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(shí)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(shí)快速追溯事故起因的依據(jù)[1-2]。現(xiàn)在國(guó)外食品安全監(jiān)管最為嚴(yán)格的德國(guó)不僅有完善的相關(guān)法律法規(guī)，同時(shí)還具備健全的監(jiān)管管理機(jī)制，并由政府相關(guān)部門管理分級(jí)負(fù)責(zé)，政府監(jiān)管和企業(yè)自律相結(jié)合，而且消費(fèi)者也能積極參與監(jiān)管。他們?cè)谑称钒踩匪葜贫壬辖⒘藝?yán)格的市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，同時(shí)建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)，從食品采購(gòu)到生產(chǎn)、加工、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸和銷售的各個(gè)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(shí)追溯根源所在。為了保證整個(gè)體系能夠有效實(shí)施，德國(guó)政府在每個(gè)邦設(shè)有2～3個(gè)化驗(yàn)室，各邦平均每年抽驗(yàn)的食品項(xiàng)目大約有40萬項(xiàng)。

在國(guó)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(jìn)行食品留樣，但目前的食品留樣設(shè)備還非常簡(jiǎn)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(shí)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(shí)間、食品留樣保存溫度等信息都無法實(shí)時(shí)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致無法進(jìn)行有效的監(jiān)管和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(duì)食品留樣過程進(jìn)行有效的監(jiān)管，加強(qiáng)食品安全與可追溯性，需要一款嚴(yán)格按照食品留樣規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)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(xiàng)信息，再通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效的智慧監(jiān)管。

1 總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)食品留樣規(guī)程和食品留樣過程進(jìn)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(duì)食品留樣存儲(chǔ)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(jī)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(jìn)行整理；并基于人因論設(shè)計(jì)思維、過程設(shè)計(jì)思維、環(huán)境生態(tài)論設(shè)計(jì)思維等[3]，運(yùn)用人機(jī)交互與人機(jī)工程學(xué)對(duì)留樣操作流程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和功能求解設(shè)計(jì)。為了滿足食品留樣的各項(xiàng)功能，按需要設(shè)計(jì)了自動(dòng)控溫的冷藏系統(tǒng)、食品留樣倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、食品留樣智能搬運(yùn)機(jī)器人、感知和控制系統(tǒng)以及人機(jī)交互等幾個(gè)功能模塊，其工作過程見圖1。

圖1 智能留樣機(jī)器人工作過程

2 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷藏系統(tǒng)與食品留樣細(xì)菌隔離設(shè)計(jì)

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(dòng)控溫功能和自動(dòng)除霜功能，溫度控制范圍在±2 ℃，并能長(zhǎng)期保持在0～4 ℃的工作環(huán)境[4]。食品留樣時(shí)，要使食品留樣冷藏48 h以上，以抑制細(xì)菌大量繁殖。為避免食品留樣不與留樣機(jī)器人結(jié)構(gòu)和空氣發(fā)生直接接觸，采用密閉的食品級(jí)材質(zhì)留樣盒作為食品留樣存儲(chǔ)載體，見圖2。

圖2 留樣盒和留樣盒托盤

2.2 存儲(chǔ)立體庫(kù)設(shè)計(jì)

