CN113593118B - 一种定量榨汁机及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种定量榨汁机及方法，包括壳体，称重机构，传输架，图像采集机构，抓取机构，榨汁机构和控制器。壳体具有连通自身内腔与外部空间的送料孔；称重机构设于壳体内腔中，并处于送料孔下方；传输架用于接收从称重机构处排出的水果，并从上往下依次传输；图像采集机构用于采集传输架及传输架处水果的图像信息；抓取机构用于抓取传输架处任意水果至榨汁机构的物料投入口；榨汁机构用于对水果榨汁并输出果汁。

Description

一种定量榨汁机及方法

技术领域

本公开属于水果榨汁技术领域，具体涉及一种定量榨汁机及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

发明人了解到，市场上鲜榨果汁进行售卖的自动售货机，其技术方案中具有控制果汁液位和控制水果数量等两种模式，控制果汁液位的模式中，依次榨取多个水果，当果汁杯子的液位达到标准后，停止向果汁杯子输出果汁，但是正在榨取的水果会继续榨汁，多余的果汁进行储存，下次使用。

控制水果数量的模式中，每次榨取的水果数量一定，因为每个水果重量不同，会造过多的剩余果汁储存，或者果汁不足的情况；果汁不足又需要额外榨取新的水果。

即现有技术方案中，容易出现果汁剩余过多的情况，当果汁剩余过多时，在果汁暂存机构中容易变质，直接当做废品输出会造成果汁的浪费。

发明内容

本公开的目的是提供一种定量榨汁机及方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供一种定量榨汁机，包括壳体，称重机构，传输架，图像采集机构，抓取机构，榨汁机构和控制器。壳体具有连通自身内腔与外部空间的送料孔；称重机构设于壳体内腔中，并处于送料孔下方；传输架用于接收从称重机构处排出的水果，并从上往下依次传输；图像采集机构用于采集传输架及传输架处水果的图像信息；抓取机构用于抓取传输架处任意水果至榨汁机构的物料投入口；榨汁机构用于对水果榨汁并输出果汁。

控制器能够接收称重机构及图像采集机构的信号，并能够以需要获得的果汁重量为目标量，根据组合优化算法获得一组榨汁后暂存果汁最少的水果目标组合结果集，并控制抓取机构将目标组合的水果抓取至榨汁机构。

本公开的一个或多个实施例还提供一种定量榨汁方法，利用了所述的定量榨汁机，包括以下步骤：

将水果从送料孔依次送入；

水果经称重机构称重后，将重量信息传输至控制器，然后水果从称重机构处输出至传输架；多个水果在传输架处依次排列，图像采集机构将当前每个水果的位置信息传输至控制器，并使得重量信息与位置信息相对应；

初始化将需要输出的果汁重量作为目标量；

控制器根据系统预设的水果出汁率以及目标重量得到所需要水果的目标重量根据组合优化算法获得一组榨汁后暂存果汁最少的水果目标组合结果集。

当控制器收到需要榨汁的信号时，依次选取水果目标组合结果集的目标组合，并控制抓取机构将目标组合的水果抓取至榨汁机构；

抓取机构将目标组合抓取至榨汁机构进行榨汁，并将果汁输出至出料机构。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

本公开中采用称重机构及图像识别机构，利用控制器接收称重机构及图像识别机构的信号，以实现任意一个水果重量与位置的定位；便于在控制器得出最优的水果组合后，利用抓取机构抓取水果组合中的任意一个水果；使得每一次榨汁过程中，额外暂存的果汁较少，减少浪费。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开一个或多个实施例中主视方向的部分结构示意图；

