本实用新型涉及水果分级机器人，尤其是涉及一种近红外水果内部品质分级机器人。
背景技术：
近年来，我国水果总产量始终居于世界前列，水果的产后和加工水果对我国水果附加值的提升具有重要意义。可见/近红外光谱检测技术由于具有快速、无损的特点，将其运用到检测设备当中来，能够实现对水果内部品质的无损实时检测。
目前市场上的近红外水果分级设备分为小型的检测仪器和大型的分级生产线，小型的检测设备可以实现单个水果内部品质的检测，携带方便，精度高，但需要更多人工的参与，检测效率低；大型的水果分级线可实现大批量的水果检测，效率高，但成本比较昂贵，同时对场地要求严格，无法实现随意挪动。
技术实现要素：
为了克服背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种近红外水果内部品质分级机器人，对水果内部分品质自动检测、分级，减少了人工的参与，节约了劳动，降低了成本。本
技术实现要素：
具体如下：
一种近红外水果内部品质分级机器人，其特征在于包括主壳体、上料手臂、上料手臂、红外光谱检测装置、移动装置、手臂控制系统和上位机电脑，上位机电脑位于主壳体上方；
所述的上料手臂包括有右固定轴、右外转子轮毂电机、右旋转轴套、右连接杆、右真空吸盘和右真空管，右固定轴竖直固定在主壳体内，右固定轴上端与右外转子轮毂电机的定子连接，右外转子轮毂电机的外转子通过右旋转轴套与右连接杆的一端连接，所述右连接杆与右旋转轴套垂直，所述右连接杆沿轴向开有通孔，右连接杆另一端通过右真空吸盘中心位置开的通孔与右真空吸盘连接，右连接杆的通孔在靠近右旋转轴套的一端连接有右真空管，右真空管的另一端与右真空泵相连；
所述的下料手臂和上料手臂结构相同，下料手臂包括有左固定轴、左外转子轮毂电机、左旋转轴套、左连接杆、左真空吸盘和左真空管，左固定轴竖直固定在主壳体内，左固定轴上端与左外转子轮毂电机的定子连接，左外转子轮毂电机的外转子通过左旋转轴套与左连接杆的一端连接，所述左连接杆与左旋转轴套垂直，所述左连接杆沿轴向开有通孔，左连接杆另一端通过左真空吸盘中心位置开的通孔与左真空吸盘连接，左连接杆的通孔在靠近左旋转轴套的一端连接有左真空管，左真空管的另一端与左真空泵相连；
主壳体左、右侧壁有相同的通道，上料手臂的右外转子轮毂电机带动右连接杆和右真空吸盘从右侧通道旋进旋出，下料手臂的左外转子轮毂电机带动左连接杆和左真空吸盘从左侧通道旋进旋出；上料手臂从主壳体内旋出拾取到放置在主壳体外部的水果后，再旋入主壳体内，下料手臂从主壳体内拾取水果后旋出，将分级后的水果放下。
所述的主壳体的左、右侧壁连接有上料果箱托板，上料果箱托板与主壳体连接线的位置低下通道的下边缘，或与通道的下边缘等高，上料果箱托板靠近主壳体的一端低于远离主壳体的一端；上料手臂拾取最靠近主壳体的水果，远端未被拾起的水果在重力作用下自发的向靠近机器人的方向滚动，为下次拾起动作做准备。
所述的红外光谱检测装置位于主壳体内，包括检测底座、环形光源、微型光纤光谱仪和检测支架，检测底座通过检测支架固定在主壳体的主壳体的底板上，检测底座加工有凹槽，凹槽上边缘位置安装有环形光源，凹槽底部加工有螺纹通孔，螺纹通孔通过光纤与微型光纤光谱仪相连接，微型光纤光谱仪的输出端与上位机电脑的输入端连接，所述的环形光源发出红外光；水果受到红外线照射时，分子被激发产生共振，同时光的能量一部分被吸收，其吸收光谱可以表征被测物质的特性，红外光谱检测装置可以完成对放在凹槽上的水果进行红外光谱检测，并将检测到的红外光谱信号发送到上位机电脑；
