振动调整果蔬姿态的装置、方法及去皮加工系统

1.本发明涉及农业机械领域，特别是涉及一种振动调整果蔬姿态的装置、方法及去皮加工系统。


背景技术：

2.在中药中，广陈皮具有很高的药性和保健效果，具有理气健脾、燥湿化痰的功效。近几年广陈皮产业规模快速增长，对广陈皮加工装备自动化提出了更高的要求。广陈皮的主要生产原料是茶枝柑。在茶枝柑开皮生产时，一般先将茶枝柑果脐正朝上或正朝下，然后用二刀法或三刀法开皮，使茶枝柑开皮后果蒂完整，并保留果柄。
3.现有技术存在一种机器视觉茶枝柑姿态识别和自动调整的装置，可以通过四个定位驱动轮对茶枝柑的姿态进行调整。但是，由于茶枝柑的形状并非完全的球体，工作期间，定位驱动轮工作面与茶枝柑之间可能存在间隙而无法形成摩擦力，甚至出现卡果现象，影响茶枝柑姿态调整的速度与精度。
4.此外，现有应用于茶枝柑初加工的机械装置中，主要采用人工的方式完成茶枝柑果脐定位及姿态调整，直接影响初加工的效率与质量。可见，茶枝柑开皮的果脐定位及姿态调整是限制广陈皮初加工全自动化的瓶颈问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提高果蔬姿态调整的速度与精度，提出一种振动调整果蔬姿态的装置、方法及去皮加工系统。本发明利用振动驱动，有效快捷地对果蔬的姿态进行调整，提高果蔬姿态调整的速度与精度，提高果蔬初加工的生产效率与加工质量，降低劳动成本。
6.本发明装置所采取的技术方案如下：一种振动调整果蔬姿态的装置，包括控制模块和至少一个振动驱动单元，所述振动驱动单元与控制模块连接；振动驱动单元用于支撑果蔬，并受控于控制模块，以驱动果蔬进行姿态调整。
7.优选地，所述装置还包括底座；振动驱动单元有多个，多个振动驱动单元等角距中心对称地安装在底座上方。
8.优选地，振动驱动单元包括弹性顶件、振动电机和弹性底座；振动电机分别与弹性顶件和振动驱动单元连接，振动电机安装与弹性底座上。
9.优选地，振动驱动单元还包括振动电机盖子、振动电机盖板和振动电机套筒；振动电机盖板同轴连接振动电机，通过固定件将振动电机盖子、振动电机盖板、振动电机套筒自上而下同轴连接，安装于弹性底座上。
10.优选地，弹性顶件往所述装置的中心方向斜45
°
角安装在振动电机盖子上，用于支撑果蔬，并振动推动果蔬。
11.优选地，弹性顶件为弹簧圆头顶针，所述果蔬为球状果蔬。
12.优选地，所述装置还包括与控制模块连接的减振器、位移传感器；减振器有多个，
多个减振器等角距中心对称地安装在底座上方；位移传感器用于测量果蔬放置前后底座沿垂直方向上的位移。
13.优选地，振动驱动单元包括第一振动驱动单元、第二振动驱动单元及第三振动驱动单元；果蔬放置于弹性顶件上，位移传感器测得底座沿垂直方向上的位移，再根据减振器的弹性系数计算得出果蔬的质量；根据果蔬的质量、弹性顶件与果蔬表皮的摩擦系数，计算得出每个弹性顶件作用于果蔬的摩擦力大小及方向；
14.根据摩擦力大小及方向，结合运动学方程，建立果蔬姿态调整模型，振动驱动单元将摩擦力作用于果蔬表面，果蔬受到三个线性无关的力矩，做三自由度的旋转运动；
15.根据果蔬姿态调整模型，控制振动电机的转速及其方向，控制果蔬受到的力矩大小及方向，从而对果蔬的姿态进行调整。
16.本发明系统所采取的技术方案为：一种去皮加工系统，包括运送装置、视觉定位装置、开皮工位、支架和本发明提供的上述振动调整果蔬姿态的装置；
17.运送装置包括传送带、上料机械手和下料机械手，传送带位于支架的一侧，支架设置于上料机械手和下料机械手之间；视觉定位装置和振动调整果蔬姿态的装置安装在支架上；
