基于連續(xù)體機器人技術的金針菇自動采收裝置設計

摘 "要：在現(xiàn)有的金針菇工廠化產線中，濾光罩拆卸、金針菇采收、金針菇切根3道關鍵工序仍需人工完成，效率低下，且人工成本高昂。為提高工廠的自動化程度及金針菇生產效率，對金針菇的產線方案進行搭建，模塊化設計一種金針菇自動采收裝置，將3道工序集成為一體。結合連續(xù)體機器人技術設計一種繩驅動金針菇柔性夾爪，解決自動化實現(xiàn)金針菇無損采收這一核心問題。同時在環(huán)保的角度進一步完善產線，產線中對濾光罩與切割后的金針菇根壤分別進行回收，實現(xiàn)金針菇產線的廢料回收再利用。

關鍵詞：金針菇；結構設計；繩驅動；連續(xù)體機器人；生產線

中圖分類號：S646.1+5 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2024）22-0006-04

Abstract： In the existing industrial production lines for enoki mushrooms， or Flammulina velutipes， the three critical processes of removing light filters， harvesting enoki mushrooms， and cutting the roots still require manual labor， resulting in low efficiency and high labor costs. In order to improve the automation degree of the factory and the production efficiency of enoki mushrooms， a production line plan for enoki mushrooms was built， and an automatic harvesting device for enoki mushrooms was designed to integrate the three processes. A rope-driven flexible gripper for enoki mushrooms was designed based on continuum robot technology， which solved the core problem of automated non-destructive harvesting of enoki mushrooms. At the same time， the production line was further improved from the perspective of environmental protection. In the production line， the filter and the cut enoki mushroom root soil were recycled separately， realizing the recycling and reuse of waste from the enoki mushroom production line.

Keywords： enoki mushroom; structural design; rope-driven; continuum robot; production line

金針菇是食用最廣泛的菌類之一，也是我國食用菌生產的常規(guī)主品種之一，2021年全國食用菌鮮品總產量為4 133.96萬t[1]。其味道鮮美，營養(yǎng)豐富，且具有一定的中醫(yī)藥價值。金針菇是中國最早實現(xiàn)工廠化生產的食用菌品種，也是目前日產和年產數(shù)量最大的品種[2]。

目前金針菇的種植方式為工廠化瓶栽種植，培養(yǎng)瓶在每個金針菇盆中以橫向、縱向4×4的方式分布放置。工廠化種植金針菇可分為濾光罩拆卸環(huán)節(jié)、金針菇采收環(huán)節(jié)、金針菇切根環(huán)節(jié)3個部分。金針菇表面貼合的濾光罩如圖1所示，其由魔術貼在銜接處進行粘接。工作者接收產線輸送的金針菇盆后，依次拆卸培養(yǎng)瓶上的藍色濾光罩，拆卸完成后將金針菇從培養(yǎng)瓶中分別拔出，進行金針菇的切根工序，最后將金針菇輸送出庫，如圖2所示。

隨著瓶栽種植食用菌類技術及農業(yè)自動化采摘技術的發(fā)展，金針菇的自動化采收已展開相應研究。Sujatanagarjuna等[3]提出了一種模塊化、可拓展的室內蘑菇收獲系統(tǒng)，其蘑菇采收環(huán)節(jié)中采用了割刀式末端執(zhí)行器分離蘑菇根部與菌柄。割刀式末端執(zhí)行器在食用菌分離階段體現(xiàn)出高效的優(yōu)點，但具有一定的危險程度。高文碩等[4-5]針對金針菇作物特性進行了拉拔試驗，得到了金針菇拉拔力等理論參數(shù)，基于該理論參數(shù)設計了一種雙機械手瓶栽金針菇采收機器人，其末端執(zhí)行器設計為與金針菇菌柄局部契合的剛性圓弧狀夾爪。剛性夾爪在抓取金針菇過程中會由于接觸力集中造成金針菇叢邊緣損傷[6]，因此，金針菇采收執(zhí)行器應為柔性執(zhí)行器，從而保證金針菇的采收質量。

基于金針菇的采收前后流程，本文設計了一種金針菇自動化采收產線，將上述濾光罩拆卸、金針菇采收、金針菇切根3道工序集成為一體，分別為濾光罩拆卸模塊、金針菇采收模塊、金針菇自動切根模塊，提升了現(xiàn)有金針菇工廠的自動化程度。并且為保證金針菇出庫品質，考慮到金針菇在采收環(huán)節(jié)的易損，在金針菇采收環(huán)節(jié)中，結合繩驅動連續(xù)體機器人技術[7-12]，設計了一種柔性夾爪，實現(xiàn)了金針菇的無損采收。

1 "產線總體方案設計

金針菇自動化采收裝置整體設計如圖3和圖4所示，當金針菇盆通過輸送線達到工業(yè)相機識別位置后，輸送線停止工作，濾光罩拆卸模塊根據(jù)工業(yè)相機識別到的濾光罩標簽定位信息將金針菇盆第一行的濾光罩拆卸處理，拆卸完成后濾光罩拆卸模塊移動到濾光罩回收桶處，回收桶對濾光罩進行收集，用于二次利用。每完成一行的濾光罩拆卸作業(yè)，輸送線進行運作將下一行待拆卸濾光罩輸送至濾光罩拆卸模塊工作位置。