所述的真空吸盘到上料果箱托板近主壳体一端的垂直距离等于真空吸盘到检测底座的垂直距离；上料果箱托板和检测底座的高度相同，上料手臂的真空吸盘拾取到上料果箱托板上的水果后，外转子轮毂电机带动真空吸盘直接旋转定位到检测底座的上方，避免了水果在被放到检测底座前，真空吸盘在垂直方向上位置的调整，节约了检测程序、检测时间；
所述的移动装置是由小型电机驱动的移动小车，上位机电脑通过小型电机控制器控制小型电机转动；
所述的手臂控制系统包括电机控制板、控制右真空管开合的右电磁阀和控制左真空管开合的左电磁阀，上位机电脑输出端与电机控制板输入端连接，电机控制板输出端分别连接右外转子轮毂电机和左外转子轮毂电机的输入端，电机控制板通过控制右外转子轮毂电机间接带动右真空吸盘转动，所述右真空吸盘的转动是以右固定轴为旋转轴线，电机控制板通过控制左外转子轮毂电机间接带动左真空吸盘转动，所述左真空吸盘的转动是以左固定轴为旋转轴线，上位机电脑分别与右电磁阀、左电磁阀电连接，所述的右电磁阀和左电磁都是二位三通电磁阀；定义右旋转轴套、左旋转轴套分别与主壳体侧面垂直，右真空吸盘、左真空吸盘分别位于主壳体外时右轮毂电机、左轮毂电机所处的位置分别为初始位，启动机器人后手臂自动定位到初始位置，上料手臂的右电磁阀打开，右真空泵与右真空管接通，开始抽真空，右真空吸盘拾起水果，上位机电脑通过电机控制板控制右外转子轮毂电机带动右真空吸盘转到检测底座上方，右电磁阀关闭，右真空管与大气连接，卸除真空状态，水果掉落在检测底座上，上料手臂的右真空吸盘回到初始位置，完成水果上料过程，检测完成后，下料手臂连接的左真空吸盘旋转到检测底座上方，上料手臂的左电磁阀打开，左真空泵与左真空管接通，开始抽真空，左真空吸盘拾起检测底座上的水果，上位机电脑通过电机控制板控制下料手臂的左外转子轮毂电机带动左真空吸盘转到主壳体外，左电磁阀关闭，左真空管与大气连接，卸除真空状态，水果掉落。
所述上料手臂的右连接杆上垂直连接有右横杆，右横杆上固定有右摄像头，右摄像头的输出端与上位机电脑的输入端连接；下料手臂的左连接杆上垂直连接有左横杆，左横杆上固定有左摄像头，左摄像头的输出端与上位机电脑的输入端连接。对水果进行定位，并将水果的位置传递到上位机电脑中，更精确的对水果定位拾取。
所述上料手臂的右旋转轴套上安装有右应力传感器，下料手臂的左旋转轴套上安装有左应力传感器。用于检测上料手臂或下料手臂有没有拾取到水果，如果没有拾取到水果则上料手臂或下料手臂再重复拾取水果的动作，避免在没有拾取到水果的情况下仍进行后继有检测程序，不但浪费时间还增加了无效数据的统计。
所述的检测底座的凹槽底部设置有橡胶垫圈。在水果放入检测底座时，橡胶垫圈起缓冲作用防止水果意外碰伤。
所述的检测支架与主壳体的底板之间增设称重装置。重量也是评价水果品质的一个重要指标，增加重量的指标增加水果分类的有效性。
所述的主壳体前后两侧均安装有激光感应器，激光感应器的输出端与上位机电脑的输入端连接。激光感应器可以对移动方向上的障碍物进行检测，以保证机器人在移动的过程中不会撞到障碍物。
所述上料果箱托板与水平面的夹角在5°-30°之间。夹角处于该范围，上料果箱托板上的水果向主壳体方向滚动时速度不会太快，避免碰伤水果。
所述的移动小车包括同步带轮、同步带、轴承座、主动轮、主动轴和从动轮；主动轴通过轴承座固定在主壳体的底板下面，主动轴两端分别安装有主动轮，小型电机固定在主壳体的底板下面，两个同步带轮分别安装于主动轴和小型电机的转轴上，通过同步带连接两个同步带轮，在主壳体的底板下面还固定安装有从动轮。
所述的小型电机通过连接轴连接有编码器，编码器通过编码器支架固定在主壳体的底板上。编码器可以将机器人的移动数据上传到上位机电脑，尤其是在意外断电后，当再次开启时可以使机器人回到零位。
