楊 帆

（杭州康奮威科技股份有限公司，杭州 310052）

食品留樣是指加工性食品在供餐前取一定質(zhì)量的樣品按照規(guī)定時間保存和備查，以此作為餐廳食堂出現(xiàn)食源性安全事故時快速追溯事故起因的依據(jù)[1-2]?，F(xiàn)在國外食品安全監(jiān)管最為嚴格的德國不僅有完善的相關(guān)法律法規(guī)，同時還具備健全的監(jiān)管管理機制，并由政府相關(guān)部門管理分級負責(zé)，政府監(jiān)管和企業(yè)自律相結(jié)合，而且消費者也能積極參與監(jiān)管。他們在食品安全追溯制度上建立了嚴格的市場準入制度，同時建立了完善的標(biāo)準，從食品采購到生產(chǎn)、加工、倉儲、運輸和銷售的各個環(huán)節(jié)都處于監(jiān)控之下，各種信息都公開透明且記錄在案，一旦出現(xiàn)問題可及時追溯根源所在。為了保證整個體系能夠有效實施，德國政府在每個邦設(shè)有2～3個化驗室，各邦平均每年抽驗的食品項目大約有40萬項。

在國內(nèi)，很多中小學(xué)以及企事業(yè)單位都已經(jīng)按照食品留樣規(guī)程進行食品留樣，但目前的食品留樣設(shè)備還非常簡單，比較規(guī)范的做法一般把留樣食品鎖在冰柜里，并有專人管理，同時安裝視頻監(jiān)控裝置。但是，食品的留樣信息，如食品留樣名稱、食品留樣時間、食品留樣保存溫度等信息都無法實時上傳至互聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致無法進行有效的監(jiān)管和數(shù)據(jù)存儲。另外，也存在留樣保存期內(nèi)易受人為破壞和替換的可能性。因此，為了對食品留樣過程進行有效的監(jiān)管，加強食品安全與可追溯性，需要一款嚴格按照食品留樣規(guī)程進行設(shè)計的食品留樣設(shè)備，并通過現(xiàn)代技術(shù)手段采集留樣過程的各項信息，再通過互聯(lián)網(wǎng)進行有效的智慧監(jiān)管。

1 總體規(guī)劃設(shè)計

通過對國內(nèi)食品留樣規(guī)程和食品留樣過程進行調(diào)研，根據(jù)食品留樣容器和食品留樣冷藏環(huán)境要求，以及食品留樣存取過程、操作方法、人員操作習(xí)慣等，對食品留樣存儲的安全問題、食品留樣取樣與取證數(shù)據(jù)提取需求、留樣數(shù)據(jù)內(nèi)容與采集信息、人機交互功能以及未來留樣數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管需求等進行整理；并基于人因論設(shè)計思維、過程設(shè)計思維、環(huán)境生態(tài)論設(shè)計思維等[3]，運用人機交互與人機工程學(xué)對留樣操作流程進行規(guī)劃設(shè)計和功能求解設(shè)計。為了滿足食品留樣的各項功能，按需要設(shè)計了自動控溫的冷藏系統(tǒng)、食品留樣倉儲系統(tǒng)、食品留樣智能搬運機器人、感知和控制系統(tǒng)以及人機交互等幾個功能模塊，其工作過程見圖1。

圖1 智能留樣機器人工作過程

2 機電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 冷藏系統(tǒng)與食品留樣細菌隔離設(shè)計

根據(jù)0～10 ℃留樣冷藏溫度要求以及內(nèi)部體積要求，采用工業(yè)冰箱為冷藏系統(tǒng)主體，該系統(tǒng)具備自動控溫功能和自動除霜功能，溫度控制范圍在±2 ℃，并能長期保持在0～4 ℃的工作環(huán)境[4]。食品留樣時，要使食品留樣冷藏48 h以上，以抑制細菌大量繁殖。為避免食品留樣不與留樣機器人結(jié)構(gòu)和空氣發(fā)生直接接觸，采用密閉的食品級材質(zhì)留樣盒作為食品留樣存儲載體，見圖2。

