Разработка мягких роботизированных стриптизерс для обработки хрупких пищевых продуктов

Механизм и актуализация Grip

Механизм захвата определяет, как захват прикладывает силу к предмету питания. Наиболее широко используемый подход в пищевой робототехнике - пневматическое приведение в действие : сжатый воздух раздувает камеры внутри захвата, заставляя его изгибаться или скручиваться вокруг объекта. Общие конфигурации включают:

Каждый материал, который контактирует с пищевыми продуктами, должен соответствовать правилам, таким как FDA 21 CFR (США), EU 10/2011 (Европа) или местные эквиваленты. Это означает, что эластомер не должен выщелачивать вредные химические вещества, содержать тяжелые металлы или поддерживать рост микроорганизмов. Силикон, отвержденный платином , как правило, является самым безопасным выбором, поскольку он не выделяет побочные продукты во время отверждения и имеет очень низкие извлекаемые продукты. Силикон, отвержденный пероксидом , дешевле, но может оставлять остатки, которые могут передаваться в пищу.

Термопластичные эластомеры (ТПЭ) являются еще одним вариантом, но они часто требуют добавок для достижения аналогичной гибкости, что вводит дополнительные шаги проверки соответствия. Все материалы также должны выдерживать повторную очистку - либо с горячей водой, паром, либо мягкими химическими дезинфицирующими средствами - без отеков, трещин или потери эластичности.

Долговечность и сопротивление ношения

Мягкие захваты в производственной среде подвергаются миллионам циклов. Материал должен противостоять истиранию от шкур грубого производства (например, ананасовой шелухи) и проколу от острых краев (например, рыбьих костей или ракообразных раковин). Конструкторы могут продлить срок службы захвата:

• Увеличение толщины стен в зонах с высоким напряжением.
• Использование армированных композитов (например, силикон со встроенной тканью или сеткой).
• Добавление тонкого, более твердого внешнего слоя при сохранении внутренней мягкости.

Однако любая дополнительная жесткость должна быть сбалансирована с необходимостью мягкой обработки. Тестирование с фактическими образцами продукта необходимо для подтверждения того, что захват не вызывает поверхностных отметин или внутренних синяков в течение повторяющихся циклов.

Методы актуализации и их торговые операции

Пневматические системы

Как уже упоминалось ранее, пневматическое приведение в действие является доминирующим выбором для пищевых мягких захватов. Основным преимуществом является то, что источник питания (сжатый воздух) может быть расположен удаленно, сохраняя сам захват простым, легким и легким для очистки. Типичный пневматический мягкий захват состоит из:

• Монолитический силиконовый корпус с внутренними воздушными каналами.
• Миниатюрный регулятор давления или клапанный коллектор, установленный рядом с запястьем робота.
• Внешний воздушный компрессор, поставляющий 0,5-6 бар (7-90 фунтов на квадратный дюйм), в зависимости от конструкции захвата.

Ключевая задача заключается в контроле воздушного потока именно для того, чтобы избежать внезапной инфляции, которая может потрясти продукт. Пропорциональные клапаны, датчики давления и контроль замкнутого цикла часто используются для плавного наращивания силы.

Гидравлические системы

Гидравлические мягкие захваты используют несжимаемую жидкость (воду или масло) вместо воздуха. Они обеспечивают более высокую жесткость и более быструю реакцию, поскольку жидкость не сжимается, но они тяжелее и представляют риск загрязнения, если возникают утечки. Для пищевых применений может использоваться пищевое минеральное масло или даже питьевая вода, но система должна быть герметично закрыта. Гидравлические захваты лучше всего подходят для тяжелых или жестких пищевых продуктов, таких как цельные дыни или замороженные блоки, где риск дробления ниже.

Тендон-управляемые и кабельные системы

Эти захваты используют гибкие кабели или высокопрочные нити, которые тянут мотором, чтобы сгибать мягкую структуру. Преимущества включают высокую скорость, точное управление положением и способность генерировать большие силы. Однако кабели и шкивы создают щели, которые трудно очищать, что делает их менее гигиеническими для обработки пищевых продуктов, если захват не спроектирован как полностью герметичный блок. Системы, управляемые Tendon, часто используются в лабораторных прототипах или для непродовольственных применений, но они постепенно адаптируются для обработки пищевых продуктов с использованием гладких, моющихся покрытий.

Интеграция датчиков и контроль силы

Тактильные и близкие датчики

Для достижения «мягкого прикосновения», необходимого для хрупких продуктов, захват должен знать, сколько силы он прикладывает. Встраивание мягких тактильных датчиков непосредственно в контактную поверхность захвата обеспечивает обратную связь в режиме реального времени. Типы датчиков включают:

• Плавностные датчики: Два проводящих слоя, разделенных сжимаемым диэлектриком. По мере деформации захвата изменяется емкость, что указывает на давление.
• Пьезорезистивные датчики: Материалы (например, проводящая пена или ткань), которые изменяют электрическое сопротивление под напряжением.
• Оптические датчики: Источник света и детектор, встроенный в эластомер; деформация изменяет световой путь, указывая силу.

