基于多維度識別的瓜類分揀機設(shè)計

關(guān)運升，范振宇，薛佳輝

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

現(xiàn)階段市面上的絕大部分水果選果機，僅僅是以水果的重量作為分級標(biāo)準(zhǔn)，檢測指標(biāo)單一，所能完成的只是重量分級的問題，而本文所設(shè)計的瓜類品質(zhì)識別分揀機可以實現(xiàn)對瓜的瓜形、色澤、大小、網(wǎng)紋、缺陷進行多維度檢測識別與分揀?？梢哉f，這從根本上解決了目前市場上瓜類分揀后品質(zhì)仍是參差不齊的問題。

1 瓜類分揀機總體設(shè)計

以甜瓜分揀作為樣例進行分析設(shè)計，瓜類品質(zhì)識別分揀機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瓜類品質(zhì)識別分揀機總體結(jié)構(gòu)

該設(shè)備由進料機構(gòu)、傳送機構(gòu)、檢測機構(gòu)、分料機構(gòu)和出料機構(gòu)五大部分組成。整個機械設(shè)備為流水線型結(jié)構(gòu)，框架主體采用Q235噴塑和硬質(zhì)塑料拼接。工作時，將甜瓜送入進料口后，經(jīng)過傳送機構(gòu)傳送到檢測機構(gòu)進行品質(zhì)檢測，將甜瓜分為精品、普通、劣等三個等級，檢測機構(gòu)將數(shù)據(jù)傳入PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制兩個氣缸，依次把精品瓜和普通瓜分別推入對應(yīng)的分揀通道，并同時完成精品瓜和普通瓜標(biāo)簽的粘貼[1-3]。

2 瓜類分揀機理

2.1 大小檢測

對于瓜的大小檢測，以甜瓜為例進行說明。首先對采集的圖像進行處理，尋找邊緣輪廓，得到最優(yōu)擬合橢圓；然后利用橫徑實際長度與橫徑像素點之比確定一個參數(shù)S，計算出甜瓜實際面積特征和擬合橢圓面積特征；最后輸入甜瓜實際長度,即可通過參數(shù)S計算出其實際面積，完成大小檢測。

2.2 紋理檢測

甜瓜、西瓜和哈密瓜等葫蘆科的瓜類表面具有網(wǎng)絡(luò)紋路，其表面紋理面積占全瓜表面積的比例代表著瓜的紋理等級。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，瓜的紋理等級是決定瓜類品質(zhì)最重要的因素之一。所以，通過對采集的瓜的圖像進行處理，以紋理特征像素點數(shù)目與二值化像素點數(shù)目的比例大小為依據(jù)來確定瓜的等級。

2.3 缺陷檢測

對于包含霉菌、曬傷、裂紋的缺陷檢測，利用深度學(xué)習(xí)框架建立一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用圖像處理與深度學(xué)習(xí)算法對瓜的外部缺陷進行檢測分類，利用主成分分析、奇異值分解和閾值分割等方法強化缺陷特征，分別對不同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)和特征強化后數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。最后逐一比對訓(xùn)練結(jié)果的準(zhǔn)確率，從而確定缺陷檢測的最優(yōu)模型[4]。

3 各裝置設(shè)計

3.1 進料機構(gòu)設(shè)計

該機構(gòu)主要由機座和“Y”型進料口組成。進料機構(gòu)與水平面存在一個30°左右的坡度，當(dāng)甜瓜被放置在進料機構(gòu)上時，在自身重力的作用下會以一個較為平穩(wěn)的速度滾入傳送機構(gòu)，隨著進料口收窄，最后一次只能通過一個甜瓜[5]。

3.2 傳送機構(gòu)設(shè)計

該機構(gòu)由普通傳送帶作為輸送載體，以調(diào)速電機作為動力源，配備普通Ⅴ型帶及帶輪，作為動力輸出首級傳動裝置，由從動輪連接同步帶輪控制二級傳動比，保證輸送裝置平穩(wěn)運行?？紤]到對瓜的保護，故傳送帶與瓜接觸表面采用橡膠來減少磕碰。

3.3 檢測機構(gòu)設(shè)計

檢測機構(gòu)主要由工業(yè)攝像頭和耐磨陶瓷滾筒輸送部分組成，如圖2所示。

圖2 檢測機構(gòu)

滾筒設(shè)計成中間細兩端粗的特殊筒狀，可以很好地貼合甜瓜的外部輪廓，而耐磨陶瓷的材質(zhì)則可以實現(xiàn)瓜通過工業(yè)攝像頭下方時保持連續(xù)轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。通過測定瓜翻轉(zhuǎn)一周所用時間，設(shè)置攝像頭的采集圖像信息的間隔，就保證了對瓜進行360°的檢測；將辨別結(jié)果傳輸給PLC，進行品質(zhì)分析識別，從而大大提高了檢測結(jié)果的精確性。

3.4 分料機構(gòu)設(shè)計

該機構(gòu)由薄型氣缸、推桿式貼標(biāo)簽機構(gòu)和感應(yīng)器支架組成，如圖3所示。

圖3 分料機構(gòu)

當(dāng)甜瓜經(jīng)過流水線時，流水線體上的感應(yīng)器會感應(yīng)到檢測機構(gòu)檢測出的精品瓜或者普通瓜，并將信號傳達給分料機構(gòu)，隨后氣缸推出，推桿將甜瓜推到對應(yīng)的分揀線，與此同時推桿中心的貼標(biāo)簽機構(gòu)彈出，將精品瓜或普通瓜的二維碼標(biāo)簽貼在分級后的甜瓜表面。其中推桿與水平面呈15°夾角，頂部選用橡膠材質(zhì)包裹拱形結(jié)構(gòu)推塊，能夠在確保瓜不受外部傷害的同時，以一個略微向上的推力將瓜準(zhǔn)確推至相應(yīng)的傳送分揀線上。

3.5 出料機構(gòu)設(shè)計

該機構(gòu)由智能堆碼小車(見圖4)和特制甜瓜箱組成。

圖4 智能堆碼小車

考慮到實際情況，對于精品瓜的出料，采用了智能堆碼小車。小車由滾輪、車座、車架和托盤四部分組成。托盤以可降解塑料為原料，制有半球形凹槽，托盤顏色與凹槽的數(shù)量可以隨意定制。在瓜到達之前，托盤在小車最頂部。當(dāng)瓜到達時，最下方的托盤下落到與傳送帶同一高度，滾輪帶動小車以蛇形路徑運動，將瓜裝滿托盤，托盤勻速下落到底座，然后頂部托盤下落到傳送帶高度，重復(fù)第一個托盤操作。當(dāng)所有托盤裝滿后，小車自動離開，另一輛小車到來。裝滿甜瓜的托盤可以直接裝入規(guī)格匹配的箱子里，作為精品瓜禮盒出售。

對于普通瓜和劣等瓜的分料，采用了特制甜瓜箱。以底面積約1 m2、高度20 cm的塑料箱為主體，內(nèi)部鋪有一層1 cm厚的多孔海綿，在保護瓜不受磕碰的同時保持一個相對干爽的環(huán)境。

4 結(jié)論

本文對基于多維度識別的瓜類分揀機進行了設(shè)計，以甜瓜為例，對瓜的品質(zhì)進行多維度的鑒別，并同時完成自動化分揀工作，在分類更為準(zhǔn)確的同時還大大減少了人工成本。本設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法還可以經(jīng)過小幅度調(diào)整應(yīng)用到其他與甜瓜類似的瓜類上去。通過精準(zhǔn)檢測分揀后的精品瓜更受消費者的青睞，能帶來更大的經(jīng)濟效益。