所述的上料手臂的右固定轴下端连接有右第一直线步进电机，右固定轴与右第一直线步进电机的电机轴连接，右第一直线步进电机固定设置在主壳体内，电机控制板输出端连接右第一直线步进电机的输入端，电机控制板通过控制右第一直线步进电机间接带动右真空吸盘在竖直方向移动；
下料手臂的左固定轴下端连接有左第一直线步进电机，左固定轴与左第一直线步进电机的电机轴连接，左第一直线步进电机固定设置在主壳体内，电机控制板输出端连接左第一直线步进电机的输入端，电机控制板通过控制左第一直线步进电机间接带动左真空吸盘在竖直方向移动；
上料手臂的右旋转轴套上连接有右第二直线步进电机，右旋转轴套与右第二直线步进电机的外壳体连接，右第二直线步进电机的电机轴与右连接杆的一端垂直连接，电机控制板输出端连接右第二直线步进电机的输入端，电机控制板通过控制右第二直线步进电机间接带动右真空吸盘在水平方向移动；
下料手臂的左旋转轴套上连接有左第二直线步进电机，左旋转轴套与左第二直线步进电机的外壳体连接，左第二直线步进电机的电机轴与左连接杆的一端垂直连接，电机控制板输出端连接左第二直线步进电机的输入端，电机控制板通过控制左第二直线步进电机间接带动左真空吸盘在水平方向移动。
本实用新型具有的有益效果：采用本实用新型的红外水果内部品质分级机器人可实现对水果的自动检测和分级，通过检测装置内部的近红外检测装置和称重装置可实现对于水果光谱和重量的检测，并传递给上位机电脑进行处理并分级，整个检测过程不需要人为干预，自动化程度高。对检测场地条件要求不高，方便移动，也可以直接在水果采摘的场地使用，提高对水果检测的及时性。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
图2是本实用新型的左固定轴和右固定轴连线的剖面图。
图3是本实用新型的内部结构的俯视图。
图4是本实用新型的侧面结构示意图。
图5是本实用新型的控制系统的框图。
图6是本实用新型的单个水果分级流程图。
图中：1、主壳体；2、上料手臂；3、下料手臂；4、激光感应器；5、急停开关；6、上位机电脑；7、头部罩板；8、上料果箱；9、上料果箱托板；10、下料果箱支架；11、下料果箱；12、轴承座；13、主动轴；14、同步带；15、同步带轮；16、主动轮；17、从动轮；18、检测支架；19、称重装置；20、微型光纤光谱仪；21、环形光源；22、橡胶密封垫圈；23、检测底座；24、蓄电池；25、编码器支架；26、编码器；27、编码器连接轴；28、电机转轴；29、小型电机； 111、第一下料果箱；112、第二下料果箱；113、第三下料果箱；201、右第一直线步进电机；202、右固定轴；203、右外转子轮毂电机；204、右旋转轴套；205、右第二直线步进电机；206、右连接杆；207、右横杆；208、右摄像头；209、右真空吸盘；210、右应力传感器；211、右真空管；212、右真空泵；301、左第一直线步进电机；302、左固定轴；303、左外转子轮毂电机；304、左旋转轴套； 305、左第二直线步进电机；306、左连接杆；307、左横杆；308、左摄像头；309、左真空吸盘；310、左应力传感器；311、左真空管；312、左真空泵；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，一种近红外水果内部品质分级机器人，包括主壳体1、上料手臂2、下料手臂3、红外光谱检测装置、移动装置、手臂控制系统和上位机电脑6，上位机电脑6放置在主壳体1上方，上位机电脑6为嵌入式工程电脑，安装于头部罩板7内，头部罩板7对工程电脑起保护作用。
