果蔬分選專家系統訓練平臺分揀模塊的設計

李玉龍，郝 龍，田軍亮

（蘭考三農職業學院，475300，河南開封）

1 引言

《中共中央 國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》明確提出，提升農業裝備自主創新能力，鼓勵智慧化農機裝備的研究制造[1]。國家層面出臺一系列政策扶持智慧農業發展,支持將機器人、物聯網、人工智能等先進的機電技術應于智慧農業領域，裝備現代農業各關鍵環節，完善智慧化、信息化的現代農業科學技術體系。

隨著經濟的快速發展，人民生活水平顯著提高，對生活品質提出更高要求，對物質的需求逐漸呈現小批量、多元化趨勢。以果蔬分選產業為例，隨著社區團購、網絡直播帶貨等電子商務企業的市場下沉，大中型果蔬分選中心的建設如火如荼，果蔬配送中心需要分選的果蔬種類和數量日益劇增，增加了果蔬分選作業的任務量和難度。為解決上述問題，果蔬分選設備在一定程度上替代人工重復性的枯燥工作，有效提升分選效率。目前主流分選設備僅適用于單一果蔬品種或單一指標，設備閑置率高、準確率低。

本項目研制一種適用于多指標分選訓練的分揀模塊，在果蔬分選專家系統訓練平臺視覺數據、重量指標等參數采集分析基礎上，對不同品級果蔬進行分選。以西門子S7-1200 PLC 作為主控單元，結合伺服滑臺、傳感器、編碼器、觸摸屏等研制分揀模塊，實現分揀模塊的自動化、智能化。

2 分揀模塊的比較與分析

果蔬分選設備通常采用某一指標進行設計：如依據果蔬顏色、病害等外觀指標進行分選的外觀分揀機；依據果蔬糖度、酸度等內部品質參數的內部質量分選機；依據果蔬重量、尺寸分別設計的重量分揀機和大小分選機[2]。

隨著機械電子信息技術的發展，各種分選機在技術上均有所提高，尤其是機器視覺技術的應用，讓果蔬分選設備跨越到新的時代。

2.1 大小分選法

根據果蔬尺寸進行分選，所采用的分選方式有滾筒式、篩子式和回轉帶式等。

滾筒式分選是將一定數量的等直徑滾筒有序排列，每個滾筒上設不同孔徑的篩孔，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，直到遇到相應直徑的篩孔落下。采用該方式的設備易于生產、分選速度快、果蔬損傷小，但只能應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。該形式結構簡單、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，砝碼下面設有支撐裝置，確保杠桿水平，當果蔬托盤運行過程中砝碼的重量、位置所產生的力矩小于托盤內果蔬力矩時，杠桿傾斜使托盤內果蔬完成卸料動作。

電子稱重式分選機通過稱重傳感器采集果蔬的重量信息，依據相關行業標準對所采集數據進行處理，將果蔬分成不同等級，通過分揀模塊卸料機構完成果蔬卸料動作。該方式可根據不同品類果蔬的重量等級標準快速調整分級規格，但僅適用于重量這單一指標，應用范圍有限。

2.3 分揀機器人

按照分揀機器人結構，可將機器人分為串聯、并聯兩種，串聯機器人有垂直關節、水平關節兩種類型。

垂直關節機器人由垂直于地面的腰部旋轉軸、帶動小臂旋轉的肘部旋轉軸及小臂前端的手腕等構成，其動作空間近似球體，可解析最優姿態，完成果蔬的分揀。缺點是價位高，速度相對于水平關節機器人稍慢。

水平關節機器人具有串聯配置的兩個能夠在水平面內旋轉的手臂。自由度可依據用途選擇3～5 個，動作空間為圓柱體。優點是垂直方向上剛度好、動作響應快、果蔬分揀效率高。

并聯機器人由多個連續的鏈狀結構共同支持同一個終端裝置，常用于精密零件的分揀與裝配。優點是結構緊湊、承載能力好、速度高，缺點是工作范圍小。

2.4 各種分選設備特點的綜合分析

綜合各種分選設備特點：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僅適用于重量指標，不能滿足果蔬分選專家系統訓練平臺多指標參數訓練需求；工業機器人作為分揀機構可滿足各種分選指標的訓練需求，但價格高。經綜合分析，上述方法均不能完全滿足果蔬分選專家系統訓練平臺的需求，需研制一種經濟性好的新型分揀模塊配套果蔬分選專家系統平臺。

3 分揀模塊的機械結構設計

圖1 為智能果蔬分選訓練平臺的整體結構示意圖，其工作流程如下：將果蔬托盤安裝至輸送鏈條，鏈條在電動機驅動下帶動果蔬托盤循環運動；無序排列的果蔬經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，采集果蔬的重量數據，當到達攝像頭位置時，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據等傳送至分揀模塊，對所接收的信息進行綜合分析，判定果蔬等級；當帶有等級信息的果蔬托盤運動到輸送機構末端、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 鋼絲軟管到達相應等級的料倉，完成果蔬的品級分揀[4]。