18.所述去皮加工系统在果蔬开皮上料前，通过反复姿态识别与自动调整，使得果蔬的果脐投影位于视觉定位的二维坐标系原点，最后运送装置将已调整好姿态的果蔬运送至开皮工位。
19.本发明方法所采取的技术方案为：一种振动调整果蔬姿态的方法，所述方法基于上述振动调整果蔬姿态的装置，并包括以下步骤：
20.s1、根据位移传感器测得的果蔬放置前后底座沿垂直方向上的位移、减振器的弹性系数、弹性顶件与果蔬表皮的摩擦系数，计算得出果蔬的质量及弹性顶件作用于果蔬的静摩擦力大小；
21.s2、振动驱动单元通过振动，周期性地将摩擦力作用于果蔬，推动果蔬进行转动，根据摩擦力的大小及方向，结合运动学方程，建立果蔬姿态调整模型；
22.s3、根据果蔬姿态调整模型，通过控制模块控制振动驱动单元的振动速度及方向，对果蔬姿态进行调整；
23.s4、与视觉定位装置连接，通过反复姿态识别与自动调整，使得果蔬的果脐投影位于视觉定位的二维坐标系原点。
24.本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
25.1、本发明振动调整果蔬(例如茶枝柑)姿态的装置，通过振动实现摩擦驱动，对果蔬进行三转动自由度的姿态调整使得果脐朝上，可有效快速地对果蔬的姿态进行调整，还能有效保护果蔬的外表皮不被损坏，使加工出来的果皮果蒂完整性更好，同时降低开皮刀具的损耗，提高果蔬初加工生产效率，降低劳动成本。
26.2、与现有的调整装置相比，本发明装置的连接传动部件少，集成度高，无外露转轴结构易于实现防水设计，振动姿态调整无卡果现象，提高了果蔬姿态调整的速度与精度，保证了果皮果蒂完整性，最终提高了果蔬初加工的生产效率。
27.3、本发明装置对球状果蔬进行姿态调整，采用弹簧圆头顶针，相较于现有技术采用定位驱动轮，与果蔬表皮的接触面积更小，更加适应果蔬(例如茶枝柑)复杂的形状和表
皮粗糙度变化，摩擦力表现更加稳定。
附图说明
28.图1为本发明实施例中振动调整茶枝柑姿态的装置的立体结构示意图。
29.图2为本发明实施例中振动驱动单元的爆炸视图。
30.图3为本发明实施例中控制模块的立体示意图。
31.图4为本发明实施例中装置的部分组件的俯视图。
32.图5为本发明实施例中圆头振动驱动茶枝柑运动的示意图，(a)为驱动过程中圆头与茶枝柑分离的示意图，(b)为驱动过程中圆头与茶枝柑接触的示意图。
33.图6为本发明实施例中去皮加工系统的结构示意图。
34.其中，1底板；2减振器；3底座；4激光位移传感器；5振动驱动单元；501弹簧圆头顶针；502振动电机盖子；503振动电机盖板；504振动电机；505振动电机套筒；506弹性底座；5-1第一振动驱动单元；5-2第二振动驱动单元；5-3第三振动驱动单元；6挡板框架；7控制模块；701电源稳压模块；702单片机模块；703电机驱动模块；8支架；9水平传送带；10上料机械手；11相机支架；12相机；13光源；14控制柜；15下料机械手；16开皮工位。
具体实施方式
35.为便于更好地理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。此外，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
36.实施例
37.茶枝柑为整体上呈球状的果蔬，以茶枝柑为例对本发明的技术方案作进一步详细的描述。
