CN114011748A - 应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，包括可转动底盘(1)，可转动底盘(1)上设置夹取单元和检测单元，夹取单元包括机械臂，机械臂包括四个机械夹手，机械夹手由机械臂内部的电机驱动；检测单元包括五个电极，其中四个电极安装在四个机械夹手的指尖上，一个可伸缩的电极安装在机械臂内部。本装置采用检测与分拣一体化设计，可以减少检测时间，不依赖于感官评价，可以获得精确的结果，提升准确率。相对于基于传统理化性质的原料品质检测，对原料具有破坏性，只能采用抽检，本检测能够实现对原料百分之百的检测。
Description
技术领域
本发明涉及食品生产过程中检测装置及技术，特别涉及应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，人们对果酱的品质的要求也越来越高。因此，对果酱工厂的品质管控也提出了更高要求。对于果酱工厂而言，原料检测是生产高品质果酱的基础，对保证最终产品的质量有着重要意义。
现有的技术方案主要有，在生产线上的检测主要依靠品质检验人员的感官评价。在实验室中的检测主要依靠专业人员对原料进行理化检测。CN 109444219一种肉类食品营养品质快速检测探针和检测方法，其中，探针包括：探针头，用于插入到肉类食品中，以获取所述肉类食品的电导率数据、温度数据和电阻抗数据；加密模块，用于对所述探针头获取到所述肉类食品的电导率数据、温度数据和电阻抗数据进行加密，生成加密数据，并将所述加密数据通过所述移动终端发送至公链服务器中，以根据所述加密数据对所述肉类食品的营养品质进行判断。
现有的检测方法存在如下不足：1、在生产线上的检测主要依靠品质检验人员的感官评价，主观性较强且需要人工分拣。2、在实验室中的理化检测可以获得精确的结果，但检测周期较长，对原料具有破坏性以及无法与生产做到无缝对接。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种高效的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置。
技术方案：本发明提供应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，包括可转动底盘，可转动底盘上设置夹取单元和检测单元，夹取单元包括机械臂，机械臂包括四个机械夹手，机械夹手由机械臂内部的电机驱动；检测单元包括五个电极，其中四个电极安装在四个机械夹手的指尖上，一个可伸缩的电极安装在机械臂内部。
所述夹取单元包括机械手臂，机械手臂包括四个机械夹手，机械夹手由机械手臂内部的电机驱动，由两个支撑架固定在检测区上方。所述检测单元包括五个电极，其中四个电极安装在四个机械夹手的指尖上，与待测原料充分接触，还有一个电极安装在机械手臂内部中，采用可伸缩结构。当夹取待测原料时，四个机械手指固定住待测原料，上面的电极与待测原料充分接触。此时，电磁铁不通电，将弹簧顶出来，带动电极插入待测原料中。检测完成放置原料时，电磁铁通电，带动弹簧收缩，电极收回，放置原料。通过五个电极获取待测原料的电阻抗数据，分析判断原料的品质。所述分拣功能由机械手臂完成，符合质量要求的原料，由机械手臂夹取到待生产区，不符合质量要求的原料，夹取到废弃区。
进一步地，所述可转动底盘上是第一机械臂，第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂通过轴承顺次连接，第四机械臂的末端设置保护盖，保护盖上安装有两个摄像头，摄像头用于获取待测原料的位置信息，保护盖下方安装有机械抓手。
进一步地，所述机械抓手内部为圆柱形腔体，圆柱形腔体内部设置内而外延伸的可伸缩电极，腔体侧面连接有四个机械手指，四个机械手指的指尖上面安装有四个固定电极，固定电极与待测原料接触，与可伸缩电极协作获取待测原料信息。
