雞樅菌錐形削根裝置設計

李一欣 趙明巖 周喬君 梁喜鳳 蔡為明 胡劍虹 謝崇陽 陳 濤 蔡 暉

(1. 中國計量大學，浙江 杭州 310018；2. 浙江省農業科學院園藝研究所食藥用菌育種與栽培研究室，浙江 杭州 310021)

雞樅作為一種高檔菌菇[1]，營養價值極高[2-3]，價格為普通香菇的10倍左右，且其需求量逐年增加，2018年雞樅菌年產量已超過2萬t[4]。由于雞樅菌根部富含多種微量元素，且根部呈60°類圓錐型，為最大限度減少浪費，需對雞樅菌根部進行錐形削根。根部錐形切削通常需要8～10刀，但為了加快速度，工人經常6～8刀，甚至4～5刀便完成一個雞樅菌的削根，容易造成了雞樅菌根部的浪費。目前雞樅菌削根處理均由人工完成，生產效率低、一致性差、浪費率高且人工操作具有一定的危險性，勞動力短缺及老齡化現象嚴重制約了雞樅菌行業的規模化發展。

目前，針對菌菇的研究主要集中于菌菇品質[5-6]、營養成分[7]、提取加工[8-9]、培育[10-11]等方面，而對菌菇去根技術研究較少，高漢斌等[12]設計了基于電荷耦合器件(CCD)傳感器的香菇去根系統，但無法實現精準去根；陳紅等[13]通過去除特征參數間的相關性及使用模式識別的方法建立菌菇類型模型，可區分白花菇等不同菌種。試驗擬設計雙四連桿錐形削根裝置，并對裝置切削軌跡進行運動仿真[14]，采用機器視覺技術[15]，通過攝像頭識別雞樅菌位置、姿態、抓取部位等信息，通過數據傳輸給機械臂實現抓取[16-17]，隨后切削終端完成錐形切削動作，以實現雞樅菌錐形削根。

1 整機結構與工作原理

如圖1所示，雞樅菌錐形削根裝置由機架、輸送帶、攝像頭、機械臂、機械手、切削裝置等組成。雞樅菌從振動盤出料后，到達輸送帶，機械臂通過攝像頭定位抓取雞樅菌并送至切削工位。切削裝置由兩個四連桿機構組成，分別裝有切削刀片，刀片高速旋轉，實現雞樅菌根部的錐形切削。切削完成后，根據雞樅菌粗細等形狀特征信息進行篩選分級，再通過機械臂將其放入相應的分級箱。

1. 機架 2. 振動盤 3. 輸送帶 4. 擋邊 5. 雞樅菌 6. 攝像頭

7. 機械臂 8. 機械手 9. 切削裝置 10. 分級箱

圖1 結構示意圖

Figure 1 Schematic diagram of the whole machine

2 雞樅菌錐形削根裝置設計

2.1 整機系統組成

如圖2所示，裝置系統包括機械臂、機械手爪、攝像頭、單片機、觸摸屏等。攝像頭檢測到雞樅菌到達輸送帶后，將圖像發送至PC，得出雞樅菌大小、形狀、位置、姿態，機械臂到達雞樅菌所在位置，機械手執行抓取動作[18-20]并控制雞樅菌根部進入切削區域的精確深度。

控制系統電路模塊圖如圖3所示，該系統分為控制部分與執行部分。控制部分STM32F103采用Cortex-M3內核處理器，具有單周期乘法和硬件除法，配有多個定時器，且每個定時器具有4個完全獨立的輸出通道，可進行多線程的工作；控制部分負責雞樅菌圖像處理、MG996R舵機驅動及控制算法的運作。執行部分MG996R舵機接收由CPU發出的PWM信號，控制電機轉動。

圖2 整機系統

圖3 控制系統電路模塊圖

2.2 圖像識別部分

攝像頭將捕捉到的雞樅位置、大小、形狀、姿態等信息傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息。PC根據像素分布和亮度、顏色等特征，將圖片信息轉變成數字信號進行準確處理。圖像系統對這些信號進行如圖4所示的運算來抽取目標特征，PC根據判別結果控制機械臂的動作[21]。當機械臂對當前雞樅菌進行抓取、切削等動作時，下一個雞樅菌即隨輸送帶到達指定位置并由攝像頭采集信息，進行圖像識別工作。

圖4 視覺識別流程圖

2.3 關鍵部件設計

2.3.1 機械手爪 由圖5可知，機械手爪的兩個抓取夾片由回轉型加緊結構控制。動力原件采用舵機，舵機驅動夾片夾緊雞樅菌，可根據菇柄直徑適當調整夾緊程度。由于雞樅菌菇柄剛度較普通香菇大，且機械手爪前端設有記憶海綿，在夾取過程中能適應雞樅菌柄部形狀，不會對菌體造成損傷。因此，對不同形狀、尺寸的雞樅菌，機械手爪具有一定的自動適應能力。當單片機控制舵機動作時，夾片收攏，待夾緊雞樅菌后，機械臂將其運送至切削裝置上方，完成削根作業，如圖6所示。

2.3.2 削根裝置 由圖7可知，削根裝置由兩個對稱布置的四桿機構組成，連桿上裝有切削刀片。同步輪Ⅱ帶動主動錐齒輪6轉動，驅動左側錐齒輪7與右側錐齒輪5。左側錐齒輪7帶動同步輪組12一起運動，同步輪組12與圓盤4相連，當圓盤4運動時，帶動連桿3及安裝在連桿3上的刀片一起運動。同步輪Ⅰ在電機驅動下，帶動平臺11及安裝在平臺11上的兩個支架13一起轉動，使兩個四連桿機構跟隨平臺11一起公轉。將雞樅菌根部放入切削區，兩個四桿機構隨平臺11公轉，結合自身在同步輪組驅動下形成的自轉運動，完成雞樅菌的錐形削根。

