【正文】 不完全一致，甚至還有風(fēng)蝕、病蟲害等， 采后如混在一起既不便于貯藏運(yùn)輸，也不便以質(zhì)論價(jià)銷售。在市場商品經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的今天，異地銷售大宗農(nóng)產(chǎn)品交易和農(nóng)產(chǎn)品國際貿(mào)易等均離不開標(biāo)準(zhǔn)化，而今水果分級就是實(shí)現(xiàn)水果商品標(biāo)準(zhǔn)化的最基礎(chǔ)的一步 [2]。 在作物生產(chǎn)和科研中，大量的工作而借助于對形態(tài)、色 澤、紋理等外部特征的判斷，如作物生長狀況監(jiān)測、形態(tài)識別與分類、病蟲草害診斷等。對這些特征信息的獲取目前主要靠人工記數(shù)、測量和目測。存在著速度饅、強(qiáng)度大、主觀性強(qiáng)、誤差大、適時(shí)性差等缺陷．且一些特征還難以定量描述，制約了作物科學(xué)研究和生產(chǎn)上因苗分類管理及先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的推廣，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化迫切需要研究和解決的問題。近年，隨著信息技術(shù)的飛躍發(fā)展和計(jì)算機(jī)普及．圖像技術(shù)及機(jī)器 (計(jì)算機(jī) )視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科，在作物領(lǐng)域也已取得許多進(jìn)展．并展示了廣闊的應(yīng)用前景。 分級的目的是要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的工業(yè)化，使 果品成為標(biāo)準(zhǔn)化的商品。不同果品的分級，各個(gè)國家和地區(qū)都有各自的分法和標(biāo)準(zhǔn)，我國現(xiàn)有 16個(gè)果品分級標(biāo)準(zhǔn)，其中蘋果、梨、香蕉、龍眼、核桃、板栗、紅棗已制定了國家標(biāo)準(zhǔn)。此外還制定了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展、品種的更新以及市場的要求，標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)不斷修訂和完善 。因此，水果分級有著很強(qiáng)的重要性。 該系統(tǒng)依據(jù)規(guī)定的質(zhì)量品質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，自動完成蘋果的等級分類。該分組系統(tǒng)具有以下意義：降低勞動者的勞動強(qiáng)度；提高勞動生產(chǎn)率；提高產(chǎn)品分類質(zhì)量；降低生產(chǎn)成本。 國內(nèi)外研究概況 1． 2． 1 國內(nèi)研究概況 相對 于國外的分級水平，國內(nèi)水果分級市場比較落后。國內(nèi)水果分級大部分還采用人工分級方法，只有少數(shù)企業(yè)采用半自動及自動化水果分級。 雖然我國水果分級現(xiàn)狀不容樂觀，但也有一些企業(yè)的研究得到成功， 浙江大學(xué)果蔬智能化分級技術(shù)與裝備課題組經(jīng)過近 10 年的研究積累，在國家 “863” 計(jì)劃 國家自然科學(xué)基金和浙江省科技計(jì)劃的支持下，與杭州杭掛機(jī)電有限公司合作于 2021 年研制成功國內(nèi)第一條完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于計(jì)算機(jī)視覺的水果品質(zhì)智能化實(shí)時(shí)檢測與分級生產(chǎn)線。項(xiàng)目至今已獲國家發(fā)明專利 2 項(xiàng)、授權(quán)計(jì)算機(jī)軟件著作登記 2 項(xiàng)、授權(quán)國 家實(shí)用新型專利 8 項(xiàng)，另有國家發(fā)明專利 10項(xiàng)待批 。 2021 年 6月 16 日，順利通過國家 863 計(jì)劃機(jī)器人技術(shù)主題專家組的驗(yàn)收。 2021 年 12月 28 日，銷往廣東梅縣 4 的第一條生產(chǎn)線在當(dāng)?shù)卣秸{(diào)試成功，并投入正常生產(chǎn)用于當(dāng)?shù)靥厣毘鹊钠焚|(zhì)檢測和分級，其工作性能得到用戶的高度評價(jià)。 