圖2 留樣盒和留樣盒托盤

2.2 存儲立體庫設(shè)計

為保證餐飲單位正常食品留樣作業(yè)，根據(jù)冷藏系統(tǒng)內(nèi)部空間，采用整體框架疊層托盤式庫體結(jié)構(gòu)，以增加食品留樣容量。庫體結(jié)構(gòu)為適應(yīng)冷藏系統(tǒng)內(nèi)部低溫高濕的環(huán)境，采用不銹鋼與鋁合金為主體結(jié)構(gòu)材料。

庫體結(jié)構(gòu)以輕量化的C形梁為主體結(jié)構(gòu)件，組成桁架形式倉位結(jié)構(gòu)和機械手支撐結(jié)構(gòu)。因為C形梁四邊的折邊為結(jié)構(gòu)受力處，且折邊與折邊沒有連接，其受力形式相當(dāng)于懸臂梁受力，容易產(chǎn)生晃動和水平位移，所以嚴重影響了整個桁架的形式倉位結(jié)構(gòu)、機械手的支撐結(jié)構(gòu)強度和運行穩(wěn)定性。為此采用了焊接補強措施，以增加C形梁四邊折邊處的連接強度、鈑金結(jié)構(gòu)支撐強度和承受機械手運行慣性沖擊力的能力。同時，采用力學(xué)疊加原理，充分利用工業(yè)冰箱整體強度，使機械手支架和立體存儲架結(jié)構(gòu)得到很好的支撐，以增加設(shè)備運輸過程中的可靠性。

為確保食品留樣安全，避免人為因素的影響，庫體結(jié)構(gòu)采用機械隔離結(jié)構(gòu)，以隔離庫存食品留樣區(qū)域與操作人員操作區(qū)域。但考慮到設(shè)備維護的需要，設(shè)置了傳感器可檢測與識別的維護通道與空間，以方便人員對設(shè)備進行維護。食品留樣在庫存食品留樣區(qū)與操作人員操作區(qū)域的輸送過程需要以托盤為載體裝載留樣食品，并由人工放入留樣區(qū)，通過傳感器自動識別托盤位置，控制系統(tǒng)調(diào)動機械手插取和存放托盤，完成兩個區(qū)域間的輸送。由于人工放入托盤會存在位置不準確以及超出機械手安全承載區(qū)域的問題，在機械手運行時會出現(xiàn)機械干涉與撞擊現(xiàn)象，從而損壞機械結(jié)構(gòu)和智能留樣機器人，影響正常食品留樣作業(yè)。為此采用機械導(dǎo)向定位，同時采用多傳感器識別托盤空間位置信息，以保證托盤位置準確，避免機械手工作過程中出現(xiàn)機械干涉和撞擊現(xiàn)象。但在實際使用中，可能還會出現(xiàn)因外部撞擊而造成的托盤位移或人工手動操作時誤操作而產(chǎn)生的撞擊，為此在機械結(jié)構(gòu)上設(shè)計了托盤插取模組過載脫落結(jié)構(gòu)，避免撞擊時產(chǎn)生機械結(jié)構(gòu)塑性變形和結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象。在出現(xiàn)撞擊故障后，只需維修人員確認結(jié)構(gòu)沒有損壞和結(jié)構(gòu)位移，重新安裝并重啟智能留樣機器人，簡單測試后便可投入使用。

由于工業(yè)冰箱內(nèi)部空間有限，但卻需要裝載整個桁架形式倉儲結(jié)構(gòu)和機械手支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計過程采用緊湊性設(shè)計。為了保證機械手在工業(yè)冰箱中3個軸向自由度的運動，并盡量增加運動行程，以便增加存儲空間，同時為增加人工觀測留樣狀況，需要使桁架形式倉儲結(jié)構(gòu)位于工業(yè)冰箱外側(cè)，而工業(yè)冰箱內(nèi)側(cè)則作為機械手的運動空間。另外，為保證機械手運動過程不與桁架形式倉儲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象，在兩個區(qū)域間設(shè)置了隔離空間，從而在考慮桁架形式倉儲結(jié)構(gòu)誤差和機械手運動區(qū)域誤差的前提下盡量縮小隔離空間尺寸，以節(jié)約工業(yè)冰箱內(nèi)部空間。

