CN115176648A - 一种可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器；其包括采摘执行机构、扭矩传感器、角度传感器和压力传感器等结构。本发明通过对生长姿态各异蘑菇及采摘力难度不同蘑菇进行采摘策略研究，设计了旋转功能和推动功能结合的结构，可适应不同生长倾斜角度的蘑菇采摘；并提供了旋转采摘方式、推动采摘等多种采摘方式，可实现对蘑菇的分类采摘；进一步地，提出一种采摘状态智能判别方法可实现对旋转及推动采摘状态的监测和判别。本发明可有效的提升蘑菇采摘末端执行器的智能化水平并提高无损采摘成功率。本发明同样适用于褐菇、草菇等具有类似培育方式的食用菌的采摘。
Description
技术领域
本发明涉及一种采摘状态可判别的智能蘑菇采摘末端执行器，特别是涉及工厂化生产中的双孢蘑菇与褐菇的采摘装置，属于果蔬采摘技术领域。
背景技术
目前，双孢蘑菇的主流生产方式是工厂化生产，在工厂化生产中，双孢蘑菇的培育过程除了采收，其它过程例如上料、覆土、分级、包装等都基本实现了机械化、自动化。然而，一方面，由于双孢蘑菇生长异构性大，例如菌种不同会使得双孢蘑菇的生长高度参差不齐、生长姿态不一，特别是一些蘑菇生长后会倾斜一定的角度，此类的蘑菇自动化采摘存在一定难度。并且由于蘑菇本身质地脆嫩易损，在采摘过程中容易由于采摘参数设置或者采摘方式的不合理造成大量的机械采摘损伤，需要提供多种采摘方式来适应不同生长状态的双孢蘑菇以及对采摘过程中的采摘参数进行检测并智能判别采摘的状态。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本发明提供一种可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器本发明针对蘑菇自动化采摘的两种采摘方式：旋转采摘和推动采摘，其中：旋转采摘是指吸盘吸住蘑菇后旋转，使得蘑菇的菌柄与培养土分离，推动采摘是指吸盘吸住蘑菇后推动，通过菌柄和培养土之间夹角、水平位移的变化使得蘑菇的菌柄与培养土分离，利用智能蘑菇采摘末端执行器对在这两种采摘方式下的采摘状态进行识别，进而可以基于采摘状态判断结果指导采摘过程，以满足异构蘑菇的多样化无损采摘需求，有效提高无损采摘成功率和采摘质量。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器，其包括采摘执行机构、扭矩传感器、角度传感器和压力传感器组；其中：
采摘执行机构包含吸盘金具、柔性吸盘、摆杆、推动电机、推动丝杆滑台、旋转电机、小齿轮和大齿轮；
柔性吸盘通过抽负压吸住蘑菇，其安装在吸盘金具的末端；吸盘金具的上部套设滑套，滑套和推动丝杆滑台上的滑块相连；摆杆水平设置扭矩传感器套在吸盘金具上后，嵌套在摆杆的孔内，摆杆的两端和安装在大齿轮固定块上的大齿轮固定连接，大齿轮和小齿轮啮合，小齿轮安装在旋转电机的电机输出轴上；工作时，旋转电机驱动小齿轮转动带动大齿轮固定块、大齿轮和摆杆一起旋转运动，以此实现对目标蘑菇的单向旋转或者正反转旋转采摘动作；推动电机驱动推动丝杆滑台上的滑块做水平方向的前后运动，带动滑套移动，进而带动吸盘金具上的柔性吸盘摆动，以此实现对目标蘑菇的推动或往复推动采摘动作；
扭矩传感器为环形，其套在吸盘金具上，同时嵌套在摆杆的孔内，扭矩传感器用于在旋转采摘时对蘑菇受到的旋转扭矩的大小进行检测；角度传感器安装在摆杆的侧壁，用于测量推动或往复推动采摘时柔性吸盘的推动角度大小；压力传感器组安装在柔性吸盘上，用于测量目标蘑菇表面与吸盘的接触力。
