李玉龍，郝 龍，田軍亮

（蘭考三農(nóng)職業(yè)學(xué)院，475300，河南開封）

1 引言

《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》明確提出，提升農(nóng)業(yè)裝備自主創(chuàng)新能力，鼓勵智慧化農(nóng)機裝備的研究制造[1]。國家層面出臺一系列政策扶持智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展,支持將機器人、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進的機電技術(shù)應(yīng)于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，裝備現(xiàn)代農(nóng)業(yè)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完善智慧化、信息化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)體系。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平顯著提高，對生活品質(zhì)提出更高要求，對物質(zhì)的需求逐漸呈現(xiàn)小批量、多元化趨勢。以果蔬分選產(chǎn)業(yè)為例，隨著社區(qū)團購、網(wǎng)絡(luò)直播帶貨等電子商務(wù)企業(yè)的市場下沉，大中型果蔬分選中心的建設(shè)如火如荼，果蔬配送中心需要分選的果蔬種類和數(shù)量日益劇增，增加了果蔬分選作業(yè)的任務(wù)量和難度。為解決上述問題，果蔬分選設(shè)備在一定程度上替代人工重復(fù)性的枯燥工作，有效提升分選效率。目前主流分選設(shè)備僅適用于單一果蔬品種或單一指標(biāo)，設(shè)備閑置率高、準(zhǔn)確率低。

本項目研制一種適用于多指標(biāo)分選訓(xùn)練的分揀模塊，在果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺視覺數(shù)據(jù)、重量指標(biāo)等參數(shù)采集分析基礎(chǔ)上，對不同品級果蔬進行分選。以西門子S7-1200 PLC 作為主控單元，結(jié)合伺服滑臺、傳感器、編碼器、觸摸屏等研制分揀模塊，實現(xiàn)分揀模塊的自動化、智能化。

2 分揀模塊的比較與分析

果蔬分選設(shè)備通常采用某一指標(biāo)進行設(shè)計：如依據(jù)果蔬顏色、病害等外觀指標(biāo)進行分選的外觀分揀機；依據(jù)果蔬糖度、酸度等內(nèi)部品質(zhì)參數(shù)的內(nèi)部質(zhì)量分選機；依據(jù)果蔬重量、尺寸分別設(shè)計的重量分揀機和大小分選機[2]。

隨著機械電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種分選機在技術(shù)上均有所提高，尤其是機器視覺技術(shù)的應(yīng)用，讓果蔬分選設(shè)備跨越到新的時代。

2.1 大小分選法

根據(jù)果蔬尺寸進行分選，所采用的分選方式有滾筒式、篩子式和回轉(zhuǎn)帶式等。

滾筒式分選是將一定數(shù)量的等直徑滾筒有序排列，每個滾筒上設(shè)不同孔徑的篩孔，按照篩孔直徑從小到大排列。小于篩孔的果蔬從首個滾筒的篩孔落下，大于篩孔的果蔬向前運動，直到遇到相應(yīng)直徑的篩孔落下。采用該方式的設(shè)備易于生產(chǎn)、分選速度快、果蔬損傷小，但只能應(yīng)用于近似球形的果蔬分選。

振動篩分選是將多層篩面以一定高度差有序排列，每層篩面上設(shè)一定孔徑的篩孔，通過振動方式使果蔬運動至卸料倉位置。小于上層篩孔的果蔬落到下層篩面，從而得到不同大小的果蔬。該分選方式果蔬易受損傷，不宜采用。

回轉(zhuǎn)帶分選是將兩條分離帶以人字形排列，隨著果蔬的運動分離帶間距增加，若果蔬直徑小于兩帶間的間隔則從傳送帶上落下。該形式結(jié)構(gòu)簡單、故障率低，但果蔬分選精度不高。

2.2 稱重分選法

稱重分選機是按照果蔬重量進行分選的。應(yīng)用稱重原理進行分選的方法有機械稱重法、電子稱重法。

機械稱重式分選機采用杠桿原理，杠桿的兩端分別是砝碼和果蔬托盤，砝碼下面設(shè)有支撐裝置，確保杠桿水平，當(dāng)果蔬托盤運行過程中砝碼的重量、位置所產(chǎn)生的力矩小于托盤內(nèi)果蔬力矩時，杠桿傾斜使托盤內(nèi)果蔬完成卸料動作。