2021 年 4 月 29 日，由中國工程院汪懋華院士、蔣亦元院士等 8 位本領(lǐng)域的權(quán)威專家組成的鑒定委員會，對本生產(chǎn)線進(jìn)行了鑒定，專家們對這一成果給予了高度評價(jià)：總體技術(shù)水平達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，多項(xiàng)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。 日前，江蘇省自主研制 生產(chǎn)的電腦控制全自動水果分級流水生產(chǎn)線在陜西成功運(yùn)行，并通過國家一級科技查新，填補(bǔ)了國內(nèi)果品加工生產(chǎn)機(jī)械的空白 [7]。 該生產(chǎn)線由江蘇牧羊集團(tuán)研制，采用水果品質(zhì)視覺系統(tǒng)測與分級，每條生產(chǎn)線每小時(shí)能檢測分級 2． 5噸及 3 噸水果，適用于柑橘、胡柚、蘋果、西紅柿、土豆等多種水果及農(nóng)產(chǎn)品的快速分級，部分指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平。為配套新生產(chǎn)線，該集團(tuán)同時(shí)研發(fā)出壓榨機(jī)、榨汁機(jī)等飲料機(jī)械，以及去核機(jī)、打漿機(jī)等果汁生產(chǎn)線前處理設(shè)備與后道包裝設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。 1． 2． 2 國外研究概況 國外 50%以上的水果實(shí)現(xiàn)了 分級的完全自動化。近年，隨著信息技術(shù)的飛躍發(fā)展和計(jì)算機(jī)普及．圖像技術(shù)及機(jī)器 (計(jì)算機(jī) )視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科，在作物領(lǐng)域也已取得許多進(jìn)展．并展示了廣闊的應(yīng)用前景。 目前較先進(jìn)的微機(jī)控制的重量分級機(jī)，采用最新電子儀器測定重量，可按需選擇準(zhǔn)確的分級基準(zhǔn)，分級精度高，使用特別的滑槽，落差小，水果不受沖擊、不損傷。分級、裝箱所需時(shí)間為傳統(tǒng)的 1/2。 日本消費(fèi)者對水果的消費(fèi)是非常挑剔的，其水果上市前都要經(jīng)過分級包裝。有些價(jià)值較高的水果，如冬季上市的西瓜要在標(biāo)簽上標(biāo)出糖度數(shù)值。目前，在日本許多高新技術(shù)在水 果檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)、無損傷檢測技術(shù)以及自動化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代分級檢測技術(shù)提供了廣闊的空間，使分級檢測技術(shù)正在由半自動化向全自動化、外部品質(zhì)檢測向內(nèi)部品質(zhì)檢測、復(fù)雜化向簡單化和方便化、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的文字化向數(shù)字化、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化向簡單化、數(shù)據(jù)的人工管理向計(jì)算機(jī)管理方向轉(zhuǎn)化。 在意大利的果品貯藏加工業(yè)生產(chǎn)中，使用顏色分級機(jī)較早，主要是對蘋果進(jìn)行顏色分級，其原理是按照綠色蘋果比紅色蘋果的反射光強(qiáng)的道理進(jìn)行的。工作時(shí)，果實(shí)在松軟的傳送帶上跳躍移動，光線可照射到水果的大多部位，這樣就避免了水果單面被 照射。反射光傳遞給電腦，由電腦按照反射率的不同來將果實(shí)分開，一般分為全綠果、半綠（半紅）果、全紅果等級別。 5 美國 Penwalt 公司 Decco 型分級機(jī)是一種新型果實(shí)分級機(jī)，具有速度快、性能好、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。它根據(jù)“體積”分級的原理進(jìn)行工作，綜合了大小和重量分級機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了二者的缺點(diǎn)，使分級作業(yè)真正得以柔和平緩地進(jìn)行。 Decco分級機(jī)工作原理是：提升機(jī)輥?zhàn)訉⒋旨壍墓麑?shí)送入四星裝料斗，星輪與提升機(jī)以鏈條驅(qū)動的各對定距輥?zhàn)油?