本发明中，压力传感器组包括3个薄膜压力传感器，其均匀间隔分布在柔性吸盘上，基于卡尔曼滤波融合算法融合3个压力传感器的信号获得接触压力，以克服布置单个压力传感器容易造成压力收集不充分导致局部由于压力过大造成蘑菇的损伤。
本发明还提供一种基于可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器的蘑菇采摘状态判别方法，其根据不同采摘方式在采摘过程中相应采摘参数是否出现相应的变化趋势，是否出现突变转折点，以此判别采摘状态；采摘方式包括单向旋转或正反转旋转采摘方式、推动或往复推动采摘方式；采摘参数包括接触压力、旋转扭矩和推动角度。
本发明中，单向旋转或正反转旋转采摘方式时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中作用在蘑菇上的接触压力与旋转扭矩，当接触压力迅速达到能够固定蘑菇菇帽的设定阈值，旋转扭矩处于上升过程时，表示处于旋转采摘进行阶段；采摘进行阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤；旋转扭矩到最大值后突然变小、采摘压力产生瞬间突变时，表示菌柄与培养基完成了脱离，旋转采摘完成。
本发明中，推动采摘或往复推动采摘时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中的作用在蘑菇上的接触压力与推动角度，当采摘压力迅速达到能够固定蘑菇菇帽的设定阈值并基本保持在该值附近、推动角度在增大时，表示处于采摘推出阶段；在采摘推出阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤；在推动角度在增大、接触压力产生瞬间突变区时，表示菌柄与培养基完成了脱离，采摘推出阶段完成；当推动角度由最大值减小时，表示处于采摘返回阶段；当推动角度减小到0度时，往复推动采摘结束，完成采摘。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1）本发明的推动电机与旋转电机双电机控制的方式，能够使采摘器的末端柔性吸盘始终适应倾斜蘑菇的中心，进而实现对倾斜蘑菇的有效采摘。
2）本发明的双电机形式，不仅能够适应不同倾斜角度的蘑菇，而且能够实现旋转采摘以及往复推动采摘等多种采摘方式，尤其是对蘑菇进行往复推动采摘的形式。可有效的提高对蘑菇采摘的成功率。
3） 本发明的蘑菇采摘状态判别方法，通过安装的扭矩传感器、角度传感器与压力传感器组及分析判别方法，能够实时判别蘑菇的采摘状态，可大大提高末端执行器的智能化水平，有助于较好的控制采摘过程，并有效的降低对蘑菇的损伤率，提高蘑菇采摘质量。
附图说明
图1为本发明的一种可判别采摘状态的蘑菇采摘末端执行器的总体示意图。
图2为本发明末端执行机构的详细结构示意图一。
图3为本发明末端执行机构的详细结构示意图二。
图4为本发明末端执行机构的详细结构示意图三。
图5为本发明的采摘状态检测传感器的设计安装位置示意图。
图6为本发明的压力传感器组分布安装示意图。
图7为本发明的末端执行器旋转采摘状态判别曲线示意图。
图8为本发明的末端执行器往复推动采摘状态判别曲线示意图。
图中标记： 1、采摘执行机构；2、扭矩传感器；3、角度传感器；4、压力传感器；5、末端执行器连接部件；6、气管接头；7、推动丝杆滑台；8、滑套；9、吸盘金具；10、大齿轮固定块；11、轴承；12、摆杆；13、旋转电机；14、推动电机；15、小齿轮；16、采摘执行机构固定座；17、大齿轮；18、柔性吸盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种蘑菇采摘末端执行器，其结构如图1-图4所示；其包括采摘执行机构1、扭矩传感器2、角度传感器3、压力传感器4和测控系统等结构；该结构可以用于对蘑菇采摘状态进行智能判别；
