周西福，稅云秀，何 宇，馮柯茹，楊 巖

（重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

重慶市40個(gè)縣中有38個(gè)生產(chǎn)柑橘，其中直接從事柑橘產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后相關(guān)工作的人員達(dá)百余萬(wàn)[1]。針對(duì)這個(gè)背景下，設(shè)計(jì)開發(fā)一款柑橘小型化的分級(jí)裝備，把工廠流水線作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)作業(yè)，減少多次轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)，解決人工分級(jí)不準(zhǔn)確性和分級(jí)作弊等問(wèn)題，同時(shí)在柑橘收獲作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)柑橘果實(shí)的自動(dòng)化和智能化，對(duì)于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本等具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的柑橘小型化分級(jí)裝備主要服務(wù)于果園農(nóng)戶小型化的自動(dòng)化分級(jí)作業(yè)或柑橘采摘機(jī)器人在采摘過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)配合作業(yè)[2]。

1 模塊化劃分

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)方法[3]，對(duì)柑橘小型化分級(jí)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行如圖1所示的模塊劃分，分別為單果排序、翻轉(zhuǎn)識(shí)果及分級(jí)選果模塊。

2 分級(jí)裝備及其工作原理

結(jié)合分級(jí)裝備劃分的三個(gè)模塊單元，運(yùn)用SolidWorks 對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，并完成了各個(gè)模塊的虛擬樣機(jī)裝配。

單果排序模塊由機(jī)架、張緊器、步進(jìn)電機(jī)、肋條、塑料板、傳送帶、鉸鏈合頁(yè)、軸承座等組成，如圖2所示。通過(guò)人工或者采摘機(jī)器人拿放柑橘至單果排序裝置上[5]，在相錯(cuò)非對(duì)稱布置的肋條的引導(dǎo)滾動(dòng)下，到達(dá)斜置傳送帶上。為了盡量降低柑橘堵塞問(wèn)題，在斜置傳送帶的輔助傳送下，可以保證柑橘盡可能有序地進(jìn)入下一個(gè)模塊單元，達(dá)到排果的目的，為翻轉(zhuǎn)識(shí)果作好準(zhǔn)備工作。

圖1 分級(jí)裝備的模塊劃分

翻轉(zhuǎn)識(shí)果模塊由機(jī)架、軸承座、傳動(dòng)軸、鏈輪、張緊器、傳動(dòng)鏈條、翻轉(zhuǎn)輥?zhàn)印⒎D(zhuǎn)圓盤、支撐架枕、齒輪、齒環(huán)、步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器等組成，如圖3所示。對(duì)柑橘個(gè)體而言，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[6,7]的運(yùn)動(dòng)形式有兩種，分別為柑橘的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其翻轉(zhuǎn)工作原理為：步進(jìn)電機(jī)I把動(dòng)力傳遞至傳動(dòng)鏈條I，再傳遞至傳動(dòng)鏈條II，傳動(dòng)鏈條II與翻轉(zhuǎn)輥?zhàn)油ㄟ^(guò)平鍵方式連接，柑橘會(huì)跟隨翻轉(zhuǎn)輥?zhàn)拥穆?lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)II把動(dòng)力傳遞至小齒輪，通過(guò)齒輪傳動(dòng)，動(dòng)力傳遞至齒圈，齒圈通過(guò)平鍵方式與翻轉(zhuǎn)圓盤整體連接，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)柑橘個(gè)體的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 單果排序模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 翻轉(zhuǎn)識(shí)果模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 分級(jí)選果模塊結(jié)構(gòu)示意圖

分級(jí)選果模塊由機(jī)架、傳送帶、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、撥果板和撥果圍欄組成，如圖4所示。根據(jù)《鮮柑橘》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12947-2008[8]把臍橙類柑橘劃分為六個(gè)等級(jí)通道。步進(jìn)電機(jī)I的作用是帶動(dòng)傳送帶；步進(jìn)電機(jī)II的作用是實(shí)現(xiàn)各塊撥果板的開閉功能。通過(guò)對(duì)五個(gè)步進(jìn)電機(jī)II的不同步距角設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同撥果板的開閉組合，完成不同等級(jí)的柑橘進(jìn)入不同的等級(jí)通道的分級(jí)選果任務(wù)。

通過(guò)三維模型的設(shè)計(jì)，繪制加工圖紙，加工制造出各個(gè)功能模塊的零部件，選購(gòu)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件或元器件，進(jìn)行各個(gè)功能模塊的裝配和調(diào)試，完成了分級(jí)裝備的整體樣機(jī)，整機(jī)外形尺寸為：1830mm×710mm×800mm，如圖5所示。

圖5 分級(jí)裝備總體實(shí)物圖

圖6 分級(jí)裝備工作原理

如圖6所示，人工或采摘機(jī)器人把柑橘放置于單果排序模塊中，在單果排序的縱向和橫向滾動(dòng)排列的作用下，逐個(gè)進(jìn)入翻轉(zhuǎn)識(shí)果模塊，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝置對(duì)柑橘進(jìn)行多角度的圖像采集和算法處理，再根據(jù)等級(jí)信息的判斷進(jìn)入到分級(jí)選果模塊相應(yīng)的等級(jí)通道。