，輥?zhàn)映休d水果通過分級全程，這樣的裝置，星輪可以很柔和地將水果從 提升機(jī)傳送到由一對滾子形成的凹槽中，根據(jù)選用分級機(jī)規(guī)格的不同，分級部分包括 69行高度可調(diào)的“摩擦指”，滾子從摩擦指下通過，緩緩地作反時(shí)針回轉(zhuǎn)，水果則作順時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)水果遇到摩擦指（最大的水果首先接觸摩擦指），由于轉(zhuǎn)動與摩擦的組合，水果極柔和地從滾子上移動并落入彈性的擺動活動門上，水果自重足夠使其滑出并滾到輸送皮帶上，然后由皮帶送入包裝槽中。由于水果沒有摔落，也沒有其他任何典型的引起損傷的動作，分級柔和。水果分級只有綜合形狀、大小、色澤、果面缺陷等各種因素，甚至是內(nèi)部品質(zhì)，才能排除其他因素，使分級質(zhì)量得到保證 [11]。 法國的 MAF France 公司的水果分級包裝設(shè)備，不僅能對果蔬進(jìn)行分級包裝，還可以利用電子、光學(xué)原理對果蔬表皮的瑕疵進(jìn)行分選，全電腦監(jiān)控，自動化程度相當(dāng)高。在意大利的果品貯藏加工業(yè)生產(chǎn)中，使用顏色分級機(jī)較早，主要是對蘋果進(jìn)行顏色分級，其原理是按照綠色蘋果比紅色蘋果的反射光強(qiáng)的道理進(jìn)行的。工作時(shí)，果實(shí)在松軟的傳送帶上跳躍移動，光線可照射到水果的大多部位，這樣就避免了水果單面被照射。反射光傳遞給電腦，由電腦按照反射率的不同來將果實(shí)分開，一般分為全綠果、半綠（半紅）果、全紅果等級別。 1． 3 研究特色與創(chuàng)新 傳統(tǒng)的水果品質(zhì)檢測、分級方法存在著分級結(jié)果受人主觀因素的影響、精度低、視覺易疲勞、效率低 。存在著不能對大小、重量、形狀、尺寸、成熟度、表面缺陷、表面色澤等指標(biāo)綜合評判等問題。 輸送系統(tǒng)在輸送水果的同時(shí)，使水果的中心軸始終保持垂直。同時(shí)保持水果圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動，以便拍攝到水果的不同位置，識別出花萼和梗，從而區(qū)別出缺損與花萼。 計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展的一門技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件成本的下降和運(yùn)行速度的大幅度提高，機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)中也得到了空前的發(fā)展。通過建立計(jì)算機(jī)視覺 系統(tǒng)采集水果外觀圖像，從分割的圖像中提取特征，包括形狀特征、顏色特征、大小特征參數(shù)等。在此基礎(chǔ)上基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形理論和模糊分 6 類等算法完成程序的編寫，以提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速，滿足實(shí)時(shí)性的要求。完成水果的自動識別，從而發(fā)出控制信號。 水果分級在國內(nèi)尚屬新興產(chǎn)業(yè)，有關(guān)這方面的研究本身就是一種創(chuàng)新。對其內(nèi)容的研究，一般而言，蘋果分揀是把蘋果輸送到雙錐式滾子上，不需知道蘋果花萼 /莖的位置。隨著數(shù)字成像技術(shù)用于缺陷識別，鑒別花萼 /莖位置的圖像處理被測試以確保在圖像分割之后，花萼 /莖部被當(dāng)作缺陷。本課題的創(chuàng)新是用一個(gè)傾 斜的送料裝置，把蘋果輸送到位于傾斜裝置底端的檢測用的圖像采集室前進(jìn)行大小尺寸圖像采集，然后將采集的信息傳輸給氣動裝置的控制件對符合分級要求的蘋果產(chǎn)生噴氣動作，從而實(shí)現(xiàn)分級。進(jìn)料機(jī)構(gòu)能夠使水果自動完成進(jìn)料，并可以根據(jù)檢測結(jié)果自動分級。 2 概述 2． 