进一步地，所述圆柱形腔体内部设有弹簧，弹簧与可伸缩电极相连，在弹簧上部安装有电磁铁，当夹取待测原料时，四个机械手指固定住待测原料，上面的电极与待测原料充分接触，此时，电磁铁不通电，将弹簧顶出来，带动可伸缩电极插入待测原料中，检测完成放置原料时，电磁铁通电，带动弹簧收缩，可伸缩电极收回，放置原料。
进一步地，所述圆柱形腔体外部的四个机械手指分为三节，第一机械手指、第二机械手指和第三机械手指顺次相连，第三机械手指指尖上安装有四个固定电极，电极连接有导线，导线穿过机械手指经过机械手臂圆柱形腔体内部，再由圆柱形内部腔体出来，穿过机械臂，将机械抓手上的四个固定电极和内部可伸缩电极与底盘内的控制器相连。
进一步地，所述可转动底盘内部设有运动控制器和控制器，通过运动控制器来控制机械臂和机械抓手进行作业，控制器的分析模块通过分析四个固定电极与可伸缩电极获取到的待测原料信息，来判断原料的品质。
进一步地，所述控制器包括单片机、A/D转换器、DDS差分放大电路、数字频率合成器和压控电流源，单片机通过接口电路连接外部的运动控制器，单片机的输出端依次连接DDS数字频率合成器、压控电流源，可伸缩电极和固定电极，可伸缩电极和固定电极的输出端依次连接差分放大电路、A/D转换器和单片机。
工作原理：原料中的细胞结构与理化成分随着时间的推移发生变化，导致其电特性发生改变。具体体现在阻抗模下降，而不同频率下降不一样，低频的阻抗值变化较大，高频的阻抗值影响较小。通过电学特性的检测可以得到原料的品质信息。
有益效果：本装置采用检测与分拣一体化设计，可以减少对果酱原料的检测时间，不依赖于品质人员的感官评价，可以获得精确的结果，提升准确率，节省人工。同时检测后能够即刻进入生产，与生产做到无缝对接。相对于基于传统理化性质的原料品质检测，对原料具有破坏性，只能采用抽检，本检测能够实现对原料百分之百的检测。
附图说明
图1是本发明一种应用于果酱工厂原料检测及分拣装置的结构示意图；
图2是图1中机械抓手的结构放大图；
图3是原料检测及分拣装置的流程图；
图4是原料检测及分拣装置的模块图；
图5是对比完好草莓组织与腐烂草莓组织的电学特性曲线图。
具体实施方式
参见图1，本装置包括一个底盘1，底盘可以转动，在底盘上方是第一机械臂2，第一机械臂2通过轴承与第二机械臂3相连接，第二机械臂3通过轴承与第三机械臂4相连接，第三机械臂4通过轴承与第四机械臂5相连接，四条机械臂协同作业。在第四机械臂的末端是一个保护盖6，在保护盖上安装有两个摄像头7，通过摄像头7来获取待测原料的位置信息。
保护盖下面安装有机械抓手，在机械抓手的内部是一个圆柱形腔体，圆柱形腔体内部有一个可伸缩电极8由内而外延伸出去，腔体侧面有四个机械手指与其相连，四个机械手指的指尖上面安装有四个固定电极9，电极与待测原料充分接触，与可伸缩电极8一起获取待测原料信息。
在底盘内部有运动控制器10，通过运动控制器10来控制机械臂和机械抓手进行作业。同样，在底盘内部还有一个控制器11，分析模块通过分析四个固定电极9与可伸缩电极8获取到的待测原料信息，来判断原料的品质。
参见图2，图2是图1中机械抓手的结构放大图。在机械抓手的圆柱形腔体内部有一个弹簧12，弹簧12与可伸缩电极8相连，在弹簧上部安装有电磁铁13。当夹取待测原料时，四个机械手指固定住待测原料，上面的电极与待测原料充分接触。此时，电磁铁13不通电，将弹簧12顶出来，带动可伸缩电极8插入待测原料中。检测完成放置原料时，电磁铁13通电，带动弹簧12收缩，可伸缩电极8收回，放置原料。
腔体外部的四个机械手指分为三节，第一机械手指14通过轴承与第二机械手指15相连，第二机械手指15通过轴承与第三机械手指16相连，第三机械手指16由上到下，宽度慢慢变小，略微向内弯曲。第三机械手指指尖上安装有四个固定电极9，电极连接有导线。导线穿过机械手指，经过机械手臂圆柱形腔体内部，再由圆柱形内部腔体出来，穿过机械臂，将机械抓手上的四个固定电极9和内部可伸缩电极8与底盘内的控制器11相连。