具体的，采摘执行机构1包含推动丝杆滑台7、摆杆12、推动电机14、旋转电机13、小齿轮15、大齿轮17和柔性吸盘18。采摘执行机构1通过末端执行器连接部件5和驱动末端执行器移动的机械臂相连接；末端执行器连接部件5是两根连接杆。
吸盘金具9的顶端设置气管接头6，气管接头6 用于连接气管，气管的另一头和真空泵相连；吸盘金具9的末端设置柔性吸盘18，这样，当柔性吸盘18接触到蘑菇后，真空泵抽负压，使得柔性吸盘牢牢吸住蘑菇。
吸盘金具的上部套设滑套8，滑套8和推动丝杆滑台7上的滑块相连；摆杆12水平设置，扭矩传感器套在吸盘金具9上后，嵌套在摆杆12的孔内，摆杆12的两端和安装在大齿轮固定块10上的大齿轮17固定连接，大齿轮17和小齿轮15啮合，小齿轮15安装在旋转电机13的电机输出轴上；
工作时，旋转电机13驱动小齿轮15转动带动大齿轮固定块10、大齿轮17和摆杆12一起旋转运动，以此可以实现对目标蘑菇的单向旋转或者正反转旋转采摘动作；推动电机14驱动推动丝杆滑台7上的滑块做水平方向的前后运动，带动滑套8运动，进而带动吸盘金具9上的柔性吸盘18摆动，以此可以实现对目标蘑菇的推动或往复推动采摘动作。
以上，基于本发明的蘑菇采摘末端执行器，蘑菇采摘的多种采摘方式依靠旋转电机13、推动电机14实现。通过旋转电机13可带动柔性吸盘18旋转，实现单向旋转或正反转旋转采摘方式；通过推动电机14可以带动推动机构实现单向推动或往复推动采摘方式；或者通过旋转电机13及推动电机14同时旋转，实现推动与旋转组合采摘，以适应不同潮菇、二次发酵料或三次发酵料培养出来的蘑菇采摘力不同的情况；并且可以通过旋转电机13与推动电机14配合运动能够实现末端执行器的柔性吸盘18的任意角度倾斜，以此适应不同生长倾斜角度的蘑菇采摘。
进一步的， 本发明还可以通过本发明的蘑菇采摘末端执行器对蘑菇采摘状态进行智能判别，该方法包括：末端执行器通过扭矩传感器2、角度传感器3以及压力传感器组4对采摘参数进行监测（图5-6）。扭矩传感器2安装在吸盘金具9上，同时嵌套在摆杆12内，可用于检测旋转采摘时受到的旋转扭矩的大小，旋转电机13未转动时，扭矩为0；角度传感器3安装在摆杆12的侧面，用以测量推动或往复推动采摘时柔性吸盘18相应的推动角度大小，吸盘金具呈竖直向下方向设置时，推动角度为0。压力传感器组4安装在柔性吸盘18上用以测量目标蘑菇表面与吸盘的接触力。
压力传感器组4包括3个薄膜压力传感器，布局如图4所示。为了提高采摘过程采摘压力获取的准确性，在吸盘底部均匀布置三个压力传感器，基于卡尔曼滤波融合算法融合3个压力传感器的信号获得接触压力，以克服布置单个压力传感器容易造成压力收集不充分导致局部由于压力过大造成双孢蘑菇的损伤。
更具体的，在采摘过程对采摘状态的判别方法为：针对不同的采摘方式，检测采摘过程中不同的采摘参数及其变化趋势，进行采摘状态的判别；
其中，采用单向旋转或正反转旋转采摘方式时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中作用在蘑菇上的接触压力与旋转扭矩。如图7所示。当接触压力迅速达到能够固定双孢蘑菇菇帽的设定阈值，旋转扭矩处于上升过程时，表示处于旋转采摘进行阶段，可继续转动旋转电机13；采摘进行阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤，此时应停止旋转采摘以避免蘑菇表面被损伤。旋转扭矩到最大值后突然变小、采摘压力产生瞬间突变时，表示菌柄与培养基完成了脱离，此时可停止旋转电机13运转，表示采摘完成。