電子稱重式分選機通過稱重傳感器采集果蔬的重量信息，依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對所采集數(shù)據(jù)進行處理，將果蔬分成不同等級，通過分揀模塊卸料機構(gòu)完成果蔬卸料動作。該方式可根據(jù)不同品類果蔬的重量等級標(biāo)準(zhǔn)快速調(diào)整分級規(guī)格，但僅適用于重量這單一指標(biāo)，應(yīng)用范圍有限。

2.3 分揀機器人

按照分揀機器人結(jié)構(gòu)，可將機器人分為串聯(lián)、并聯(lián)兩種，串聯(lián)機器人有垂直關(guān)節(jié)、水平關(guān)節(jié)兩種類型。

垂直關(guān)節(jié)機器人由垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸、帶動小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸及小臂前端的手腕等構(gòu)成，其動作空間近似球體，可解析最優(yōu)姿態(tài)，完成果蔬的分揀。缺點是價位高，速度相對于水平關(guān)節(jié)機器人稍慢。

水平關(guān)節(jié)機器人具有串聯(lián)配置的兩個能夠在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的手臂。自由度可依據(jù)用途選擇3～5 個，動作空間為圓柱體。優(yōu)點是垂直方向上剛度好、動作響應(yīng)快、果蔬分揀效率高。

并聯(lián)機器人由多個連續(xù)的鏈狀結(jié)構(gòu)共同支持同一個終端裝置，常用于精密零件的分揀與裝配。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力好、速度高，缺點是工作范圍小。

2.4 各種分選設(shè)備特點的綜合分析

綜合各種分選設(shè)備特點：大小分選法對果蔬形狀的要求近似圓形，且分選精度低、果蔬易受損傷；稱重分選法分揀機構(gòu)僅適用于重量指標(biāo)，不能滿足果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺多指標(biāo)參數(shù)訓(xùn)練需求；工業(yè)機器人作為分揀機構(gòu)可滿足各種分選指標(biāo)的訓(xùn)練需求，但價格高。經(jīng)綜合分析，上述方法均不能完全滿足果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的需求，需研制一種經(jīng)濟性好的新型分揀模塊配套果蔬分選專家系統(tǒng)平臺。

3 分揀模塊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 為智能果蔬分選訓(xùn)練平臺的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其工作流程如下：將果蔬托盤安裝至輸送鏈條，鏈條在電動機驅(qū)動下帶動果蔬托盤循環(huán)運動；無序排列的果蔬經(jīng)果蔬上料裝置和果蔬分離裝置后有序排列，并將果蔬裝載到每個托盤；當(dāng)裝有果蔬的托盤運動到稱重傳感器位置時，采集果蔬的重量數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)竭_攝像頭位置時，采集果蔬的圖像信息[3]；將攝像頭所采集的圖片信息、稱重傳感器所采集的重量數(shù)據(jù)等傳送至分揀模塊，對所接收的信息進行綜合分析，判定果蔬等級；當(dāng)帶有等級信息的果蔬托盤運動到輸送機構(gòu)末端、分揀模塊檢測到托盤到位后，分選手在伺服滑臺的控制下快速運動到相應(yīng)等級料倉位置，隨后果蔬便落到如圖2 所示的PU 鋼絲軟管，通過PU 鋼絲軟管到達相應(yīng)等級的料倉，完成果蔬的品級分揀[4]。

圖1 智能果蔬分選訓(xùn)練平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 PU 鋼絲軟管

3.1 分揀模塊的支架設(shè)計

果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺分揀模塊支架的作用：為伺服滑臺及其他附屬裝置提供安裝結(jié)構(gòu)和支撐。初步設(shè)計支架的尺寸為長800 mm、寬800 mm、高1 000 mm。當(dāng)上料裝置、分離裝置及輸送系統(tǒng)安裝完成后，依據(jù)果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的整體布局將分揀模塊布置到適當(dāng)位置，根據(jù)輸送裝置的高度調(diào)整支架的支撐腳，把分揀模塊高度調(diào)至適當(dāng)位置，將果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺輸送系統(tǒng)與分揀系統(tǒng)組合裝調(diào)到一起。