图2为本公开一个或多个实施例中俯视方向的部分结构示意图；

图3为本公开一个或多个实施例中俯视方向的部分内部结构示意图；

图4为本公开一个或多个实施例中主视方向的部分结构示意图；

图5为本公开一个或多个实施例中侧视方向的部分结构示意图；

图6为本公开一个或多个实施例中定量榨汁的流程示意图；

图7为本公开一个或多个实施例中图像识别及组合优化算法的流程示意图；

图8为本公开一个或多个实施例中结果矩阵的结构示意图。

图中，1、摄像头；2、壳体；3、称重机构；4、传输架；5、出料口；6、控制面板；7、送料孔；8、漏斗入料口；9、物料投入口；10、转动轴；11、转动电机；12、横向移动电机；13、第一导轨；14、第二导轨；15、纵向移动电机；16、横向移动电机；17、物料传输管道；18、储料箱；19、榨汁机构；20、出料机构；21、剪叉式支架；22、舵机；23、机械爪；24、果汁暂存机构；25、控制器；26、果渣收集机构；27、剪叉驱动机构。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种定量榨汁机及方法，包括壳体2，称重机构3，传输架4，图像采集机构，抓取机构，榨汁机构19和控制器25。壳体2具有连通自身内腔与外部空间的送料孔7；称重机构3设于壳体2内腔中，并处于送料孔7下方；传输架4用于接收从称重机构3处排出的水果，并从上往下依次传输；图像采集机构用于采集传输架4及传输架4处水果的图像信息；抓取机构用于抓取传输架4处任意水果至榨汁机构19的物料投入口9；榨汁机构19用于对水果榨汁并输出果汁。

本实施例中，图像采集机构可以采用摄像头1，摄像头1布置在壳体2内腔的顶壁处，以便于拍摄传输架4及传输架4处水果的全部图像，摄像头1也可以替换成相机。

控制器25能够接收称重机构3及图像采集机构的信号，并能够接收称重机构3及图像采集机构的信号，并能够以需要获得的果汁重量为目标量，根据组合优化算法获得一组榨汁后暂存果汁最少的水果目标组合结果集，并控制抓取机构将目标组合的水果抓取至榨汁机构。所述壳体2的上端安装漏斗，漏斗的上端口形成漏斗入料口8，漏斗的下端口形成所述送料孔7。

所述传输架4具有传输槽，水果能够置于传输槽中，传输架4沿竖向和水平方向均呈蛇形布置。即此处的传输架4为立体蛇形支架，使得传输槽处盛纳的每一个水果在竖向不会相互阻挡，利用抓取机构能够抓取任意一个传输架4处的水果。

所述传输架4的入口对准称重机构3的出口，传输架4的出口对准榨汁机构19的入口。为了能够在水果称重后，输出至传输架4，称重机构3包括称重盘，用于盛纳水果，称重机构3整体与转动轴10连接，转动轴10通过转动电机11的输出轴驱动，转动电机11的基体与壳体2固定，转动电机11为断电自锁电机，通过转动电机11驱动称重机构3旋转，使得称重盘在水平和倾斜状态转换，称重盘水平时，能够完成水果的称重，当称重盘倾斜时，水果从称重盘掉落至传输架4的上端，然后在重力作用下沿倾斜的传输架4依次向下滚动。本实施例中，抓取机构包括机械爪23，机械爪23的上端连接舵机22，舵机22与剪叉式支架21的下端连接，剪叉式支架21竖向设置，剪叉式支架21的上端与剪叉驱动机构连接，剪叉驱动机构能够驱动剪叉式支架21发生变形，进而使得机械爪23能够在实现升降。为了实现机械爪23在水平面内的平动，本实施例中间剪叉驱动机构安装在纵向移动电机15的基体上。

在壳体2的内腔中固定设置两个第一导轨13和一个第二导轨14，第一导轨13与第二导轨14相互垂直，将纵向移动电机15设置在第二导轨14处，横向移动电机设置在第一导轨13处，第二导轨14的两端分别与两个横向移动电机固定。第一导轨13及第二导轨14处分别设置沿自身延伸方向的齿条，横向移动电机和纵向移动电机15的输出轴处分别设置齿轮，齿轮与齿条啮合，实现横向移动电机沿第一导轨13的行走、纵向移动电机15沿第二导轨14的行走。两个横向移动电机分别为图示中的横向移动电机12和横向移动电机16。

本实施例中，榨汁机构19的进口处连接物料传输管道17的一端，物料传输管道17的另一端形成物料投入口9，物料投入口9承接来自机械爪23释放的水果，并将其运输至榨汁机构19。

还包括果渣收集机构26，用于收集榨汁后的果渣。

还包括出料机构20，接收榨汁机构19输出的果汁，并装杯输出壳体2。

还包括果汁暂存机构24，果汁暂存机构24用于暂储从榨汁机构19处输出的果汁。

所述壳体2的外壁面处设置有控制面板6以及出料口5，控制面板6用于向控制器25输入果汁容量信息。出料口5用于输出装满果汁的杯子。

本实施例中还设置有储料箱18，用于在壳体2中储存水果，当传输架4水果不足时，通知操作人员将储料箱18中的水果取出，通过送料孔7送入。

实施例2

本实施例提供一种定量榨汁方法，利用了实施例1中所述的定量榨汁机，包括以下步骤：多个水果在传输架4处依次排列，图像采集机构将当前每个水果的位置信息传输至控制器25，并使得重量信息与位置信息相对应；