上料手臂2和下料手臂3的结构相同，如图2所示，上料手臂2包括有右第一直线步进电机201、右固定轴202、右外转子轮毂电机203、右旋转轴套204、右第二直线步进电机205、右连接杆206、右横杆207、右摄像头208、右真空吸盘209、右应力传感器210、右真空管211和右真空泵212。下料手臂3包括有左第一直线步进电机301、左固定轴302、左外转子轮毂电机303、左旋转轴套 304、左第二直线步进电机305、左连接杆306、左横杆307、左摄像头308、左真空吸盘309、左应力传感器310、左真空管311和左真空泵312。
主壳体1左、右侧壁开有倒“U”字形通道，上料手臂2和下料手臂3对称设置在主壳体1的侧壁上，现以上料手臂2为例对上料手臂2结构进行详细说明，右第一直线步进电机201位于主壳体1内，竖直固定在侧壁上，右外转子轮毂电机203间接带动右连接杆206和右真空吸盘209从通道旋进旋出，右第一直线步进电机201的电机轴上端与固定轴202连接，右固定轴202的上端与右外转子轮毂电机203的定子连接，右外转子轮毂电机203的外转子与右旋转轴套204相连，右旋转轴套204与右固定轴202垂直，右旋转轴套204上安装有右应力传感器 35，右外转子轮毂电机203带动右旋转轴套204以右固定转轴为轴线旋转，右第二直线步进电机205安装于右旋转轴套204上，可实现手臂在水平方向的延伸，右第二直线步进电机205的转轴与右连接杆206的一端垂直连接，所述右连接杆 206沿轴向开有通孔，右连接杆206另一端通过右真空吸盘209中心位置开的通孔与右真空吸盘209连接，右连接杆206的通孔在靠近右第二直线步进电机205 的一端连接有右真空管211，右真空管211的另一端与右真空泵212相连。上位机电脑6通过右电磁阀控制右真空管211与真空泵212之间的通断。右连接杆 206垂直连接有右横杆207，右横杆207上固定有右摄像头308，右摄像头308 的输出端与上位机电脑6的输入端连接，对水果进行图像采集并定位。
如图5所示，所述的手臂控制系统包括电机控制板、控制右真空管211开合的右电磁阀和控制左真空管311开合的左电磁阀，上位机电脑6输出端与电机控制板输入端连接，电机控制板输出端分别连接右第一直线步进电机201、右第二直线步进电机205、右外转子轮毂电机203、左第一直线步进电机301、左第二直线步进电机305和左外转子轮毂电机303的输入端，电机控制板通过控制右第一直线步进电机201间接带动右真空吸盘209在竖直方向移动，电机控制板通过控制右外转子轮毂电机203间接带动右真空吸盘209以右固定轴202为轴线转动，电机控制板通过控制右第二直线步进电机205间接带动右真空吸盘209在水平方向移动，电机控制板通过控制左第一直线步进电机301间接带动左真空吸盘309 在竖直方向移动，电机控制板通过控制左外转子轮毂电机303间接带动左真空吸盘309以左固定轴302为轴线转动，电机控制板通过控制左第二直线步进电机 305间接带动左真空吸盘309在水平方向移动，上位机电脑6分别与右电磁阀、左电磁阀电连接，所述的右电磁阀和左电磁都是二位三通电磁阀；
所述的主壳体1的左、右侧壁连接有上料果箱托板9，上料果箱托板9与主壳体1连接线的位置低于通道的下边缘约5cm的高度或与通道的下边缘等高，上料果箱托板9靠近主壳体1的一端低于远离主壳体1的一端，与水平面的夹角在5°-30°之间均可。上料果箱8沿上料的方向被分为几个长方形区域，长方形区域的宽度方向上可容纳一个水果，机器人工作时，将装满水果的上料果箱8 安放于上料果箱托板9上，机器人将靠近机器人壳体的水果优先拾起，处于同一长方形区域未被拾起的水果在重力作用下自行的向靠近机器人的方向滚动，为下次拾起做准备；该通道的水果被拾取完后，则开始拾取另一个通道中的水果。