参见图3，本图是原料检测及分拣装置的模块图。控制器11包括单片机、A/D转换器、DDS差分放大电路、数字频率合成器和压控电流源，单片机通过接口电路连接外部的运动控制器10。单片机的输出端依次连接DDS数字频率合成器、压控电流源，可伸缩电极8和固定电极9，可伸缩电极8和固定电极9的输出端依次连接差分放大电路、A/D转换器和单片机。
单片机是整个检测模块的中枢，不仅控制整个设备的运行，也是等效电路模型匹配算法和关键因子参数计算的核心硬件。在启动控制器运行时，单片机将激励源的频率信号发送给DDS数字频率合成器，DDS数字频率合成器根据收到的指令，发出相应频率的正弦波信号，该正弦波信号经过压控电流源电路转化为电流激励信号输入到可伸缩电极8和固定电极9。
差分放大电路用于放大可伸缩电极和固定电极响应的电压信号，并最终通过A/D转换器模数转换，输入到单片机中进行数据处理。
本发明采用电流激励、电压响应的方式测量电阻抗数据。相对于电压激励而言，电流激励的方式可以有效提高输入电阻，最大限度减小接触电阻和极化电势所引起的误差。
单片机获取到电阻抗数据后，将控制信号传输到运动控制器10中，运动控制器10再将信号传输到伺服驱动电机中，由伺服驱动控制机械手臂转动以及机械抓手的张开。同时，运动控制器将信号传输到继电器中，继电器控制电磁铁13的通电和断电，来控制弹簧12的弹开和收缩，从而带动电极的伸开和收回。
参见图1-4，本原料检测及分拣装置工作时，开始启动之后，摄像头7获取待测原料的位置信息，将信号传输到运动控制器10中，运动控制器10将控制命令发送到伺服驱动，伺服驱动控制机械手臂转动和机械抓手合拢，夹取待测原料，固定电极9与待测原料充分接触。运动控制器10再将控制命令发送到继电器，继电器控制电磁铁13通电，可伸缩电极8伸出，插入待测原料中。
单片机控制DDS数字频率发生器发出频率为f1的高频正弦波，经过压控电流源转换后，电流激励信号i1被输出到可伸缩电极和固定电极中。草莓腐烂后，它的细胞膜会破裂，细胞内液通过细胞膜溢出到细胞外液，使其电学特性发生变化。具体体现在相当大的频率范围内(＜20k Hz)阻抗模下降，而不同频率下降幅度有所不同，低频电流穿透力较弱，故阻抗值变化更大。可伸缩电极和固定电极的响应电压v1通过差分放大器，模数转换后被输入到单片机中。单片机根据激励电流i1和响应电压v1的关系计算出频率f1下的阻抗值，公式如下：
其中f为检测频率，频率范围：在1Hz到1MHz的频率范围内按对数平均间隔取60个频率点，If为激励电流，Uf为响应电压，Zf为根据激励电流If和响应电压Uf的关系计算出频率f下的阻抗值。
然后单片机控制DDS频率发生器改变输出频率，发出频率为f2的激励电流，测得阻抗值Z2。如此往复从高频到低频遍取频谱中的所有的n个频率后，得到不同频率下fn的n个阻抗值Z1，Z2，Z3…Zn。测量结果如图5所示。
接着分析将不同频率下的阻抗值带入到拟合模型中，得出草莓品质评估指标SQEI(Strawberry Quality Evaluation Indicator)。该模型基于电特征参数与草莓品质的相关性研究成果，在机器出厂前固化到程序中。SQEI公式如下：
其中，Zf1，Zf2 … Zf10分别是在频率f1，f2…f10下的阻抗值。
经过试验，得出SQEI值大于5000Ω则草莓品质良好，满足后续加工要求，而SQEI值小于5000Ω则草莓品质有缺陷，不可以进入后续工序。
根据SQEI取值判断草莓原料是否符合品质要求，符合要求的草莓原料将放入待生产区，具体执行过程是：运动控制器10发送信号到伺服驱动，伺服驱动机械手臂运动到待生产区上方。同时，机械手臂下降，运动控制器10将信号传输到继电器中，继电器控制电磁铁13断电，弹簧收缩，从而带动可伸缩电极8的收回，从待测原料中拔出，机械抓手张开，机械手臂将草莓原料放入待生产区，进入生产线生产。
不符合品质要求的草莓原料将放入废弃区，具体执行过程是：运动控制器10发送信号到伺服驱动，伺服驱动机械手臂运动到废弃区上方，机械手臂下降，运动控制器10将信号传输到继电器中，继电器控制电磁铁13断电，弹簧收缩，可伸缩电极8收回，从待测原料中拔出，机械抓手张开，机械手臂将草莓原料放入废弃区。