根据初始化将需要输出的果汁重量作为目标量。

控制器25根据系统预设的水果出汁率以及目标重量得到所需要水果的目标重量；通过控制器内设计的算法选取多个水果的实际重量求和并与目标重量求差值，取得差值最小的最优解及次优解组成一组结果集并结合实际应用情况进行调整，最终获得水果目标组合结果集。控制器计算一次获得一组结果集可进行四杯果汁榨汁，减小计算负担。

当控制器25收到需要榨汁的信号时，依次选用结果集中目标组合，抓取机构将目标组合抓取至榨汁机构19进行榨汁，并将果汁输出至出料机构20。

榨汁机构19处的多余果汁输出至果汁暂存机构24暂存。

所述控制器25能够接收图像采集机构的信号，并通过图像识别完成每个水果的定位。组合优化算法：

对于每一种水果，采购得到的同一种水果粒径基本相同，以下以橙子为例，进行分析，常规自动榨汁售卖机使用的橙子直径范围为75mm左右，考虑到残渣及果皮影响到榨汁率的问题，一杯橙汁大概需要四个橙子，700g。

根据直径75mm的橙子质量范围分析，每次机器抓取四个橙子即可达到目标函数要求，因此此算法假设选取四个橙子标号分别为i₁、i₂、i₃、i₄。目标函数是i₁、i₂、i₃、i₄四个橙子质量之和与700g比较，差值越小、解的程度越优、越满足要求。

目标函数：MIN|(i₁+i₂+i₃+i₄)-700|，i₁、i₂、i₃、i₄分别指四个橙子质量(单位：克)

本实施例中，采用先使用枚举法搜索，在枚举法中使用分支定界法对于不满足要求的分支直接停止搜索。组合优化算法具体实现流程如下：

(1)机器设备初始化，先设置补充一次原料储存系统最大橙子容量(n)，用以在枚举法中规定循环次数；设置榨取一杯果汁所需要固定的橙子质量，本算法设计中使用700g，此参数(BOUND)主要用于分支定界法和目标函数构建时使用；进入质量检测电路的质量数组；结果矩阵阶数(time)，此参数主要用于结果矩阵的建立，说明结果矩阵一共会产生time个解，其中包括最优解和次优解。因为有结果矩阵的存在，并不是机器运转一次算法执行一次，算法执行一次生成结果矩阵，可以供机器多次使用。在对机器进行初始化操作时。可以通过人机交互界面对参数进行输入。

(2)调用优化组合算法，输入参数有质量数组、橙子容量(n)、固定橙子质量(BOUND)和结果矩阵阶数(time)。根据结果矩阵阶数参数初始化结果矩阵，并根据质量数组找出最大值(MAX)和最小值(MIN)，以结果矩阵首列降序排列。

(3)先采用枚举法进行搜索i₁+i₂+i₃，当在进行i₄最后一个橙子质量选取时采用分支定界法。分支定界法分两种情况：第一种情况指当i₁+i₂+i₃质量加上整个质量数组最小值还大于700g的边界，此时i₁+i₂+i₃+MIN减去700g边界后的解要比最差解X4还要差，直接减去现有i₁+i₂+i₃的搜索，此分支砍掉。第二种情况i₁+i₂+i₃质量加上整个质量数组最大值还小于700g的边界，此时i₁+i₂+i₃+MAX减去700g边界后的解要比最差解X₄还要差，直接减去现有i₁+i₂+i₃的搜索，此分支砍掉。在此两种分支定界的条件下，可以减少不必要的搜索，加快算法运行速度。

(4)对于没有被分支定界法减去的分支，要检验是否比目前最差的解X4要优。首先对于得到的数据进行处理，求出差值绝对值X、差值Z以及四个橙子的编号。如果X的值小于X₄，证明此数据有资格进入结果矩阵，但是否真正可以保存下来还要经过检验。