机器人的左侧，独立安放有下料果箱支架10，下料果箱支架10与水平面成微小角度约5°-30°，靠近机器人主体的一端略高于远离机器人主体的一端，下料果箱 11安放于下料果箱支架10上，水果检测之前，人为的在系统中设置水果的等级，及设定每个等级的划分参数，依据划分等级的多少，在机器人左侧依次摆放多个下料果箱11和下料果箱支架10，水果完成分级后机器人移动到对应等级的下料果箱11侧边，下料手臂3的真空吸盘209旋转入主体壳1内停留在检测底座23 的上方，拾取水果，再从主壳体1内旋出，停留在对应等级的下料果箱11的上方，释放水果，水果由于重力作用在下料果箱11内向远离机器人的一端滚动。上料果箱8与下料果箱11内壁均被软垫覆盖，防止水果被擦伤。
在主壳体1的盖板上安装有急停开关5，急停开关5与电源连接，在机器人工作时，按动开关5可随时切断电源进行保护性急停；在主壳体1的下部有底板；主壳体1前、后两侧均安装有激光感应器4，激光感应器4的输出端与上位机电脑6的输入端连接，激光感应器4对周围障碍物进行检测，一旦发现障碍物位于安全距离之内可自动触发报警；蓄电池24位于主壳体1内，安装在底板上，为整个机器人系统提供电源。
如图2、图3所示，检测底座23安装于检测支架18之上，检测支架18下端安装有称重装置19、称重装置19固定在底板上，称重装置19位于左、右第一直线步进电机连线的中线上，保证检测底座23分别到上料手臂2和下料手臂 3的距离相同，方便水果的放置与拾取；检测底座23加工有凹槽，凹槽内上边缘端安装有环形光源21，发出红外光线，凹槽内底部固定了具有一定弹性的橡胶密封垫圈22，凹槽底部加工有螺纹通孔，螺纹通孔通过光纤与微型光纤光谱仪20相连接。当上料手臂2将被检测的水果放置在检测底座23上时，水果下端会与橡胶密封垫圈22紧密贴合，与检测底座23形成密闭的空间，防止外界杂散光进入；环形光源21发出红外光线穿透水果，通过光纤传递给固定在底板上的微型光纤光谱仪20，微型光纤光谱仪20再把光谱信息传递给上位机电脑6；同时，处于检测装置底端的称重装置19也将采集到的水果重量信息发送给上位机电脑6，完成水果红外光谱和重量的信息采集。
如图3、图4所示，小型电机29固定在主壳体1的底板靠近主动轮16的一侧，为机器人移动提供动力，同时编码器26通过编码器连接轴27与电机转轴 28相连，并通过编码器支架25固定在底板上，编码器26在机器人工作时对机器人移动的距离做实时的监测，并将移动信息传递给上位机电脑6；两个相同的同步带轮15分别安装于电机转轴28和主动轴13上，通过同步带14相连，主动轴13通过轴承座12固定在底板上，两端分别安装有主动轮16，电机运转时，通过同步带轮15和同步带14带动主动轴13转动，实现移动；在底板另一侧安装有两个从动轮17，从动轮17为市场上常见的方向可调的万向轮，在机器人工作时可将方向锁固定使其沿前进方向移动，当搬运或移动机器人时，可将方向锁打开，方便搬运。
如图6所示，下面以柑橘检测分级为例，具体阐述操作流程：
设定柑橘将被分成三个等级；
在机器人下料的地方放置下料果箱11和下料果箱支架10，所述的下料果箱 11包括第一下料果箱111、第二下料果箱112和第三下料果箱113，从前到后依次排列，对应下料果箱分别装第一等级柑橘、第二等级柑橘和第二等级柑橘；在上位机电脑6中设置每个等级对应的光谱和重量阈值范值；在上位机电脑6中设置三个下料果箱的相对坐标位置；
上料果箱8被平均分成4个长方形区域，定义右旋转轴套204、左旋转轴套 304与主壳体1侧壁垂直、右第一直线步进电机201和左第一直线步进电机301 处于最长伸长状态、右第二直线步进电机205和左第二直线步进电机305位于最短伸长状态、真空吸盘位于主壳体1外时手臂所处的位置为初始位，机器人自动检测水果的步骤如下：