采用合理的食品留樣出入口結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過一系列操作流程、操作動作以及人機界面優(yōu)化設(shè)計，使日常留樣操作變得非常簡單，無需開鎖、輸入密碼、操作觸摸屏、尋找存儲位置和食品留樣等煩瑣過程，只需開門放入食品留樣托盤即可。

2.3 存儲機械手設(shè)計

根據(jù)內(nèi)部空間約束和存取方式，智能留樣機器人運動軌跡設(shè)計可以分為路徑規(guī)劃（空間）設(shè)計和軌跡規(guī)劃（時間）設(shè)計。軌跡規(guī)劃是對路徑賦予時間信息，從而使機械手能夠沿給定路徑運動，并選擇適合的控制算法和參數(shù)，形成實時的位移、速度和加速度等確定路徑，從而實現(xiàn)平穩(wěn)準確的運動[5-6]。依據(jù)規(guī)劃運動路徑和軌跡設(shè)計、空間大小、成本約束等條件[2]，本結(jié)構(gòu)采用三軸直線坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 存儲機械手

為驅(qū)動3軸機械手運動，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動特性以及成本等約束條件，本設(shè)計采用閉環(huán)步進電機驅(qū)動和結(jié)構(gòu)緊湊的齒輪齒條傳動設(shè)計。為提高電機動態(tài)性能，減小結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量，并盡量提高庫容量，機械手結(jié)構(gòu)采用輕量化的箱形梁或C形梁形式的不銹鋼鈑金和鋁合金結(jié)構(gòu)，并運用優(yōu)化強度結(jié)構(gòu)設(shè)計和冷作硬化、受力點補強焊接等處理方法提升各零部件的結(jié)構(gòu)強度。

為了保證機械手各軸可靠運行，在動力電纜和信號電纜布線設(shè)計時，考慮到維修方便性，采用了對接接頭和端子連接電纜，并將接線點盡量布置在維修面易于操作的位置，同時采用防水、防濕和防結(jié)冰處理，提高運行可靠性。

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)各層級設(shè)計

智能食品留樣機器人的控制系統(tǒng)是基于分級智能控制原理，由3個控制級組成的系統(tǒng)。第一級是決策級（上位機），是本系統(tǒng)中優(yōu)先級別最高的控制級，負責(zé)最優(yōu)決策的功能。操作員通過人機界面上的參數(shù)和輸入指令完成控制功能，并以此監(jiān)視和引導(dǎo)實時控制級和執(zhí)行驅(qū)動級的所有行為，顯示反饋系統(tǒng)的各項故障報警信息和操作信息，然后通過故障診斷程序判斷故障信息和操作的正確性，以給出操作指導(dǎo)信息。該控制級的控制功能由基于ARM控制芯片[7]和其他電子元件及通信接口所組成的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）控制板承擔(dān)，其控制程序需要在基于Linux系統(tǒng)的程序控制軟件中完成各項設(shè)定功能。第二級為實時控制級（下位機），主要功能為接收通信接口中由決策級下達的指令，通過脈沖信號和動力通斷協(xié)調(diào)指揮執(zhí)行元件及各子系統(tǒng)工作，同時采集各個傳感器傳回的設(shè)備狀態(tài)信息，并經(jīng)過通信接口上傳至決策級。該系統(tǒng)的控制功能由基于ARM控制芯片和其他電子元件及通信接口所組成的PCB控制板承擔(dān)，其控制程序需要在基于Linux系統(tǒng)的程序控制軟件中完成各項設(shè)定功能，以確保智能留樣機器人的各項工藝動作可靠實施。第三級為執(zhí)行驅(qū)動級，能夠按上位機給定的任務(wù)通過下位機的脈沖信號和動力通斷信號將各個指令位置、加速度、速度以及打開閉合信號等形式轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的動作，從而直接對執(zhí)行機構(gòu)（如閉環(huán)式步進電機等）進行控制，并通過電機自帶編碼器檢測電機軸的角度信息來不斷修正位置、速度和加速度等參數(shù)，從而按照留樣機械手路徑規(guī)劃完成各項程序動作[8]。

