮合格，此时将信息反馈至多功能机械手；
S5. 多功能机械手对未完全去皮点以及由于生长因素存在的需要挖除的部位进行单独的去皮和挖除作业，然后将处理后的番薯输送至输送装置Ⅱ中；
S6.将去皮后的番薯输送至输送装置Ⅱ的收纳机构中，进行收纳。
本发明的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备及去皮方法，可以实现机械化、360°无障碍去皮、通过视觉系统对不规则番薯进行单独去皮、挖孔等作业，降低人工劳动力投入，大大提高机械式番薯去皮作业生产效率；
采用自应力感应装置，番薯在输送过程中通过该自应力感应装置使得输送过程中的番薯始终保持平稳、不发生滚动掉落的意外情形；
能够在一条去皮生产流水线上实现番薯去皮作业，通过视觉系统检测一次去皮后的番薯存在的缺陷，通过视觉系统分析得出结果并反馈给多功能机械手进行单独去皮和挖孔作业，无需人工再次检验。
实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于包括输送装置Ⅰ(1)、去皮装置(2)和输送装置Ⅱ(3)，所述去皮装置（2）的一侧设置有输送装置Ⅰ（1），另一侧设置有输送装置Ⅱ（3）；其中所述输送装置Ⅰ(1)包括水平输送机构（1-01）、上斜坡输送机构（1-02）、顶部输送机构（1-03）；所述去皮装置(2)包括抓取装置（2-01）、抓取装置末端执行器（2-02）、去皮组件（2-06）、托盘装置（2-05）、视觉系统（2-03）、多功能机械手（2-04）；所述输送装置Ⅱ(3)包括待输送机构（3-01）、下斜坡输送机构（3-02）、收纳机构（3-03）；
所述去皮装置(2)的抓取装置末端执行器（2-02）设有自感应力装置，将抓取番薯的瞬时力学数据进行实时反馈；
所述托盘装置（2-05）设有重力感应装置和自动顶针装置，通过所述重力感应装置用以检测番薯稳定放置在所述托盘装置上，所述自动顶针装置顶住番薯的底部，再通过伸缩顶针穿刺以固定番薯，托盘装置底部设置有旋转机构；
所述视觉系统（2-03）对托盘装置上的去皮后的番薯进行360°图像摄取并进行数据分析，并且将分析后的数据信息传送至所述多功能机械手；所述视觉系统（2-03）包括带有数据分析处理系统的相机和计算机；
所述多功能机械手（2-04）设置有双臂协作机构，双臂协作机构是两个多关节串联机械手，为n个自由度，n≥3；所述双臂协作机构用于控制机械臂进行独立运动，同时能够协同合作，共同完成作业需求；所述多功能机械手（2-04）两个机械臂的末端执行器分别设置有抓取机构和的刀具，所述抓取机构上设置有自应力感应装置的，所述刀具能够空间无死角运转。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述输送装置Ⅰ(1)的上斜坡输送机构与所述输送装置Ⅱ(3)的下斜坡输送机构设有自应力感应装置，保持番薯在上移输送过程中的平稳状态，自应力感应装置通过重力平衡传感器将番薯平衡数据传输至控制系统，感应装置得到平衡数据后保持番薯平衡、平稳。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述水平输送机构（1-01）、上斜坡输送机构（1-02）、顶部输送机构（1-03）设置有驱动装置，所述驱动装置都是单独控制并运行，互不干扰，所述驱动装置的动力源为电机。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备，其特征在于所述输送装置Ⅱ(3)的待输送机构（3-01）、下斜坡输送机构（3-02）设置有驱动装置，所述驱动装置单独控制，所述驱动装置的动力源为电机；
所述收纳机构（3-03）的底部设有自走装置，所述自走装置包括设置在所述收纳机构（3-03）底端的自动巡航行走装置，待去皮完成后，收纳机构装载满去皮后番薯，自走装置可以根据已设定的行走路径自动行走。
5.基于权利要求1所述的一种基于机器视觉的番薯干加工自动去皮设备的去皮方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在室温10-14℃条件下，将清洗完后待去皮的番薯放置在输送装置Ⅰ（1）的水平输送机构（1-01）上，通过轧辊及设置在轧辊上的毛刷对番薯进行表皮清刷，然后输送至去皮装置(2)中；
S2.抓取经步骤S1表皮清刷后的番薯至托盘装置（2-05）上，托盘装置上设置（2-05）有顶针装置将番薯固定；
S3.驱动去皮组件（2-06），去皮组件（2-06）抵靠在番薯表皮后，托盘装置（2-05）转动，托盘装置（2-05）的转速为1-2r/s，并通过顶针装置将番薯上下匀速移动；
S4.去皮完成后，去皮组件（2-06）复位，视觉系统（2-03）采集去皮后的番薯表皮图像信息并进行数据处理分析，分析出该番薯表面是否存在未完全去皮点、由于生长因素存在的需要挖除的部位，将信息反馈至多功能机械手（2-04）；
S5. 多功能机械手（2-04）对未完全去皮点以及由于生长因素存在的需要挖除的部位进行单独的去皮和挖除作业，然后将处理后的番薯输送至输送装置Ⅱ(3)中；
S6.将去皮后的番薯输送至输送装置Ⅱ(3)的收纳机构（3-03）中，进行收纳。
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