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(kù)體結(jié)構(gòu)，以增加食品留樣容量。庫(kù)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(kù)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(cāng)位結(jié)構(gòu)和機(jī)械手支撐結(jié)構(gòu)。因?yàn)镃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(dòng)和水平位移，所以嚴(yán)重影響了整個(gè)桁架的形式倉(cāng)位結(jié)構(gòu)、機(jī)械手的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)行穩(wěn)定性。為此采用了焊接補(bǔ)強(qiáng)措施，以增加C形梁四邊折邊處的連接強(qiáng)度、鈑金結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度和承受機(jī)械手運(yùn)行慣性沖擊力的能力。同時(shí)，采用力學(xué)疊加原理，充分利用工業(yè)冰箱整體強(qiáng)度，使機(jī)械手支架和立體存儲(chǔ)架結(jié)構(gòu)得到很好的支撐，以增加設(shè)備運(yùn)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(kù)體結(jié)構(gòu)采用機(jī)械隔離結(jié)構(gòu)，以隔離庫(kù)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(hù)的需要，設(shè)置了傳感器可檢測(cè)與識(shí)別的維護(hù)通道與空間，以方便人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。食品留樣在庫(kù)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(dòng)識(shí)別托盤位置，控制系統(tǒng)調(diào)動(dòng)機(jī)械手插取和存放托盤，完成兩個(gè)區(qū)域間的輸送。由于人工放入托盤會(huì)存在位置不準(zhǔn)確以及超出機(jī)械手安全承載區(qū)域的問題，在機(jī)械手運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)械干涉與撞擊現(xiàn)象，從而損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能留樣機(jī)器人，影響正常食品留樣作業(yè)。為此采用機(jī)械導(dǎo)向定位，同時(shí)采用多傳感器識(shí)別托盤空間位置信息，以保證托盤位置準(zhǔn)確，避免機(jī)械手工作過程中出現(xiàn)機(jī)械干涉和撞擊現(xiàn)象。但在實(shí)際使用中，可能還會(huì)出現(xiàn)因外部撞擊而造成的托盤位移或人工手動(dòng)操作時(shí)誤操作而產(chǎn)生的撞擊，為此在機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了托盤插取模組過載脫落結(jié)構(gòu)，避免撞擊時(shí)產(chǎn)生機(jī)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(rèn)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(jī)器人，簡(jiǎn)單測(cè)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(gè)桁架形式倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和機(jī)械手支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程采用緊湊性設(shè)計(jì)。為了保證機(jī)械手在工業(yè)冰箱中3個(gè)軸向自由度的運(yùn)動(dòng)，并盡量增加運(yùn)動(dòng)行程，以便增加存儲(chǔ)空間，同時(shí)為增加人工觀測(cè)留樣狀況，需要使桁架形式倉(cāng)儲(chǔ)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(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間。另外，為保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程不與桁架形式倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象，在兩個(gè)區(qū)域間設(shè)置了隔離空間，從而在考慮桁架形式倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)誤差和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(jì)，并通過一系列操作流程、操作動(dòng)作以及人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)，使日常留樣操作變得非常簡(jiǎn)單，無需開鎖、輸入密碼、操作觸摸屏、尋找存儲(chǔ)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(chǔ)機(jī)械手設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)部空間約束和存取方式，智能留樣機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)可以分為路徑規(guī)劃（空間）設(shè)計(jì)和軌跡規(guī)劃（時(shí)間）設(shè)計(jì)。軌跡規(guī)劃是對(duì)路徑賦予時(shí)間信息，從而使機(jī)械手能夠沿給定路徑運(yùn)動(dòng)，并選擇適合的控制算法和參數(shù)，形成實(shí)時(shí)的位移、速度和加速度等確定路徑，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)[5-6]。依據(jù)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡設(shè)計(jì)、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(jī)械手結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 存儲(chǔ)機(jī)械手

為驅(qū)動(dòng)3軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)特性以及成本等約束條件，本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)緊湊的齒輪齒條傳動(dòng)設(shè)計(jì)。為提高電機(jī)動(dòng)態(tài)性能，減小結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量，并盡量提高庫(kù)容量，機(jī)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(yùn)用優(yōu)化強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷作硬化、受力點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)焊接等處理方法提升各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了保證機(jī)械手各軸可靠運(yùn)行，在動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜布線設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到維修方便性，采用了對(duì)接接頭和端子連接電纜，并將接線點(diǎn)盡量布置在維修面易于操作的位置，同時(shí)采用防水、防濕和防結(jié)冰處理，提高運(yùn)行可靠性。

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)各層級(jí)設(shè)計(jì)