圖1 智能果蔬分選訓練平臺整體結構示意圖

圖2 PU 鋼絲軟管

3.1 分揀模塊的支架設計

果蔬分選專家系統訓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構和支撐。初步設計支架的尺寸為長800 mm、寬800 mm、高1 000 mm。當上料裝置、分離裝置及輸送系統安裝完成后，依據果蔬分選專家系統訓練平臺的整體布局將分揀模塊布置到適當位置，根據輸送裝置的高度調整支架的支撐腳，把分揀模塊高度調至適當位置，將果蔬分選專家系統訓練平臺輸送系統與分揀系統組合裝調到一起。

圖3 為智能果蔬分選訓練平臺的支架結構示意圖，根據結構和強度要求，機架選用40×40W×R4.5 的鋁型材，用內置連接件將鋁型材連接起來。通過托板螺釘將導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，分選手用內六角螺釘固定到伺服滑臺末端。

圖3 分揀模塊支架結構示意圖

3.2 滑臺模組的選型與設計

3.2.1 分揀模塊設計思路

設計十字形滑臺組合結構，建立分揀模塊三維模型。PU 鋼絲軟管一端與輸送機構末端連接，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向，使果蔬到達對應等級的料倉位置。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，通過對關鍵參數的調整使分揀模塊能夠高速、準確地完成分揀動作。

3.2.2 分揀模塊的設計過程

根據蘋果、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。伺服滑臺起到導向作用，選型過程中重點考慮行程和速度調整范圍。查閱產品選型手冊，選用FBL60 型同步帶直線模組，為全封閉式結構，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 分揀模塊數據處理系統的設計

4.1 分揀模塊數據處理系統的設計目標

基于西門子S7-1200 PLC 設計果蔬分選專家系統訓練平臺數據采集分析系統包括軟硬件兩部分，軟件部分是核心。數據處理系統基于稱重傳感器所采集的重量信息和視覺系統所采集的果形、病蟲害、色澤等信息，通過以太網傳輸方式傳送至分揀模塊，數據處理系統判定果蔬等級。基于標準化、信息化、模塊化設計思想及開放式結構策略，擬定如圖5 所示的數據處理系統結構圖。

圖5 數據處理系統結構圖

4.2 分揀模塊數據處理系統控制方案

果蔬分選專家系統訓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據以以太網通信方式傳遞到PLC 控制器，視覺系統采集果形、顏色、病害等信息。通過人機界面（HMI）設置數據采集系統的指標參數，根據國家果蔬等級標準，對重量和視覺系統所采集到的指標參數進行加權處理，通過數據處理系統所設定的權重計算果蔬品級分值。在程序設計過程中采用多分支條件語句，完成復雜的邏輯判定。通過條件公式節點，確定滿足多分支語句的相應條件，判定果蔬等級。等級判別程序節選如圖6 所示。

圖6 果蔬等級判定程序節選

分揀模塊與西門子S7-1200 PLC 通過TCP/IP 協議進行信息交互。當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動分選手運動至卸料倉。

數據處理系統可通過HMI 觸摸屏對系統參數進行操作，常用功能也可通過所布置的外部按鈕進行快捷操作。設備的運行狀態信息通過觸摸屏、外部狀態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設計

4.3.1 分揀模塊人機交互的設計原則

果蔬分選專家系統訓練平臺的分揀模塊人機交互界面設計遵循如下原則：①掌握設備使用人員特征，調研用戶需求；②根據果蔬分揀流程處理事件的訪問查看優先級、分揀過程工藝參數設定順序等設計系統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，根據用戶需求對設備的操作功能進行分區，操作過程中進行信息提示或設置下拉選擇框[5]；④人機交互界面背景色及操作按鈕的色調設計簡明，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）設計布局設計人機交互界面的主次菜單。

4.3.2 HMI 操作面板的設計

昆侖通泰McgsPro 組態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，同時應用趨勢圖實時顯示果蔬各品級的數量變化趨勢及每批果蔬各品級百分比[6]。

果蔬分選專家系統訓練平臺數據處理系統人機交互界面包括用戶登錄界面、系統操作界面和在線監控畫面，分別如圖7、圖8 和圖9 所示，系統操作界面包括運行參數設置區、分揀參數設置區、運行操作區，在線監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 系統操作界面

圖9 果蔬等級顯示區

（1）登錄界面。登錄界面由輸入控件、標簽、標準按鈕等構成，設有系統管理員和操作員兩種權限，相應權限的用戶輸入正確的用戶名和密碼方可進入相應操作權限的系統操作界面，確保參數設置正確、設備運行正常，保障分揀模塊使用。

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

圖10 系統控制區

（3）在線監控顯示畫面。如圖9 所示，在線監控顯示區由果蔬等級信息、各品級百分比顯示組成。運行指示燈顯示程序的運行狀態，數據緩沖區實時顯示當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。

5 結語

果蔬分選專家系統訓練平臺的分揀模塊從結構設計到系統構建借鑒其他各種果蔬分選設備的優點，有效提高分揀模塊生產和管理的智能化水平，降低分揀模塊分揀的錯誤率和設備故障率，提高分揀準確度和生產效率[8]。

該分揀模塊能夠連續、高速、大批量地應用于不同品種、不同果蔬參數指標的分選。實驗表明，該分揀模塊可以滿足智能果蔬分選專家系統訓練平臺的專家系統訓練需求，豐富分選設備的專家數據庫，對改善果蔬分選設備的軟件系統具有重要的經濟意義。