38.请参阅图1和图6，本实施例的振动调整茶枝柑姿态的装置应用于茶枝柑去皮加工系统。去皮加工系统包括运送装置、视觉定位装置、振动调整茶枝柑姿态的装置、开皮工位和支架8；该系统在茶枝柑开皮上料前，通过反复姿态识别与自动调整，使得茶枝柑的果脐投影位于视觉定位的二维坐标系原点，最后运送装置将已调整好姿态的茶枝柑运送至开皮工位。视觉定位装置和整个振动调整茶枝柑姿态的装置安装在支架8上方。
39.如图1所示，本实施例的振动调整茶枝柑姿态的装置包括底板1、减振器2、底座3、激光位移传感器4、振动驱动单元5、挡板框架6、控制模块7。振动调整茶枝柑姿态的装置以底座3为安装参照，六个减振器2等角距中心对称地安装在底座3下方，每个减振器2与底座3中心水平距离为65mm，并与控制模块连接；三个振动驱动单元5等角距中心对称地安装在底座3边缘上方，每个振动驱动单元5与底座3中心水平距离为57.5mm，用于支撑茶枝柑，并驱动茶枝柑进行姿态调整；三个挡板框架6安装在振动驱动单元5外，用于限制振动驱动单元5底部的振动；控制模块7独立安装在一旁，位于控制柜14内，用于控制整个装置的工作。本实施例中选用的减振器2载荷为0.4kg，静位移为4.5mm，用于减轻底座3传递给底板1的振动，增强弹簧圆头顶针501的振动。
40.如图2所示，振动驱动单元5主要包括弹簧圆头顶针501、振动电机盖子502、振动电机盖板503、振动电机504、振动电机套筒505、弹性底座506。弹性底座506可选择热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料tpu制作，用于减轻振动驱动单元5传递给底座3的振动，并增强弹簧圆头顶针501的振动。振动电机盖板503同轴连接振动电机504，通过固定件(如四组螺钉螺母)将振动电机盖子502、振动电机盖板503、振动电机套筒505自上而下同轴连接，安装于弹性底座506上；其中，选用的振动电机504为370振动电机，额定电压12v，转速可达6000rpm。弹簧圆头顶针501往装置中心方向斜45
°
角安装在振动电机盖子502上，其材质为黄铜，长度45mm，圆头直径10mm，用于支撑茶枝柑，并振动推动茶枝柑。
41.如图3所示，控制模块7包括电源稳压模块701、单片机模块702、电机驱动模块703。电源稳压模块701用于稳定整个控制模块7的电压；若干导线分别将单片机模块702与电机驱动模块703、电机驱动模块703与振动电机504连接，单片机模块702向电机驱动模块703发送控制信号，从而实现对振动电机504的控制。本实施例选用的单片机模块702为uno r3模块，其具有十三个数字io口，五个模拟io口；选用的两个电机驱动模块703型号为tb6612fng，其具有大电流mosfet-h桥结构，双通道电路输出，可同时驱动两个电机，每通道输出最高1a的连续驱动电流，pwm支持频率高达100khz，可接最高15v电源。
42.激光位移传感器4与控制模块连接，并安装在底座3中心上方，选用的型号为松下hg-c1400，量程400mm，精度0.8mm，电压-5～5v，其发出的激光照射在底板上形成光斑，激光发射点与光斑位于同一铅垂线上，用于测量底座3的垂直高度，通过装置上放置茶枝杆前后两种情况下，底座垂直高度的变化获得底座沿垂直方向上的位移。
43.运送装置包括水平传送带9、上料机械手10、下料机械手15；水平传送带9位于支架8的一侧，用于输送茶枝柑；上料机械手10、下料机械手15分别安装在支架8的两侧，上料机械手10用于将水平传送带9上待调整姿态的茶枝柑夹取到三个弹簧圆头顶针501上，下料机械手15用于把位于三个弹簧圆头顶针501上的已调整好姿态的茶枝柑夹取置于开皮工位16上。