Эти датчики могут быть изготовлены с использованием тонких, гибких печатных плат или напечатанных на экране проводящих красок. Данные подаются в алгоритм управления, который модулирует давление приведения в действие или крутящий момент двигателя для поддержания силы захвата цели значительно ниже порога повреждения продукта.

Закрытый петлевой контроль сил

Пневматические захваты с открытым контуром часто перекрывают или опускают из-за изменений размера продукта, поверхностного трения и давления подачи воздуха. Управление замкнутым контуром решает эту проблему путем сравнения измеренной силы от тактильного датчика до заданной точки и соответствующей регулировки положения клапана. Передовые контроллеры также могут обнаруживать, когда продукт скользит и постепенно увеличивать прочность захвата до остановки скольжения, сродни человеческой регулировке их трюма.

Для пищевых продуктов с очень низкими порогами повреждения (например, спелый инжир или формованный шоколад) цикл управления должен обновляться быстрее 20 Гц. Для этого требуются датчики с низкой задержкой и клапаны с высокой пропускной способностью. Некоторые исследовательские группы продемонстрировали модельно-прогностический контроль , который предвосхищает деформацию продукта и превентивно регулирует профиль захвата. (Для глубокого погружения в тактильное зондирование для мягкой робототехники см. этот обзор в Журнале полевой робототехники ).

Приложения в пищевой промышленности

Ягоды и мягкие фрукты

Мягкие роботизированные захваты уже используются в операциях по сбору ягод и упаковке. Например, пневматические пальцы с силиконовыми чашками могут выбирать одну клубнику или кластер черники без синяков на нежной коже. Захваты могут быть расположены в массивах для одновременной обработки нескольких предметов, увеличивая пропускную способность при сохранении мягкой обработки.

Пекарня и кондитерские изделия

Выпеченные товары, такие как круассаны, булочки и кексы, подвержены разрушению или обморожению. Мягкие захваты с широкими контурными поверхностями могут поднимать их, не оставляя следов. Для шоколадных продуктов чувствительность к температуре является дополнительной проблемой - захват не должен передавать тепло, которое может расплавить покрытие. Захваты на основе силикона имеют низкую теплопроводность, что делает их пригодными для таких применений.

Листья зелени и свежие продукты

Латук, шпинат и травы чрезвычайно хрупкие и часто имеют высокое содержание воды, что делает их тяжелыми по отношению к их структурной целостности. Мягкие захваты с нежным всасыванием или движениями «хвата и подъема» могут собирать и упаковывать эти зеленые растения с гораздо меньшим ущербом, чем традиционные вакуумные чашки или механические зажимы. Некоторые системы сочетают мягкое захват с компьютерным зрением, чтобы найти стебель и сцепить только листовое лезвие.

Морепродукты и мясные продукты

Рыбное филе, креветки и части птицы скользкие, нерегулярные и легко повреждаются. Мягкие захваты могут соответствовать форме рыбного филе и удерживать его надежно, не разрывая плоть. Пищевой силикон сопротивляется жирам и маслам, присутствующим в мясе, а захваты могут быть спроектированы с текстурированными поверхностями для улучшения захвата на влажных поверхностях.

Проблемы и решения

Синяки и деформация

Проблема: Даже при малой силе захвата могут вызвать внутренние синяки в яблоках, грушах и авокадо, особенно если захват прикладывает повторное или устойчивое давление.

Решение: Используйте мягкие захваты с распределенным давлением на большой контактной площади и включите ограниченные по времени циклы захвата. Датчики, которые обнаруживают твердость продукта, могут помочь адаптировать силу к каждой отдельной детали. Кроме того, силиконовые пены могут использоваться в качестве амортизирующего слоя для поглощения удара.

Уборка и гигиена

Проблема: Мягкие захваты имеют трещины и подрезания, которые могут улавливать пищевые отходы и бактерии. Традиционные методы промывки могут достигать не всех внутренних поверхностей.

Растворение: Конструирование захватов в виде монолитных, цельных компонентов без швов или полостей. Используйте водонепроницаемые, электроинертные материалы, которые могут быть погружены в чистящие растворы. Некоторые производители теперь производят самоочищающиеся захваты со встроенными антимикробными покрытиями (например, наночастицы серебра или медный силикон).

Скорость и пропускная способность

Проблема: Мягкие пневматические захваты медленнее, чем жесткие захваты, потому что поток воздуха ограничен, и материал должен деформироваться постепенно, чтобы избежать повреждения.

Решение: Оптимизируйте геометрию захвата для уменьшения объема инфляции и использования высокопроточных клапанов. Комбинируйте мягкие захваты с высокоскоростными картезианскими или дельта-роботами, которые могут точно позиционировать захват, позволяя ему надуваться параллельно движению. Например, исследователи из Института Висса Гарварда продемонстрировали мягкий захват, который закрывается менее чем за 50 мс, используя вакуум для втягивания пальцев во время подхода.