3.2 基于Linux系統(tǒng)的人機交互界面設(shè)計

研究食品留樣的實際過程、人因論設(shè)計思維和交互設(shè)計原理來設(shè)計人機交互內(nèi)容和操作過程，需要同時確定各個功能模塊的顯示界面和相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)不同層次操作人員的使用權(quán)限，確定操作界面功能和顯示內(nèi)容，以減少客戶操作時間和操作難度，為客戶使用提供良好的體驗感。

3.3 基于Andriod系統(tǒng)的移動終端設(shè)備App設(shè)計

基于ARM嵌入式Linux系統(tǒng)的上位機控制板，通過WIFI與以太網(wǎng)采用Get/Post的方式向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，實現(xiàn)移動終端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸[9]，并在基于移動客戶端的Andriod系統(tǒng)App程序上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，然后由App程序通過用戶權(quán)限提供所需數(shù)據(jù)。App程序采用Andriod studio開發(fā)，能夠使用Andriod控件設(shè)計App UI界面，并采用Andriod布局策略構(gòu)建用戶界面[10]，以適應(yīng)不同移動終端屏幕尺寸顯示界面。

3.4 人工智能與故障專家診斷系統(tǒng)

為了降低設(shè)備售后與維護成本，提高故障的處理速度和操作人員良好的體驗感，在積累大量用戶現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)和售后故障處理方法的基礎(chǔ)上，對故障原因、故障狀態(tài)以及故障分析處理過程進行研究和梳理，建立了故障處理樹狀知識庫結(jié)構(gòu)，由其組成的專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警信息和人員操作信息等，運用故障判斷推理機制軟件算法進行故障判斷和自動處理，對于需要人工干預(yù)和確認的故障系統(tǒng)會自動形成和顯示人員操作提示，使現(xiàn)場人員能夠通過遠程人工判斷分析的方式控制設(shè)備運行相關(guān)處理程序，從而快速處理故障問題[6]。

圖4 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3.5 智能食品留樣調(diào)度系統(tǒng)

為了保證食品留樣嚴格按照規(guī)定的存儲規(guī)范保存48 h或更長的保存時間，同時能夠采集存儲留樣數(shù)據(jù)和操作人員信息，本智能留樣機器人具備智能食品留樣調(diào)度系統(tǒng)，以確保食品留樣能夠自動通過3軸食品留樣存取機械手進入相應(yīng)的立體庫倉位，并在保存48 h后才能夠被3軸食品留樣存取機械手自動提取出來。同時，智能食品留樣調(diào)度系統(tǒng)將自動記錄食品留樣的入倉時間和倉位，從而自動計算剩余留樣時間，并將其上傳至顯示屏和互聯(lián)網(wǎng)，以便主管部門隨時監(jiān)管使用單位的食品留樣情況。智能食品留樣調(diào)度系統(tǒng)還能通過密碼或識別事先設(shè)置的食品安全管理人員的指紋，提取留樣人員的身份、留樣信息以及時間等并記錄，從而方便上級主管部門獲知和監(jiān)督食品留樣提取信息。

4 結(jié)語

智能留樣機器人是針對食品留樣智能網(wǎng)絡(luò)化管理而設(shè)計的，可以應(yīng)用在企業(yè)、政府機關(guān)、學(xué)校等人員聚集地區(qū)的餐飲食品留樣規(guī)范性管理，其留樣時間記錄、存儲溫度、取樣記錄、食品安全性以及可追溯性明顯優(yōu)于老式留樣柜，且具備互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)化管理，具有非常廣泛的應(yīng)用價值。