44.视觉定位装置包括相机12、光源13及控制柜14；相机12固定安装在相机支架11上，且位于三个弹簧圆头顶针501的正上方，用于获取茶枝柑果脐的位置；光源13安装在相机支架11上，用于减少由于自然光造成的反光和阴影而影响茶枝柑果脐位置的获取；控制柜14安装在相机支架11旁，用于安装和保护控制模块7及相机12的处理器。
45.操作时，启动设备，茶枝柑落入水平传送带9的卡座上，当茶枝柑即将到达水平传送带9末端后，水平传送带9缓慢减速至停止，上料机械手10夹取茶枝柑放置在三个弹簧圆头顶针501上，激光位移传感器4测得底座3沿垂直方向上的位移，再根据减振器2的弹性系数计算得出茶枝柑的质量。根据茶枝柑的质量、弹簧圆头顶针501的圆头与茶枝柑表皮的摩擦系数，进一步计算得出每个弹簧圆头顶针501作用于茶枝柑的摩擦力大小及方向。
46.当茶枝柑位于个弹簧圆头顶针501上时，触发相机11并抓取一帧静态图像，完成茶枝柑表面图像采集，光源13提供光源，减少由于自然光造成的反光和阴影而影响茶枝柑果脐位置的获取。以三个弹簧圆头顶针501的正中心为原点建立视觉定位二维坐标系，静态图像通过灰度、二值化、中值滤波等处理后提取茶枝柑的静态图像特征，然后经过处理器处理得出茶枝柑果脐的二维坐标信息，并将二维坐标信息传递给控制模块7。
47.如图4所示，茶枝柑的姿态调整依靠三个振动驱动单元：第一振动驱动单元5-1、第
二振动驱动单元5-2、第三振动驱动单元5-3。根据摩擦力大小及方向，结合运动学方程，建立茶枝柑姿态调整模型：三个振动驱动单元将摩擦力作用于茶枝柑表面，茶枝柑受到三个线性无关的力矩，可做三自由度的旋转运动。比如，当单片机模块702控制三个振动电机504以相同速度及方向正向转动或逆向转动时，茶枝柑可近似看作只受到铅垂线方向(即重垂线方向)上的力矩，作水平圆周转动；当单片机模块702控制两个振动电机504以相同速度但相反方向转动，第三个振动电机504停止转动时，茶枝柑可近似看作只受到某一水平方向上的力矩，作翻滚运动。根据茶枝柑姿态调整模型，控制三个振动电机的转速及其方向，可控制茶枝柑受到的力矩大小及方向，从而对茶枝柑的姿态进行调整。
48.控制模块7接收到相机12的处理器的信息后，单片机模块702对信息进行计算处理，结合茶枝柑姿态调整模型，向电机驱动模块703发送高低电平和pwm信号，电机驱动模块703接收高低电平信号控制振动电机504的转向，接收pwm信号控制振动电机504的转速。振动电机504将振动传递至弹簧圆头顶针501处，推动茶枝柑进行姿态调整，如图5所示，在振动电机的驱动下，弹簧圆头顶针的圆头与茶枝柑周期性的分离与接触，其中(a)图示意了驱动过程中圆头与茶枝柑分离的情况，(b)图示意了驱动过程中圆头与茶枝柑接触的情况。
49.第一次调整后，相机12继续触发并抓取一帧静态图像，由处理器将处理得出的茶枝柑果脐的二维坐标信息发送给控制模块7，控制模块7验证茶枝柑果脐是否位于视觉定位二维坐标系原点位置，若茶枝柑果脐不在视觉定位二维坐标系原点位置，控制模块7继续控制振动电机504工作，使位于弹簧圆头顶针501上的茶枝柑的果脐改变位置，从而形成一种视觉反馈，重复以上过程，最终促使茶枝柑果脐位于视觉定位二维坐标系原点位置。茶枝柑果脐朝上即姿态调整完毕，下料机器手15工作，将姿态调整好的茶枝柑夹取放置在开皮工位16上。
50.基于上述装置，本实施例还提供振动调整茶枝柑姿态的方法，包括下述步骤：