参见图5，本图对比了完好的草莓组织与腐烂的草莓组织的电学特性，得到两条曲线，两个曲线都是上升的。在20kHZ前，两条曲线的差异较小。但是在20kHZ之后，两个曲线差异比较大，这是由于腐烂的草莓细胞膜会破裂，细胞内液溢出，使其电学特性发生变化，穿透力较弱的低频范围内，阻抗差异更为明显。此实验证明可以有效区分草莓原料的品质。
Claims (7)
1.一种应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：包括可转动底盘(1)，可转动底盘(1)上设置夹取单元和检测单元，夹取单元包括机械臂，机械臂包括四个机械夹手，机械夹手由机械臂内部的电机驱动；检测单元包括五个电极，其中四个电极安装在四个机械夹手的指尖上，一个可伸缩的电极安装在机械臂内部。
2.根据权利要求1所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述可转动底盘(1)上是第一机械臂(2)，第一机械臂(2)、第二机械臂(3)、第三机械臂(4)、第四机械臂(5)通过轴承顺次连接，第四机械臂(5)的末端设置保护盖(6)，保护盖上安装有两个摄像头(7)，摄像头(7)用于获取待测原料的位置信息，保护盖(6)下方安装有机械抓手。
3.根据权利要求2所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述机械抓手内部为圆柱形腔体，圆柱形腔体内部设置内而外延伸的可伸缩电极(8)，腔体侧面连接有四个机械手指，四个机械手指的指尖上面安装有四个固定电极(9)，固定电极(9)与待测原料接触，与可伸缩电极(8)协作获取待测原料信息。
4.根据权利要求3所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述圆柱形腔体内部设有弹簧(12)，弹簧(12)与可伸缩电极(8)相连，在弹簧(12)上部安装有电磁铁(13)，当夹取待测原料时，四个机械手指固定住待测原料，上面的电极与待测原料充分接触，此时，电磁铁(13)不通电，将弹簧(12)顶出来，带动可伸缩电极(8)插入待测原料中，检测完成放置原料时，电磁铁(13)通电，带动弹簧(12)收缩，可伸缩电极(8)收回，放置原料。
5.根据权利要求3所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述圆柱形腔体外部的四个机械手指分为三节，第一机械手指(14)、第二机械手指(15)和第三机械手指(16)顺次相连，第三机械手指(16)指尖上安装有四个固定电极(9)，电极连接有导线，导线穿过机械手指经过机械手臂圆柱形腔体内部，再由圆柱形内部腔体出来，穿过机械臂，将机械抓手上的四个固定电极(9)和内部可伸缩电极(8)与底盘(1)内的控制器(11)相连。
6.根据权利要求1所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述可转动底盘(1)内部设有运动控制器(10)和控制器(11)，通过运动控制器(10)来控制机械臂和机械抓手进行作业，控制器(11)的分析模块通过分析四个固定电极(9)与可伸缩电极(8)获取到的待测原料信息，来判断原料的品质。
7.根据权利要求1-6任一项所述的应用于果酱工厂草莓原料的检测及分拣装置，其特征在于：所述控制器(11)包括单片机、A/D转换器、DDS差分放大电路、数字频率合成器和压控电流源，单片机通过接口电路连接外部的运动控制器(10)，单片机的输出端依次连接DDS数字频率合成器、压控电流源，可伸缩电极(8)和固定电极(9)，可伸缩电极(8)和固定电极(9)的输出端依次连接差分放大电路、A/D转换器和单片机。
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