其中，采用推动采摘或往复推动采摘时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中的作用在蘑菇上的接触压力与推动角度，如图8所示。当采摘压力迅速达到能够固定双孢蘑菇菇帽的设定阈值并基本保持在该值附近、推动角度在增大时，表示处于采摘推出阶段，可继续旋转推动电机14； 在采摘推出阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤，此时应停止推动以避免蘑菇表面被损伤。在推动角度在增大、采摘压力产生瞬间突变区时，表示菌柄与培养基完成了脱离，此时可停止推动电机14旋转，表示采摘推出阶段完成，此时，应反向旋转推动电机14。当采摘角度由最大值减小时，表示处于采摘返回阶段；当减小到0度时，往复推动采摘结束，完成采摘。
因此，在对目标蘑菇的采摘过程中，可以根据不同采摘动作在采摘过程中相应采摘参数是否出现相应的变化，是否出现突变转折点，以此判别采摘状态。
以上，一种采摘状态可判别的蘑菇采摘末端执行器，是由扭矩传感器2、旋转电机13与推动电机14以及其他机构组成的能适应任何倾斜双孢蘑菇采摘的并且能够对多种采摘动作进行采摘状态判别的采摘机构。是一种不仅能够适应倾斜蘑菇的采摘机构，而且能够实现推动、旋转等采摘方式。
本发明中，推动电机14和旋转电机13不仅能够驱动吸盘在任一方向倾斜一定角度以适应倾斜蘑菇的采摘，而且能够实现旋转采摘方式与往复推动采摘方式等多种采摘方式。
本发明中，通过扭矩传感器2、角度传感器3与压力传感器4能够实时检测蘑菇时的相关参数，并分析判断采摘状态，可大大提高采摘末端执行器的智能化程度，减少采摘时对蘑菇造成的机械损伤，提高采摘质量。
本发明的一种蘑菇采摘状态可判别的末端执行器在用于蘑菇采摘的使用方法如下：
第一步各机构复位：首先各个机构的位置传感器对各自机构的复位情况进行检测与判断，若有未复位，则驱动相应电机对机构进行复位；
第二步运动至采摘位置：当控制器获取目标双孢蘑菇的姿态信号后，采摘执行机构1中的旋转电机13与推动电机14配合运动将末端柔性吸盘18倾斜角度调整到与目标蘑菇菌盖表面垂直的角度，并接触到蘑菇表面。
第三步抽负压吸附蘑菇：抽负压使接触压力达到设定阈值后，可开始执行系统判断指定的采摘动作（旋转采摘或者往复推动采摘）。
第四步：执行采摘动作，采摘过程状态判别。例如，若所摘蘑菇为二次发酵料培育并处于采摘的第二潮时，可采用旋转采摘方式，检测采摘过程中作用在蘑菇上的接触压力与旋转扭矩，如图7所示。当接触压力在设定阈值附近并小于许用最大压力、且旋转扭矩处于上升过程时，表示处于旋转采摘进行阶段，继续旋转电机13，直到旋转扭矩到最大值后突然变小、采摘压力产生瞬间突变时，表示菌柄与培养土完成了脱离，此时停止旋转电机13转动，采摘完成。然后，由采摘臂将蘑菇往上提拉并移动到集料区落料进行收集。另外，在采摘过程中，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤，此时停止旋转电机13以避免蘑菇表面被损伤。然后，采用推动采摘方式进行二次采摘。
采用推动采摘时，检测蘑菇上的接触压力与推动角度，如图8所示。当采摘压力在设定阈值附近并小于许用最大压力、且推动角度在增大时，表示处于采摘推出阶段，继续转动推动电机14，直到采摘压力通过瞬间突变区时，表示菌柄与培养土完成了脱离，停止推动电机14转动，此时，应反向旋转推动电机14。当采摘角度由最大值减小时，表示处于采摘返回阶段；当减小到0度时，往复推动采摘结束，完成采摘。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器，其特征在于，其包括采摘执行机构（1）、扭矩传感器（2）、角度传感器（3）和压力传感器组（4）；其中：