(5)检验此解是否满足要求可以被储存下来。在前面的算法中分析发现存在相同编号的多次使用。这在实际应用中是完全不允许的，机器运行一次取出第一条数据对应的橙子，即使结果矩阵还有相同橙子的编号也无法再次使用，只能再次运行算法重新计算，这与算法设计之初的目的背道而驰。所以要检验此数据是否与现有结果矩阵中的数据有相同项，此处理采用MATLAB中的intersect命令检验是否含有相同项。如果含有相同项，但是X的值要比Xi(i＝1、2、3)更优，则替换该行数组，X₁优先级最高，X₃优先级最低。若无重复项，直接替换X4行数组。每次操作完，以结果矩阵首列降序排列一次。

(6)迭代搜索完成，得出结果矩阵。X₁行数组为最优解，Xi(i＝2、3、4)为次优解，解的质量依次降低。

通过上述组合优化算法设计，可以求出结果矩阵用于机械结构抓取。但是此设计要求在实际应用时要有可行性，在对结果分析中发现主要存在两大问题：第一是最优解存在理想化，如果机器初次使用多余果汁无存储，而结果矩阵的最优解小于目标函数定界700g，就会造成榨取的果汁容量不达标。第二个问题是当机械结构在选取了第一条数据之后，由于橙子在原料存储系统中是蛇形顺序排列，之前橙子的编号不再准确，需要对原有结果矩阵进行刷新调整。

得到结果矩阵后需要对结果矩阵进行实际应用调整才可以用于被机械结构抓取。对第二列差值真实值进行处理操作，差值真实值是指四个橙子的质量和与700g定界的实际差值，小于零代表榨取的橙汁不足固定产品容量，大于零代表榨取的橙汁多余固定产品容量。将此列数据降序排列，正值在前负值在后，先选取榨取的橙汁多余固定产品容量的数据，多余果汁进行存储用于后续补充，稳定输出固定橙汁容量。

在机器调用结果矩阵后，机械结构进行抓取会造成原有质量数组的变化，以及橙子对应编号的变化。在抓取对应橙子时采用先抓取编号大的橙子，再抓取编号小的橙子，根据该次抓取的四个橙子的序号，对结果矩阵剩余的橙子编号进行刷新，保证再次调用结果矩阵时选取正确的橙子。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种定量榨汁机，其特征在于，包括：

壳体，具有连通自身内腔与外部空间的送料孔；

称重机构，设于壳体内腔中，并处于送料孔下方；

传输架，用于接收从称重机构处排出的水果，并从上往下依次传输；

图像采集机构；用于采集传输架及传输架处水果的图像信息；

抓取机构，用于抓取传输架处任意水果至榨汁机构的物料投入口；

榨汁机构，用于对水果榨汁并输出果汁；

控制器，能够接收称重机构及图像采集机构的信号，并能够以需要获得的果汁重量为目标量，根据组合优化算法获得一组榨汁后暂存果汁最少的水果目标组合结果集，并控制抓取机构将目标组合的水果抓取至榨汁机构。

2.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，所述壳体的上端安装漏斗，漏斗的下端口形成所述送料孔。

3.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，所述传输架具有传输槽，水果能够置于传输槽中，传输架沿竖向和水平方向均呈蛇形布置。

4.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，所述传输架的入口对准称重机构的出口，传输架的出口对准榨汁机构的入口。

5.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，还包括出料机构，接收榨汁机构输出的果汁，并装杯输出壳体。

6.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，还包括果汁暂存机构，果汁暂存机构用于暂储从榨汁机构处输出的果汁。

7.根据权利要求1所述的定量榨汁机，其特征在于，所述壳体的外壁面处设置有控制面板。

8.一种定量榨汁方法，利用了权利要求1-7中任意一项所述的定量榨汁机，其特征在于，包括以下步骤：

将水果从送料孔依次送入；

水果经称重机构称重后，将重量信息传输至控制器，然后水果从称重机构处输出至传输架；

多个水果在传输架处依次排列，图像采集机构将当前每个水果的位置信息传输至控制器，并使得重量信息与位置信息相对应；

当控制器收到需要榨汁的信号时，将需要输出的果汁重量作为目标量；

控制器根据系统预设的水果出汁率以及目标重量得到所需要水果的目标重量，根据组合优化算法获得暂存果汁最少时的水果组合为目标组合，并控制抓取机构将目标组合的水果抓取至榨汁机构；

榨汁机构进行榨汁，并将果汁输出至出料机构。

9.根据权利要求8所述的定量榨汁方法，其特征在于，榨汁机构处的多余果汁输出至果汁暂存机构暂存。

10.根据权利要求8所述的定量榨汁方法，其特征在于，所述控制器能够接收图像采集机构的信号，并通过图像识别完成每个水果的定位。

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