圖3 為智能果蔬分選訓(xùn)練平臺的支架結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)和強度要求，機架選用40×40W×R4.5 的鋁型材，用內(nèi)置連接件將鋁型材連接起來。通過托板螺釘將導(dǎo)向漏斗固定板安裝到支架上端；同時在支架上端安裝伺服滑臺，分選手用內(nèi)六角螺釘固定到伺服滑臺末端。

圖3 分揀模塊支架結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 滑臺模組的選型與設(shè)計

3.2.1 分揀模塊設(shè)計思路

設(shè)計十字形滑臺組合結(jié)構(gòu)，建立分揀模塊三維模型。PU 鋼絲軟管一端與輸送機構(gòu)末端連接，另一端與滑臺模塊分選手相連。支架平面上布置漏斗用于果蔬運動導(dǎo)向，使果蔬到達對應(yīng)等級的料倉位置。通過分揀模塊三維模型，驗證伺服滑臺是否滿足功能要求，若滿足則研究伺服滑臺行程、運行速度對分揀模塊性能的影響，通過對關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整使分揀模塊能夠高速、準(zhǔn)確地完成分揀動作。

3.2.2 分揀模塊的設(shè)計過程

根據(jù)蘋果、蘿卜等常見果蔬形狀、大小和分類等級，擬定分揀模塊的最多分選等級為9 級。設(shè)計分選手的孔徑為150 mm，分選漏斗的上端最大處直徑為180 mm，下端最小處孔徑為150 mm，卸料倉布置為3×3 的矩陣形式，分選漏斗最大直徑外緣保持10 mm的間距，安裝分選漏斗的支架板設(shè)計尺寸為800 mm×790 mm。

為滿足分選需求，分揀模塊所用滑臺行程至少為750 mm。伺服滑臺起到導(dǎo)向作用，選型過程中重點考慮行程和速度調(diào)整范圍。查閱產(chǎn)品選型手冊，選用FBL60 型同步帶直線模組，為全封閉式結(jié)構(gòu)，本體寬度60 mm，具有噪音低、輕量化、剛性高等特點，定制活動范圍為780 mm，滿足至少行程750 mm 的應(yīng)用需求。分揀模塊的整體效果如圖4 所示。

圖4 分揀模塊整體效果示意圖

4 分揀模塊數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 分揀模塊數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

基于西門子S7-1200 PLC 設(shè)計果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括軟硬件兩部分，軟件部分是核心。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于稱重傳感器所采集的重量信息和視覺系統(tǒng)所采集的果形、病蟲害、色澤等信息，通過以太網(wǎng)傳輸方式傳送至分揀模塊，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)判定果蔬等級?；跇?biāo)準(zhǔn)化、信息化、模塊化設(shè)計思想及開放式結(jié)構(gòu)策略，擬定如圖5 所示的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 分揀模塊數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制方案

果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的輸送模塊安裝稱重傳感器，通過變送器將采集的重量數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)通信方式傳遞到PLC 控制器，視覺系統(tǒng)采集果形、顏色、病害等信息。通過人機界面（HMI）設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)，根據(jù)國家果蔬等級標(biāo)準(zhǔn)，對重量和視覺系統(tǒng)所采集到的指標(biāo)參數(shù)進行加權(quán)處理，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所設(shè)定的權(quán)重計算果蔬品級分值。在程序設(shè)計過程中采用多分支條件語句，完成復(fù)雜的邏輯判定。通過條件公式節(jié)點，確定滿足多分支語句的相應(yīng)條件，判定果蔬等級。等級判別程序節(jié)選如圖6 所示。

圖6 果蔬等級判定程序節(jié)選

分揀模塊與西門子S7-1200 PLC 通過TCP/IP 協(xié)議進行信息交互。當(dāng)完成等級判定的果蔬從傳送帶即將到達物料分揀模塊的位置時，PLC 控制分揀模塊伺服滑臺動作驅(qū)動分選手運動至卸料倉。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可通過HMI 觸摸屏對系統(tǒng)參數(shù)進行操作，常用功能也可通過所布置的外部按鈕進行快捷操作。設(shè)備的運行狀態(tài)信息通過觸摸屏、外部狀態(tài)指示燈或者擴展的外部顯示器進行顯示。