采摘执行机构（1）包含吸盘金具（9）、柔性吸盘（18）、摆杆（12）、推动电机（14）、推动丝杆滑台（7）、旋转电机（13）、小齿轮（15）和大齿轮（17）；
柔性吸盘（18）通过抽负压吸住蘑菇，其安装在吸盘金具（9）的末端；吸盘金具（9）的上部套设滑套（8），滑套（8）和推动丝杆滑台（7）上的滑块相连；摆杆（12）水平设置，扭矩传感器（2）套在吸盘金具（9）上后嵌套在摆杆（12）的孔内，摆杆（12）的两端和安装在大齿轮固定块（10）上的大齿轮（17）固定连接，大齿轮（17）和小齿轮（15）啮合，小齿轮（15）安装在旋转电机（13）的电机输出轴上；工作时，旋转电机（13）驱动小齿轮（15）转动带动大齿轮固定块（10）、大齿轮（17）和摆杆（12）一起旋转运动，以此实现对目标蘑菇的单向旋转或者正反转旋转采摘动作；推动电机（14）驱动推动丝杆滑台（7）上的滑块做水平方向的前后运动，带动滑套（8）移动，进而带动吸盘金具（9）上的柔性吸盘（18）摆动，以此实现对目标蘑菇的推动或往复推动采摘动作；
扭矩传感器（2）为环形，其套在吸盘金具（9）上，同时嵌套在摆杆（12）的孔内，扭矩传感器（2）用于在旋转采摘时对蘑菇受到的旋转扭矩的大小进行检测；角度传感器（3）安装在摆杆（12）的侧壁，用于测量推动或往复推动采摘时柔性吸盘（18）的推动角度大小；压力传感器组（4）安装在柔性吸盘（18）上，用于测量目标蘑菇表面与吸盘的接触力。
2.根据权利要求1所述的蘑菇采摘末端执行器，其特征在于，压力传感器组（4）包括3个薄膜压力传感器，其均匀间隔分布在柔性吸盘（18）上，基于卡尔曼滤波融合算法融合3个压力传感器的信号获得接触压力，以克服布置单个压力传感器容易造成压力收集不充分导致局部由于压力过大造成蘑菇的损伤。
3.一种基于权利要求1所述的可判别采摘状态的智能蘑菇采摘末端执行器的蘑菇采摘状态判别方法，其特征在于：根据不同采摘方式在采摘过程中相应采摘参数是否出现相应的变化趋势，是否出现突变转折点，以此判别采摘状态；采摘方式包括单向旋转或正反转旋转采摘方式、推动或往复推动采摘方式；采摘参数包括接触压力、旋转扭矩和推动角度。
4.根据权利要求3所述的蘑菇采摘状态判别方法，其特征在于：单向旋转或正反转旋转采摘方式时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中作用在蘑菇上的接触压力与旋转扭矩，当接触压力迅速达到能够固定蘑菇菇帽的设定阈值，旋转扭矩处于上升过程时，表示处于旋转采摘进行阶段；采摘进行阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤；旋转扭矩到最大值后突然变小、采摘压力产生瞬间突变时，表示菌柄与培养基完成了脱离，旋转采摘完成。
5.根据权利要求3所述的蘑菇采摘状态判别方法，其特征在于，推动采摘或往复推动采摘时的采摘状态判别方法为：检测采摘过程中的作用在蘑菇上的接触压力与推动角度，当采摘压力迅速达到能够固定蘑菇菇帽的设定阈值并基本保持在该值附近、推动角度在增大时，表示处于采摘推出阶段； 在采摘推出阶段，若接触压力达到允许压力，则表示蘑菇表面要被损伤；在推动角度在增大、接触压力产生瞬间突变区时，表示菌柄与培养基完成了脱离，采摘推出阶段完成；当推动角度由最大值减小时，表示处于采摘返回阶段；当推动角度减小到0度时，往复推动采摘结束，完成采摘。
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