一种集成于柔性手指的水果硬度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域的一种水果性能参数检测传感器，具体涉及一种集成于柔性手指的水果硬度传感器。

背景技术

水果是重要的农产品之一，水果产业作为劳动密集型产业是种植业中仅次于粮食蔬菜的第三大支柱产业，年产量达上亿吨，在我国的国民经济中占有非常重要的地位。每年有20％-30％的水果因各种原因浪费，其中因采摘期不当、贮藏时间过长、运输损伤等原因导致的浪费的占很大的比重。若能提供可在果园、超市等场合实时检测水果成熟度的便携仪器，帮助果农、经销商合理判断水果采收期，货架期等，则可有效改善水果的浪费现状。

处于不同成熟期的水果，其硬度存在差异。故而硬度是评估水果成熟度的重要指标之一，对指导水果的采摘、储藏、运输和加工均具有重要的作用。为从源头上确保水果品质，方便确定水果的采摘时间和后续的管理，生产更优质的水果，研制操作简单，测量准确的便携水果硬度检测设备具有极大的意义。

当前检测水果硬度一般使用硬度计，或是利用其声学特性、介电特性等来检测。但这些方式都是对采摘之后的水果进行硬度检测。而且，绝大部分利用上述生物物料特性的检测设备，不满足田间检测的条件：1、体积小，质量轻；2、干电池等直流电源供电；3、设备能在不平整摆放时有效工作；也不适用于树上果实的成熟判别：当检测到水果硬度不符合采摘需求时，可不予摘取，从而能在源头上有效避免浪费。此外，整个检测流程分为抓取(或固定、安放等)与检测两步，所需要的时间过长。对于部分质量不合格的水果，还需要进一步地剔除，增加了加工成本。而根据NY/T2009-2011《水果硬度的测定》，利用手持式的水果硬度计，需要在水果表面切除一部分表皮，再进行测量，属于有损测量。

利用硅胶、橡胶等弹性模量较低的材料制成的柔性手指，可作为抓取水果的执行器件。与传统的刚性机械手指相比，能有效避免在抓取水果时造成表面损伤。柔性手指通过浇注、固化、成型，得到手指体和形成于手指体内的气腔，其工作方式是基于流体变压驱动。一般使用流体(气体等)作为驱动介质，改变柔性器件内部的压力，实现内外压力差，从而实现驱动。柔性手指通常包括用于进气的接口、与接口连接的指节以及对应的气腔、连通气腔与接口的气流通路。

将水果硬度传感器集成于柔性手指，在抓取阶段便能实现检测，可有效缩短检测时间，同时也能有效防止水果表面损伤，实现快速无损检测。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种集成于柔性手指的水果硬度传感器。外源的单片机与气泵控制柔性手指的弯曲与放松状态。硬度信息获取装置集成在手指的指尖上，手指内部的光纤将硬度信息获取装置获得的信息传输给外源计算机，用于分析水果硬度。柔性手指通过一种易于拆卸的接口装配在机械手臂上，便于更换和维护。

本发明的技术方案是：

一、集成于柔性手指的水果硬度传感器

本发明包括接口、柔性手指、光纤和硬度信息获取装置，硬度信息获取装置集成在柔性手指的指尖，柔性手指指腹一侧的尖端设有基座，柔性手指根部连接接口，柔性手指内部设有光纤，柔性手指的指背内部装有相互贯通的气腔，柔性手指在指腹一侧设有与硬度信息获取装置相匹配的基座。

所述的硬度信息获取装置包括摄像头、LED灯、金属粉末反射层、标记物、硅胶接触体、支撑板、外壳和支架，硅胶接触体通过硅胶粘合剂固连在支撑板上，支撑板固定在支架上，标记物置于硅胶接触体和金属粉末反射层之间，摄像头设置在支架上，LED灯固定在外壳上，外壳固定在支架上；LED灯分为红、蓝、绿三个灯，红、蓝、绿三个灯通过各自的支架安装，并以圆周间隔均布照射在硅胶接触体上，在金属粉末反射层上形成图像。

所述的标记物通过水转印纸粘附在硅胶接触体外表面；标记物由单一简单几何图形的阵列构成。

所述的硅胶接触体和支撑板均采用透明材质。

所述的基座位于指腹一侧，靠近柔性手指尖端，硬度信息获取装置中心开有圆孔，基座置于圆孔中；光纤在指腹一侧集成，光纤与摄像头相接合，光纤起始于基座，从柔性手指的指腹一侧内部穿过，并从柔性手指的接口端预先留有的小孔穿出后接向外源计算机。