3 控制與視覺(jué)系統(tǒng)

3.1 整體系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)分級(jí)裝備的自動(dòng)化和智能化，制定了如圖7所示的整體系統(tǒng)的組成方案，該系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)（CCD相機(jī)）、圖像處理系統(tǒng)（上位機(jī)）、控制系統(tǒng)（STM32）和機(jī)電系統(tǒng)（機(jī)械部分和步進(jìn)電機(jī)）構(gòu)成。

圖7 分級(jí)裝備系統(tǒng)組成

3.2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)分級(jí)裝備可以準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)地完成多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制任務(wù)，控制系統(tǒng)采用基于ARM的32位微處理器STM32[9,10]，型號(hào)為STM32F103ZET6。選用相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電傳感器以及可調(diào)節(jié)電壓的直流開關(guān)電源，搭建出如圖8所示的控制系統(tǒng)平臺(tái)。

圖8 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

整個(gè)分級(jí)裝備的控制系統(tǒng)采用模塊化編程的思想，便于控制系統(tǒng)的后期升級(jí)和調(diào)試[11]。在軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)中選擇仿真性能比較好的Keil-MDK編程平臺(tái)，使用版本為uVision5，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，其控制程序流程圖如圖9所示。

3.3 視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，選用CCD相機(jī)作為柑橘表面圖像信息采集設(shè)備，相機(jī)型號(hào)為MD-U130RC，鏡頭型號(hào)為VM0420MP2，光源為可調(diào)亮度的條形光源。編程所用的開發(fā)環(huán)境是VS2010，圖像處理函數(shù)庫(kù)為HALCON12.0。試驗(yàn)中所采用的計(jì)算機(jī)為HP Pavilion DM4筆記本電腦，處理器為i5-2450M，內(nèi)存為4.00G，獨(dú)立顯卡，系統(tǒng)為Win 10專業(yè)版。

圖9 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

以臍橙為研究對(duì)象，本文采用劉新庭[12]最小外接圓法來(lái)檢測(cè)臍橙的最大果徑，按照張正友標(biāo)定原理[13]確定像素大小和柑橘大小的換算系數(shù)。在翻轉(zhuǎn)識(shí)果模塊的視覺(jué)視圖中進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，如圖10所示，圖片依次展示：原始圖像→感興趣區(qū)域（ROI）的提取→RGB顏色空間三通道分離→固定閾值分割→開閉運(yùn)算區(qū)域處理→連通域分析→提取以圓度和面積大小為特征參數(shù)的區(qū)域→擬合霍夫圓→處理結(jié)果。

圖10 視覺(jué)處理過(guò)程

4 分級(jí)試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證分級(jí)裝備的準(zhǔn)確性和可靠性，采用游標(biāo)卡尺選取60個(gè)臍橙樣本，劃分為六種不同等級(jí)規(guī)格，如圖11所示。

圖11 臍橙樣本

按照?qǐng)D10所示的視覺(jué)處理流程，對(duì)臍橙樣本進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出正確進(jìn)入等級(jí)通道的柑橘個(gè)數(shù)占每組柑橘總數(shù)的百分比。游標(biāo)卡尺測(cè)量的數(shù)據(jù)和裝備視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出：SS型臍橙樣本有1個(gè)樣本誤判進(jìn)入了等級(jí)2通道；S型有2個(gè)樣本誤判進(jìn)入了等級(jí)1通道；M型有1個(gè)樣本誤判進(jìn)入了等級(jí)2通道；3L型有1個(gè)樣本誤判進(jìn)入了等級(jí)5通道。經(jīng)過(guò)分析可知，一般在鄰級(jí)果會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)誤差較大的誤判現(xiàn)象。出現(xiàn)誤判的原因分析：臍橙樣本的標(biāo)定存在一定誤差；臍橙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不確定性會(huì)造成鄰級(jí)果的誤判。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該分級(jí)裝備整體試驗(yàn)中，60個(gè)臍橙樣本出現(xiàn)5個(gè)誤判，分級(jí)準(zhǔn)確率約為91.67%。

表1 游標(biāo)卡尺與裝備檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 （單位：mm）

5 結(jié)論

針對(duì)柑橘果園多次轉(zhuǎn)場(chǎng)分級(jí)作業(yè)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種小型化的柑橘新型分級(jí)裝備，從虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)裝配到樣機(jī)的制造和組裝，并搭建出分級(jí)裝備的控制系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。

以臍橙類柑橘為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)60個(gè)臍橙樣本進(jìn)行了分級(jí)試驗(yàn)，驗(yàn)證了分級(jí)裝備的準(zhǔn)確性和可靠性，基本滿足分級(jí)作業(yè)需求。

這種小型化的柑橘分級(jí)裝備為同類型的類球類水果分級(jí)設(shè)備的研發(fā)提供借鑒，有一定的參考價(jià)值。