1. 滑塊 2. 夾片 3. 記憶海綿 4. 滑槽 5. 機架 6. 固定柱 7. 連桿 8. 舵機

圖5 機械手爪

Figure 5 Mechanical gripper

圖6 切削作業示意圖

1. 切削刀片 2. 搖桿 3. 連桿 4. 圓盤 5. 右側錐齒輪 6. 主動錐齒輪 7. 左側錐齒輪 8. 同步輪Ⅰ 9. 同步輪Ⅱ 10. 機架 11. 平臺 12. 同步輪組 13. 支架

圖7 切削裝置

Figure 7 Cutting device

切削裝置三維仿真圖如圖8所示，當切削裝置運轉時，切削刀片以腰形曲線進行自轉，并隨四連桿機構繞平臺轉動軸線公轉。采用450 r/min原動機，錐齒輪傳動比、同步帶輪傳動比均為1∶1，可得兩個刀片自轉速度均為7.5 r/s，即1 s內兩個刀片共對雞樅菌切削15刀。按12刀切削一個雞樅菌計算，0.8 s即可完成一次作業。

圖8 切削裝置三維仿真圖

機構仿真模型圖與機構運動示意圖如圖9所示。假設圓盤(即曲柄AB)順時針方向轉動為正，對四連桿機構進行運動學分析。l1、l2、l3、l4、l5分別為AB、BC、CD、DA、CE線段長度；θ1為AB(曲柄)與AD(機架)的夾角；θ2為BC(連桿)與AD(機架)的夾角；θ3為AD(機架)與Y坐標軸的夾角。

Ⅰ. 四桿機構Ⅰ Ⅱ. 四桿機構Ⅱ

對四桿機構Ⅰ，刀片切削點坐標為：

(1)

根據圖9中的幾何關系，可得出：

(2)

對四桿機構Ⅱ，刀片切削點坐標為：

(3)

根據式(1)～(3)可得出刀片的運動軌跡為一個環形封閉回路，在Python軟件上按照給定條件進行仿真，計算出l1、l2、l3、l4、l5之間的優化比例為1.0∶4.4∶3.1∶5.4∶1.5，θ3取6°時，得到刀片運動軌跡如圖10所示，再根據雞樅菌根部的實際大小確定四連桿機構的尺寸。

圖10 刀片切削軌跡

由圖10可知，刀片運動軌跡包括一個直線作業段a-b-c、一個弧形的非工作段c-d-a。在a-b-c直線段，刀片可以模仿人工對雞樅進行直線切削，同時，非工作段的弧線可以使切屑遠離雞樅根部，避免根部的培養基污染切削后的表面。

雞樅菌為覆土栽培，可通過圖像處理技術精確判斷殘留黑色培養基的部分為菌根，并根據單個雞樅菌根部長度計算需深入切削裝置的深度，采用定位精度為0.02 mm的機械臂精準執行雞樅菌處理路徑，實現精準切削，如圖11所示。而人工配合切削裝置雖然可以實現雞樅菌錐形削根，但無法精確控制雞樅菌進入切削區域的深度，可能出現過度切削(部分菇柄被切削)或不完全切削(菇根未完全切削)現象。

1. 雞樅菌 2. 切削軌跡

3 試驗驗證

選取山東煙臺和湖南岳陽某菌菇生產基地的新鮮雞樅菌進行人工與切削裝置的比對試驗。挑選形狀、大小接近的雞樅菌240個，隨機分為兩組進行試驗。由圖12可知，試驗裝置切削的雞樅菌根部呈圓錐形；人工經過4～8刀切削，形成4～8棱錐。機械臂完成抓取、切削、分級動作耗時708 s，平均切削速度為5.9 s/個；手工切削耗時756 s，平均切削速度為6.3 s/個。切削裝置可24 h連續工作，且一人可同時操作3～5臺設備。

圖12 裝置削根與人工削根

為計算根部切削完成后的實際體積，建立如圖13所示的模型：H1為裝置削根高度；H2為人工削根附加高度，人工切削得到4～8棱錐，機器切削得到圓錐。由表1可知，機器切削后根部實際體積明顯大于人工切削。以菇柄直徑為12 cm的雞樅菌為例，對比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗裝置削根可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費率。

圖13 削根后根部剩余體積

表1多棱錐與圓錐體積對比表

Table1Multi-pyramidandconevolumecomparisontable

多棱錐人工削根體積/mm3裝置削根體積/mm3體積差/mm3浪費率/%4棱錐664.5878.9214.424.45棱錐756.5878.9122.413.96棱錐798.5878.980.49.17棱錐821.7878.966.27.58棱錐836.0878.942.94.9

4 結論

通過對多個參數進行建模，設計了工作段為圓錐包絡的切削機構，在攝像頭及機械臂輔助下，實現對雞樅菌菇柄的錐形削根。試驗結果表明，以菇柄直徑為12 mm 的雞樅菌為例，對比人工削根形成的7棱、6棱、5棱和4棱錐，試驗裝置可分別減少7.5%，9.1%，13.9%，24.4%的根部浪費率，且速度更快、一致性更好。試驗僅對雞樅菌的錐形切削進行了研究，尚未探討是否會對雞樅菌品質造成影響，后續將進一步研究，以驗證試驗裝置的實用性。