所述的接口外表面设计有螺纹，螺纹连接到机械臂末端。

所述的气腔内部填充空气。

所述的柔性手指在垂直于气腔气流通路方向上，指腹侧的截面为矩形；指背侧截面形状为梯形，柔性手指在平行于气腔气流通路方向上，指背侧截面形状为周期结构；各个气腔之间均存在气流通路，气流入口采用单个气流通路，气流中部开始到气流末端均采用双气流通路。

所述的柔性手指进气的接口端连接气源，气源抽气使得柔性手指沿气腔通道的方向的长度逐渐收缩。

二、集成于柔性手指的水果硬度传感器应用于抓取物体并实现检测的方法，方法包括以下步骤：

1)将接口外表面的螺纹连接到机械臂末端，使得水果硬度传感器随柔性手指固定于机械手臂上。

2)利用外源的单片机控制气泵，将气体充入柔性手指的气腔，气体使得扁平的气腔发生膨胀，相邻气腔之间相互挤压，柔性手指向指腹一侧弯曲，柔性手指表现为弯曲状态，使柔性手指内侧形成物料抓取空间，随着柔性手指进一步弯曲，抓取空间逐渐缩小，将被测水果压向指尖的硬度信息获取装置的硅胶接触体。

3)被测水果压向硅胶接触体之后，金属粉末反射层上的图像会发生光强变化，附着在硅胶接触体外表面的标记物也会发生移动，标记物在硅胶接触体上排布不均匀；水果按压后光强变化小，标记物移动小，反映水果硬度低，反之则说明水果硬度高。

4)硬度信息获取装置中的摄像头拍下被测水果在硅胶接触体上按压前后的金属粉末反射层上的图像，然后，通过与摄像头相连的光纤将图像传输给外源计算机，根据光强变化以及标记物移动信息，经由图像处理、分析、建模，从而得到被测水果的硬度。

本发明的有益效果：

本发明的水果硬度传感器实现了在抓取阶段进行检测，柔性手指中设计有气腔，能够快速、无损地实现抓取动作，对于近似球体的水果，柔性手指具有良好的抓取效果，而对于其它形状的水果，也能够实现自适应的贴合，同时，通过易于拆卸的接口装配，易于在机械手臂上装配，也便于更换和维护，利用集成于柔性手指的水果硬度传感器，能大幅缩小实时检测系统的体积，有效降低单个被测物检测时间，方便在田间实时作业，而且结构简单，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请的实施例的结构示意图；

图2为光纤所在面A-A的剖视图；

图3为垂直于气流通路方向观察柔性手指的外观俯视图；

图4为图3的B-B剖视图，是集成于柔性手指的全剖视图；

图5为腔体气流通路方向的全剖视图；

图6为根据本申请的实施例所示的硬度信息获取装置示意图；

图7为图6中的D-D剖面视图；

图8为图7中，标记物附着在硅胶接触体部分的E方向局部视图；

图9为两种不同硬度水果的反射层图像；

图10为标记物附着在硅胶接触体的实物图像；

图11为根据本申请的实施例所示的实际工作示意图。

图中，1柔性手指、101气腔、102基座、12机械手臂、2接口、3光纤、4硬度信息获取装置、501金属粉末反射层、502标记物、6硅胶接触体、7、LED灯、8支撑板、9外壳、10摄像头、11支架、12外源机械手臂、13外源计算机、14单片机、15气泵、00抓取空间。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明包括接口2、柔性手指1、光纤3和硬度信息获取装置4，接口2用于充入气体与固连到外源机械手臂12，硬度信息获取装置4集成在柔性手指1的指尖，硬度信息获取装置4设有基座102，柔性手指1根部连接接口2，柔性手指1内部设有光纤3，柔性手指1的指背内部装有相互贯通的气腔101，柔性手指1在指腹一侧设有与硬度信息获取装置4相匹配的基座102。

如图4、图6和图7所示，硬度信息获取装置4包括摄像头10、LED灯7、金属粉末反射层501、标记物502、硅胶接触体6、支撑板8、外壳9和支架11，硅胶接触体6通过硅胶粘合剂固连在支撑板8上，支撑板8固定在支架11上，标记物502置于硅胶接触体6和金属粉末反射层501之间，摄像头10设置在支架11上，LED灯7固定在外壳9上，外壳9固定在支架11上；LED灯7分为红、蓝、绿三个灯，三个灯两两间隔120度，红、蓝、绿三个灯通过各自的支架11安装，并以圆周间隔均布照射在硅胶接触体6上，在金属粉末反射层501上形成图像，具体实施的硅胶接触体6和支撑板8均采用透明材质。