1 氣動水果分級傳輸裝置原理簡介 帶有氣動分級機(jī)構(gòu)的水果輸送裝置，該裝置包括基架、固定在基架上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和水果輸送機(jī)構(gòu)，水果輸送機(jī)構(gòu)分為水果圖象采集段和水果分級段，水果在攝像室內(nèi)進(jìn)行圖象采集后，圖象采集段輸出信號給水果分級段，水果分級段 在 基架的一側(cè)邊，固 定 設(shè)有一個(gè)以上氣動機(jī)構(gòu)，它主要由儲氣罐和控制件組成，在儲氣罐端部開設(shè)氣體噴嘴，由控制件控制其動作，該控制件的輸入與攝像室水果圖象采集的分級輸出信號相連，氣動機(jī)構(gòu)接收信號后產(chǎn)生噴氣動作，將符合分級標(biāo)準(zhǔn)的水果，吹離輸送裝置并完成分級。本氣動機(jī)構(gòu)的氣體壓力可調(diào)節(jié)，分級操作簡單準(zhǔn)確，滾子的模具制造簡單、成本低，便于推廣和使用，且有效減小了機(jī)械力對水果的損傷。 2． 2 傳輸分級機(jī)構(gòu)工作原理 本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)對蘋果按大小進(jìn)行分級，根據(jù)設(shè)計(jì)要求將蘋果分成三個(gè)級別。此機(jī)構(gòu)是通過氣動進(jìn)行分級。在此機(jī)構(gòu)中主要 由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、基架、定制的雙側(cè)套筒傳動鏈、雙錐式滾子、雙側(cè)鏈輪、軸承、軸承套、同步帶和同步帶輪以及動力裝置電動機(jī)組成。 本裝置是水平放置的橫式傳輸機(jī)構(gòu)，首先蘋果由進(jìn)料槽進(jìn)入雙側(cè)鏈的錐式滾子上，在入口處裝有毛刷擋板以確保蘋果是逐個(gè)無重疊的在滾子上傳輸。鏈條以恒定的轉(zhuǎn)速水平進(jìn)行傳動。動力裝置通過同步帶驅(qū)動鏈輪的主動軸驅(qū)使套筒鏈勻速轉(zhuǎn)動，蘋果由滾子傳輸至第一級出口處，此時(shí)空氣壓縮機(jī)和氣泵根據(jù)要求進(jìn)行噴氣使蘋果脫離滾子以達(dá)到分級的要求。下一等級的蘋果傳輸至第二級出口時(shí)以同樣的原理進(jìn)行分級。剩下的第三級隨著滾子直接進(jìn)入 位于機(jī)構(gòu)末端的出口。整個(gè)過程中機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的精確的根據(jù)要求將蘋果分成了三個(gè)等級。進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)目的?？傃b圖如圖 1 7 圖 1 總裝圖 Fig. 1 assembly drawing 基本組成 一套完整的蘋果分級機(jī)構(gòu)從整體上來看包括五大的部分，其框架圖如下圖 2： 圖 2 機(jī)構(gòu)框架圖 Fig. 2 body frame 2． 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 在做本設(shè)計(jì)前，我將設(shè)計(jì)工作安排分為五個(gè)階段。第一階段，設(shè)計(jì)前期階段。在此階段的主要任務(wù)是，首先要清楚此設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的和任務(wù)以及整體裝置的工作原理。根據(jù)原理估計(jì)設(shè)計(jì) 的大致模型，構(gòu)思簡單的設(shè)計(jì)思路。其次是了解掌握必要的市場動向，借鑒類似前沿的產(chǎn)品以便產(chǎn)生必要的設(shè)計(jì)靈感，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。第三，因?yàn)樽龃藱C(jī)構(gòu)是用來對蘋果進(jìn)行分級的，所以必須對蘋果的一些物理參數(shù)，形狀大小進(jìn)行 8 提取。這也是第一階段的重點(diǎn)工作。第二階段，初模型設(shè)計(jì)階段。此階段的主要工作任務(wù)是在第一階段的前提下大致的構(gòu)思出機(jī)構(gòu)的模型以及機(jī)構(gòu)的大體組成部分。畫出模型的大致草圖，并最終確定設(shè)計(jì)思路。第三階段，計(jì)算和必要零件選擇階段。此階段的工作任務(wù)是計(jì)算出零件的尺寸以及機(jī)構(gòu)的安裝尺寸，并根據(jù)需要確定哪些零件是要定制件哪 些是采用標(biāo)準(zhǔn)件。另外，通過計(jì)算從機(jī)械手冊選擇出標(biāo)準(zhǔn)件。第四階段，畫零件圖和裝配圖階段。此階段的主要任務(wù)是根據(jù)第三階段計(jì)算出的數(shù)據(jù)畫出零件圖和裝配圖，并將其轉(zhuǎn)換成三維立體圖像以便更準(zhǔn)確直觀的分析和改進(jìn)。第五階段，優(yōu)化并編寫設(shè)