51.s1、摩擦力辨识：通过激光位移传感器4可得底座的垂直高度，由于减振器2受底座3压力发生垂直方向上的形变，装置上有无茶枝柑两种情况下，底座3对减振器2的压力不同，减振器2的形变不同，底座的垂直高度不同，激光传感器4可测得底座垂直方向上的位移，从而可根据减振器2的弹性系数计算得出茶枝柑的质量。根据茶枝柑的质量、弹簧圆头顶针501的圆头与茶枝柑表皮的摩擦系数，可进一步计算得出每个弹簧圆头顶针501作用于茶枝柑的静摩擦力大小。
52.s2、茶枝柑姿态调整模型的建立：当振动电机504工作时，振动首先由振动电机504传递至振动电机盖板503与振动电机套筒505，再传递至振动电机盖子502，最后传递至弹簧圆头顶针501。弹簧圆头顶针501的机械振动，实则为弹簧圆头顶针501按椭圆形轨迹进行周期性运动，弹簧圆头顶针501的表面与茶枝柑表面进行周期性的接触与分离(如图4)，每次接触时，弹簧圆头顶针501可将摩擦力作用于茶枝柑，又由于弹簧圆头顶针501的轨迹一定且运动呈现周期性，每次作用于茶枝柑的摩擦力方向大致相同，因此振动的弹簧圆头顶针501可借助摩擦力推动茶枝柑进行运动。根据摩擦力的大小及方向，结合运动学方程，建立茶枝柑的姿态调整模型：三个振动驱动单元5将摩擦力作用于茶枝柑表面，茶枝柑受到三个线性无关的力矩，作三自由度的旋转运动。比如，当三个振动驱动单元5以相同方向及速度振动时，茶枝柑可近似看作只受到铅垂线方向上的力矩，作水平圆周转动；当两个振动驱动单元5以相同方向但相反速度振动时，第三个振动驱动单元5停止振动时，茶枝柑可近似看
作只受到某一水平方向上的力矩，作翻滚运动。
53.s3、姿态调整的控制：根据s2建立的茶枝柑姿态调整模型，通过控制模块控制三个振动电机的转速及其方向，可控制茶枝柑受到的力矩的大小及方向，从而可有效快速地对茶枝柑的姿态进行调整。单片机模块702向电机驱动模块703发送高低电平和pwm信号，电机驱动模块703接收高低电平信号控制振动电机504的转向，接收pwm信号控制振动电机504的转速。振动电机504将振动传递至弹簧圆头顶针501处，推动茶枝柑进行运动。
54.s4、生产线的连接：与运送装置、视觉定位装置连接，可组成一种机器视觉茶枝柑姿态识别和自动调整装置，该装置在茶枝柑开皮上料前，通过姿态识别与自动调整，使得茶枝柑的果脐投影位于几何中心，即位于视觉定位的二维坐标系原点。
55.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，包括控制模块和至少一个振动驱动单元，所述振动驱动单元与控制模块连接；振动驱动单元用于支撑果蔬，并受控于控制模块，以驱动果蔬进行姿态调整。2.根据权利要求1所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，所述装置还包括底座；振动驱动单元有多个，多个振动驱动单元等角距中心对称地安装在底座上方。3.根据权利要求1或2所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，振动驱动单元包括弹性顶件、振动电机和弹性底座；振动电机分别与弹性顶件和振动驱动单元连接，振动电机安装与弹性底座上。4.根据权利要求3所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，振动驱动单元还包括振动电机盖子、振动电机盖板和振动电机套筒；振动电机盖板同轴连接振动电机，通过固定件将振动电机盖子、振动电机盖板、振动电机套筒自上而下同轴连接，安装于弹性底座上。5.根据权利要求3所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，弹性顶件往所述装置的中心方向斜45