如图8所示，标记物502通过水转印纸粘附在硅胶接触体6外表面；标记物502由简单几何图形构成，长宽方向上，两个图形间距大于图形本身的长宽尺寸。

如图2和图4所示，基座102位于指腹一侧，靠近柔性手指1尖端，硬度信息获取装置4中心开有圆孔，基座102置于圆孔中；光纤3在指腹一侧集成，光纤3与摄像头10相接合，光纤3起始于基座102，从柔性手指1的指腹一侧内部穿过，并从柔性手指1的接口端预先留有的小孔穿出后接向外源计算机13。硬度信息获取装置4与柔性手指1用硅胶粘合剂进行连接，使硬度信息获取装置4既能牢靠地固定在柔性手指1上，又可让其随着手指的抓取手势的改变而改变位置。

如图1和图11所示，接口2外表面设计有螺纹，螺纹连接到机械臂12末端，便于拆卸装配，且螺纹高度不小于一个周期的柔性手指指背侧轮廓曲线在平行于腔体气流通路方向的宽度。

如图3和图5所示，柔性手指1在垂直于气腔101气流通路方向上，指腹侧的截面为矩形；指背侧截面形状为梯形，柔性手指1在平行于气腔101气流通路方向上，指背侧截面形状为周期结构；各个气腔101之间均存在气流通路，气流入口采用单个气流通路，气流中部开始到气流末端均采用双气流通路。指背侧的背面一侧轮廓为周期结构，在一个轮廓周期内，轮廓包括两段轮廓弧线和两段连接弧线，两段连接弧线任一处的曲率不小于两段轮廓弧线任一处的曲率，两段连接弧线在腔体气流通路方向上具有一定的宽度，两段连接弧线的曲率相等，两段轮廓弧线的曲率相等，两段轮廓弧线属于同一个椭圆，柔性手指1轮廓弧线连接处平滑，连接弧线在垂直腔体气流通路方向上的高度小于轮廓弧线高度的1/5。

如图4所示，气腔101为周期结构，一个周期内，在平行于腔体气流通路方向上，气腔101上部截面轮廓包括两段轮廓弧线和一段连接弧线，气腔101下部截面轮廓主要由带有圆角的矩形构成，连接弧线任一处的曲率不小于两段轮廓弧线任一处的曲率，连接弧线在两端轮廓弧线之间具有一定的宽度。

柔性手指1进气的接口端连接气源，气源抽气使得柔性手指1沿气腔通道的方向的长度逐渐收缩。具体实施的气腔101内部填充空气。

图9为两种不同硬度水果的反射层图像(已除去标记物)，其中，(a)图为原始图像，(b)图为未成熟黑布林(较硬)按压图像，(c)图为成熟黑布林(较软)按压图像。

图10为标记物502附着在硅胶接触体6上的实物图像。

如图11所示，集成于柔性手指的水果硬度传感器应用于抓取物体并实现检测的方法，包括以下步骤：

1)将接口2外表面的螺纹连接到机械臂12末端，使得水果硬度传感器随柔性手指1固定于机械手臂12上。

2)利用外源的单片机14控制气泵15，将气体充入柔性手指1的气腔101，一定压力的气体使得扁平的气腔101发生膨胀，相邻气腔101之间相互挤压，柔性手指1向指腹一侧弯曲，柔性手指1表现为弯曲状态，使柔性手指1内侧形成物料抓取空间00，随着柔性手指1进一步弯曲，抓取空间00逐渐缩小，将被测水果压向指尖的硬度信息获取装置4的硅胶接触体6。

3)被测水果压向硅胶接触体6之后，金属粉末反射层501上的图像会发生光强变化，附着在硅胶接触体6外表面的标记物502也会发生移动，标记物502在硅胶接触体6上排布不均匀；水果按压后光强变化小，标记物移动小，反映水果硬度低，反之则说明水果硬度高。

4)硬度信息获取装置4中的摄像头10拍下被测水果在硅胶接触体6上按压前后的金属粉末反射层501上的图像，然后，通过与摄像头10相连的光纤3将图像传输给外源计算机13，根据光强变化以及标记物502移动信息，经由图像处理、分析、建模，从而得到被测水果的硬度。

没有进行检测水果时，金属粉末反射层501上的图像光强不发生变化，标记物502均匀排布在硅胶接触体6上，检测水果时，金属粉末反射层501上的图像会发生光强变化，标记物502在硅胶接触体6上排布不均匀，由此可知，本发明通过金属粉末反射层501上的图像光强变化和标记物502在硅胶接触体6上是否排布不均匀来得到被测水果的硬度。

本发明对于近似球体，具有良好的抓取效果，而对于其它形状的物体，也能够实现自适应的贴合，装载上检测装置后可对被测物的品质进行检测分析。

值得说明的是，本发明主要表示了指腹平面特指处于平面状态的指腹一侧的平面，在充气或者某些其他状态下，指腹部不为平面状态。

进一步地，若将硬度信息获取装置更换为其他品质的信息获取装置，那么本发明也可用于检测水果的其他性状，比如糖度、酸度等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。