當每個培養(yǎng)瓶中的濾光罩均被拆卸后，金針菇盆被輸送到采收裝置位置。柔性夾爪將第一行金針菇連根拔起，并將金針菇翻轉。翻轉后金針菇位置與切根裝置相對應，此時切根裝置運行，切根過程中殘渣不斷回收至根壤收集倉中。當切根工序完成后，回收倉繼續(xù)移動至根壤回收桶上方，此時后倉門打開，根壤回收桶收集掉落的金針菇根壤殘渣，其可用于進行金針菇培養(yǎng)基的制作。同時采收裝置復位，采收裝置移動至最右端，金針菇由此放置于出庫線上，實現(xiàn)金針菇的自動出庫。

2 "濾光罩拆卸模塊設計

濾光罩拆卸為金針菇采收過程的第一道工序。濾光罩拆卸模塊結構示意圖如圖5所示，整體共具有3個自由度。四方板鋪設有導軌與齒條，頂降單元與平移電機豎直安裝于四方板上。當平移電機運作時，濾光罩拆卸模塊在平移電機與電機齒輪的嚙合作用下實現(xiàn)X軸方向的移動。同時拆卸單元再與頂降單元通過連接桿連接，保證了濾光罩拆卸模塊在Z軸方向的運動。

在集成架的末端，補償氣缸與拆卸單元相連接。當工業(yè)相機識別到濾光罩邊緣的定位標簽后，拆卸單元需要保證與金針菇中所在行待拆卸濾光罩同軸。濾光罩定位標簽如圖6所示（去除金針菇）。由于金針菇盆中待拆卸濾光罩可能存在行距離偏差，補償氣缸將對每個濾光罩對應的拆卸單元進行距離修正，確保了濾光罩拆卸模塊在Y軸方向的運動。

在濾光罩拆卸模塊中，拆卸器如圖7所示，當拆卸器移動到待拆卸濾光罩同軸位置后，旋轉電機根據(jù)定位標簽通過聯(lián)軸器將拆卸器旋轉至對應角度，頂降單元帶動拆卸器下落。拆卸器中2個氣爪夾緊濾光罩邊緣位置，推動氣缸將氣爪二向外拉伸，從而將濾光罩撕開，并轉運到濾光罩回收桶中。

3 "金針菇采收模塊設計

完成上述濾光罩拆卸工序后，輸送線將金針菇轉運至金針菇采收模塊工作位置處。采收環(huán)節(jié)為第二道工序，也是整個工藝流程中的核心環(huán)節(jié)。為了確保金針菇在采收過程中能夠無損出庫，針對金針菇的采收作業(yè)設計了一種柔性夾爪。金針菇采收模塊如圖8所示。其中頂降單元、平移電機與濾光罩拆卸模塊相同，保證了采收模塊在X軸、Z軸方向的移動。固定架的兩側分別設有旋轉電機，旋轉電機軸與柔性夾爪通過聯(lián)軸器相連接，同時固定架中間留有柔性夾爪翻轉的空間，當旋轉電機工作時，金針菇在柔性夾爪的抓取下實現(xiàn)翻轉，為后續(xù)切根工作做準備。

柔性夾爪的結構示意圖如圖9所示，針對每行待抓取的4叢金針菇可以將柔性夾爪共分為4個單元，每個單元通過舵機實現(xiàn)驅動。考慮到金針菇盆中每行金針菇之間的間距狹窄，為保證柔性夾爪能夠滿足每行待抓取金針菇的間距，因此將單元之間的菇卡板與連續(xù)體在空間上進行交疊分布。舵盤的上、下兩端固定有驅動繩索，驅動繩索通過導向滑輪末端與連續(xù)體末端相接。當舵機轉動時，連續(xù)體在驅動繩索的拉力作用下形成彎曲圓弧，抓取金針菇過程中，每部分的2個連續(xù)體與菇卡板共同實現(xiàn)金針菇菌柄表面的貼合。隨著舵機旋轉角度的增大，連續(xù)體的抓取力也隨之增大，從而在連續(xù)體與菇卡板的共同作用下對金針菇進行夾持。

連續(xù)體彎曲結構示意圖如圖10所示，其中Ni-Ti合金記憶心軸由起始盤出發(fā)至終點盤，貫穿于整個連續(xù)體的中軸線。各連接盤之間通過銷連接。當舵機運作時，連續(xù)體在驅動繩索的拉力作用下實現(xiàn)彎曲。當金針菇完成采收時，舵機旋轉角度轉為0°，此時連續(xù)體在Ni-Ti合金記憶心軸的彈性作用下實現(xiàn)復位。

4 "金針菇自動切根模塊設計

當金針菇采收模塊成功抓取金針菇后，此時柔性夾爪翻轉210°，即金針菇根部朝上翻轉至金針菇自動切根模塊工作位置。金針菇自動切根模塊結構示意圖如圖11所示，根壤收集倉的頂端固定在直線模組的工作臺上，由直線模組實現(xiàn)根壤收集倉在X軸方向的移動。根壤收集倉底端固定有切割刀片，直線模組走刀時將金針菇根壤在自身慣性下掉落至收集倉中。當切割工序完成后，頂升氣缸將倉門打開，收集倉內的金針菇根壤殘渣掉落至回收桶中。

5 "結束語

本文設計了一種金針菇自動采收產線，分別為濾光罩自動拆卸模塊、金針菇采收模塊、金針菇自動切根模塊，3個模塊一體化集成。對傳統(tǒng)的金針菇生產的多道工序進行了合并，實現(xiàn)了金針菇的自動化生產。同時在金針菇采收模塊中，針對金針菇的無損采收作業(yè)設計了一種柔性夾爪，確保了采收環(huán)節(jié)到出庫過程中金針菇的采收質量。后續(xù)工作將對采收模塊中柔性夾爪抓取金針菇過程的成功率進行進一步分析與探究。

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