4.3 分揀模塊人機交互系統(tǒng)設(shè)計

4.3.1 分揀模塊人機交互的設(shè)計原則

果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的分揀模塊人機交互界面設(shè)計遵循如下原則：①掌握設(shè)備使用人員特征，調(diào)研用戶需求；②根據(jù)果蔬分揀流程處理事件的訪問查看優(yōu)先級、分揀過程工藝參數(shù)設(shè)定順序等設(shè)計系統(tǒng)管理員和操作員的人機交互界面；③提高交互界面的易操作性和友好性，根據(jù)用戶需求對設(shè)備的操作功能進行分區(qū)，操作過程中進行信息提示或設(shè)置下拉選擇框[5]；④人機交互界面背景色及操作按鈕的色調(diào)設(shè)計簡明，使用戶感到賞心悅目又不分散注意力；⑤通過大小框的用戶界面（UI）設(shè)計布局設(shè)計人機交互界面的主次菜單。

4.3.2 HMI 操作面板的設(shè)計

昆侖通泰McgsPro 組態(tài)軟件的圖形化顯示控件豐富，功能強大。通過實時曲線控件的使用，以圖表的方式實時顯示果蔬的等級變化，同時應(yīng)用趨勢圖實時顯示果蔬各品級的數(shù)量變化趨勢及每批果蔬各品級百分比[6]。

果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)人機交互界面包括用戶登錄界面、系統(tǒng)操作界面和在線監(jiān)控畫面，分別如圖7、圖8 和圖9 所示，系統(tǒng)操作界面包括運行參數(shù)設(shè)置區(qū)、分揀參數(shù)設(shè)置區(qū)、運行操作區(qū)，在線監(jiān)控畫面包括實時果蔬品級信息和同一批次各品級的百分比顯示。

圖7 登錄界面

圖8 系統(tǒng)操作界面

圖9 果蔬等級顯示區(qū)

（1）登錄界面。登錄界面由輸入控件、標(biāo)簽、標(biāo)準(zhǔn)按鈕等構(gòu)成，設(shè)有系統(tǒng)管理員和操作員兩種權(quán)限，相應(yīng)權(quán)限的用戶輸入正確的用戶名和密碼方可進入相應(yīng)操作權(quán)限的系統(tǒng)操作界面，確保參數(shù)設(shè)置正確、設(shè)備運行正常，保障分揀模塊使用。

（2）設(shè)備運行操作區(qū)。如圖10 所示，設(shè)備運行操作區(qū)有啟動按鈕、停止按鈕和退出系統(tǒng)組成，控制分揀模塊與聯(lián)動設(shè)備的啟動運行和停止及退出程序，在調(diào)試模式下可以在線設(shè)定分揀速度[7]。

圖10 系統(tǒng)控制區(qū)

（3）在線監(jiān)控顯示畫面。如圖9 所示，在線監(jiān)控顯示區(qū)由果蔬等級信息、各品級百分比顯示組成。運行指示燈顯示程序的運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實時顯示當(dāng)前正在分揀的果蔬等級信息，各品級百分比顯示該批次果蔬品級分布狀態(tài)。

5 結(jié)語

果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的分揀模塊從結(jié)構(gòu)設(shè)計到系統(tǒng)構(gòu)建借鑒其他各種果蔬分選設(shè)備的優(yōu)點，有效提高分揀模塊生產(chǎn)和管理的智能化水平，降低分揀模塊分揀的錯誤率和設(shè)備故障率，提高分揀準(zhǔn)確度和生產(chǎn)效率[8]。

該分揀模塊能夠連續(xù)、高速、大批量地應(yīng)用于不同品種、不同果蔬參數(shù)指標(biāo)的分選。實驗表明，該分揀模塊可以滿足智能果蔬分選專家系統(tǒng)訓(xùn)練平臺的專家系統(tǒng)訓(xùn)練需求，豐富分選設(shè)備的專家數(shù)據(jù)庫，對改善果蔬分選設(shè)備的軟件系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟意義。