°
角安装在振动电机盖子上，用于支撑果蔬，并振动推动果蔬。6.根据权利要求3所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，弹性顶件为弹簧圆头顶针，所述果蔬为球状果蔬。7.根据权利要求3所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，所述装置还包括与控制模块连接的减振器、位移传感器；减振器有多个，多个减振器等角距中心对称地安装在底座上方；位移传感器用于测量果蔬放置前后底座沿垂直方向上的位移。8.根据权利要求7所述的振动调整果蔬姿态的装置，其特征在于，振动驱动单元包括第一振动驱动单元、第二振动驱动单元及第三振动驱动单元；果蔬放置于弹性顶件上，位移传感器测得底座沿垂直方向上的位移，再根据减振器的弹性系数计算得出果蔬的质量；根据果蔬的质量、弹性顶件与果蔬表皮的摩擦系数，计算得出每个弹性顶件作用于果蔬的摩擦力大小及方向；根据摩擦力大小及方向，结合运动学方程，建立果蔬姿态调整模型，振动驱动单元将摩擦力作用于果蔬表面，果蔬受到三个线性无关的力矩，做三自由度的旋转运动；根据果蔬姿态调整模型，控制振动电机的转速及其方向，控制果蔬受到的力矩大小及方向，从而对果蔬的姿态进行调整。9.一种去皮加工系统，其特征在于，包括运送装置、视觉定位装置、开皮工位、支架和权利要求1-8中任一项所述的振动调整果蔬姿态的装置；运送装置包括传送带、上料机械手和下料机械手，传送带位于支架的一侧，支架设置于上料机械手和下料机械手之间；视觉定位装置和振动调整果蔬姿态的装置安装在支架上；所述去皮加工系统在果蔬开皮上料前，通过反复姿态识别与自动调整，使得果蔬的果脐投影位于视觉定位的二维坐标系原点，最后运送装置将已调整好姿态的果蔬运送至开皮工位。10.一种振动调整果蔬姿态的方法，其特征于，所述方法基于权利要求7或8所述的振动调整果蔬姿态的装置，并包括以下步骤：s1、根据位移传感器测得的果蔬放置前后底座沿垂直方向上的位移、减振器的弹性系数、弹性顶件与果蔬表皮的摩擦系数，计算得出果蔬的质量及弹性顶件作用于果蔬的静摩擦力大小；
s2、振动驱动单元通过振动，周期性地将摩擦力作用于果蔬，推动果蔬进行转动，根据摩擦力的大小及方向，结合运动学方程，建立果蔬姿态调整模型；s3、根据果蔬姿态调整模型，通过控制模块控制振动驱动单元的振动速度及方向，对果蔬姿态进行调整；s4、与视觉定位装置连接，通过反复姿态识别与自动调整，使得果蔬的果脐投影位于视觉定位的二维坐标系原点。

技术总结
本发明涉及农业机械领域，为一种振动调整果蔬姿态的装置、方法及去皮加工系统，其装置包括控制模块和至少一个振动驱动单元，所述振动驱动单元与控制模块连接；振动驱动单元用于支撑果蔬，并受控于控制模块，以驱动果蔬进行姿态调整。本发明通过振动实现摩擦驱动，对茶枝柑等球状果蔬进行三转动自由度的姿态调整使得果脐朝上，便于果蔬后续的开皮取肉加工，提高了果蔬初加工的生产效率。提高了果蔬初加工的生产效率。提高了果蔬初加工的生产效率。


技术研发人员：莫嘉嗣 陈秋烁 陈健欢 闫国琦
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/24