1)机器人上料手臂2和下料手臂3复位到初始位置；
2)右摄像头308对上料果箱8进行观察，再通过图像分析、目标识别等技术，计算水果相对于场景中特定参照物的局部相对位置，把位置坐标发送给上位机电脑6；
3)根据收到的坐标信息，上位机电脑6通过电机控制板控制右第一直线步进电机201、右第二直线步进电机31及右外转子轮毂电机203配合完成右真空吸盘209的定位；
上位机电脑6控制右真空管211所连接的右电磁阀打开，右真空管211 与右真空泵312接通，右真空吸盘209处于负压状态并吸住柑橘，完成上料手臂2对柑橘的拾取；上位机电脑6通过安装在右旋转轴套204上的右应力传感器35对柑橘拾取情况进行判断，如果未拾取成功则重新拾取，如果拾取成功，右第一直线步进电机201、右第二直线步进电机31 及右外转子轮毂电机203回到初始位置，进行下一步操作；
4)上位机电脑6通过控制板控制右第一直线步进电机201、右第二直线步进电机31及右外转子轮毂电机203配合完成右真空吸盘209旋转到检测底座23上方位置；为了节约定位的程序，可以直接设定检测底座23上方的定位坐标，检测底座23的位置坐标已预置在上位机电脑6中，根据被测水果的大小，在垂直方向的坐标数值中增加1.5倍或2倍水果的高度，即是检测底座23上方的定位坐标；例如：设检测底座23的坐标为(a， b，c)，柑橘的平均高度为7cm，则真空吸盘209定位坐标可以设置为(a， b1，c)，其中，b+10.5cm≤b1≤b+14cm，所得到的坐标就是右真空吸盘 209此次的定位坐标。
在该步骤中，也可选择采用右摄像头208对右真空吸盘209进行定位：上位机电脑6通过电机控制板控制右第一直线步进电机201、右第二直线步进电机205及右外转子轮毂电机203配合完成右真空吸盘209旋转定位到检测底座23的上方，通过右摄像头208对检测底座23进行图像采集、识别、定位，计算出右真空吸盘209的最佳坐标位置，在垂直方向上对右真空吸盘209进行微调后定位；
真空吸盘209定位完成后，上位机电脑6控制右真空管211所连接的右电磁阀，关闭真空管211与真空泵312的连接，打开真空管211与大气的连接，卸掉负压，柑橘掉落在到检测底座23上，之后上料手臂2复位到初始位置，重复上述1)-4)的步骤，对柑橘进行拾取和释放；
5)微型光纤光谱仪20通过光纤收到柑橘的光谱信息并上传到上位机电脑6 进行分析，同时称重装置19也将采集到的柑橘重量信息传递给上位机电脑6；
6)上位机电脑6依据柑橘的光谱信息和重量信息对柑橘进行分级判断；
7)设上位机电脑6对数据对比得到所检测的柑橘为第一等级柑橘，则机器人按上位机电脑6中已设定好的第一下料果箱111的坐标位置，移动到第一下料果箱111；
机器人下料手臂3的左真空吸盘309定位到预设坐标或通过下料手臂3 的左摄像头308定位到检测底座23上方，所述的定位方法与步骤4)中上料手臂2的右真空吸盘209定位到检测度座23上方的定位方法相同；上位机电脑6控制左电磁阀打开，左真空管311与左真空泵312接通，左真空吸盘309处于负压状态并吸住柑橘，完成机器人下料手臂3对柑橘的拾取；上位机电脑6通过安装在左旋转轴套304上的左应力传感器 310对柑橘拾取情况进行判断，如果未拾取成功则重新定位拾取，如果拾取成功，则下料手臂3回到初始位置；
8)下料手臂3回到初始位置后，上位机电脑6控制左电磁阀，关闭下料手臂3的左真空管311与左真空泵312的连接，打开左真空管311与大气的连接，卸掉负压，柑橘掉落在第一等级下料果箱11内；下料手臂3重复7)-8)步骤，对柑橘进行拾取和投放。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。