智能食品留樣機(jī)器人的控制系統(tǒng)是基于分級(jí)智能控制原理，由3個(gè)控制級(jí)組成的系統(tǒng)。第一級(jí)是決策級(jí)（上位機(jī)），是本系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)別最高的控制級(jí)，負(fù)責(zé)最優(yōu)決策的功能。操作員通過人機(jī)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(shí)時(shí)控制級(jí)和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)級(jí)的所有行為，顯示反饋系統(tǒng)的各項(xiàng)故障報(bào)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(jí)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(xiàng)設(shè)定功能。第二級(jí)為實(shí)時(shí)控制級(jí)（下位機(jī)），主要功能為接收通信接口中由決策級(jí)下達(dá)的指令，通過脈沖信號(hào)和動(dòng)力通斷協(xié)調(diào)指揮執(zhí)行元件及各子系統(tǒng)工作，同時(shí)采集各個(gè)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(jí)。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(xiàng)設(shè)定功能，以確保智能留樣機(jī)器人的各項(xiàng)工藝動(dòng)作可靠實(shí)施。第三級(jí)為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)級(jí)，能夠按上位機(jī)給定的任務(wù)通過下位機(jī)的脈沖信號(hào)和動(dòng)力通斷信號(hào)將各個(gè)指令位置、加速度、速度以及打開閉合信號(hào)等形式轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的動(dòng)作，從而直接對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閉環(huán)式步進(jìn)電機(jī)等）進(jìn)行控制，并通過電機(jī)自帶編碼器檢測(cè)電機(jī)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(jī)械手路徑規(guī)劃完成各項(xiàng)程序動(dòng)作[8]。

3.2 基于Linux系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

研究食品留樣的實(shí)際過程、人因論設(shè)計(jì)思維和交互設(shè)計(jì)原理來設(shè)計(jì)人機(jī)交互內(nèi)容和操作過程，需要同時(shí)確定各個(gè)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(shí)間和操作難度，為客戶使用提供良好的體驗(yàn)感。

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

基于ARM嵌入式Linux系統(tǒng)的上位機(jī)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(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸[9]，并在基于移動(dòng)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(jì)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(dòng)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(hù)成本，提高故障的處理速度和操作人員良好的體驗(yàn)感，在積累大量用戶現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)和售后故障處理方法的基礎(chǔ)上，對(duì)故障原因、故障狀態(tài)以及故障分析處理過程進(jìn)行研究和梳理，建立了故障處理樹狀知識(shí)庫(kù)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(bào)警信息和人員操作信息等，運(yùn)用故障判斷推理機(jī)制軟件算法進(jìn)行故障判斷和自動(dòng)處理，對(duì)于需要人工干預(yù)和確認(rèn)的故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)形成和顯示人員操作提示，使現(xiàn)場(chǎng)人員能夠通過遠(yuǎn)程人工判斷分析的方式控制設(shè)備運(yùn)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(yán)格按照規(guī)定的存儲(chǔ)規(guī)范保存48 h或更長(zhǎng)的保存時(shí)間，同時(shí)能夠采集存儲(chǔ)留樣數(shù)據(jù)和操作人員信息，本智能留樣機(jī)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(dòng)通過3軸食品留樣存取機(jī)械手進(jìn)入相應(yīng)的立體庫(kù)倉(cāng)位，并在保存48 h后才能夠被3軸食品留樣存取機(jī)械手自動(dòng)提取出來。同時(shí)，智能食品留樣調(diào)度系統(tǒng)將自動(dòng)記錄食品留樣的入倉(cāng)時(shí)間和倉(cāng)位，從而自動(dòng)計(jì)算剩余留樣時(shí)間，并將其上傳至顯示屏和互聯(lián)網(wǎng)，以便主管部門隨時(shí)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(shí)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(shí)間等并記錄，從而方便上級(jí)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(jī)器人是針對(duì)食品留樣智能網(wǎng)絡(luò)化管理而設(shè)計(jì)的，可以應(yīng)用在企業(yè)、政府機(jī)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(shí)間記錄、存儲(chǔ)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(jià)值。