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水果分级系统的自动化

摘要：分级机器人系统，是自动检测水果从容器和检验所有方面的开发成果。这个机器人系统由两个水果提供机器人和一个分级机器人组成。两个机器人都有3个自由度直角坐标机械手和12个吸垫作为输送水果的末端效应器。分级机器人有12个彩色电视摄像机和28个照明设备作为机器视觉系统。分级机器人的机械手在线输送被吸住的12个水果的同时获得了所有水果的12个底部图像。在释放水果到容器前，每个水果的4个方向的图像时通过吸垫旋转270°获得的。机械手的行程约1.2米，花了约4.3秒回到初始位置，意味着该机器人可以每分钟分级三次。此种分级机器人有如下作用：（1）劳动替代（2）达到排除人类的主观判断来分级的目的（3）对水果分级数据的累积和追溯以及有利于农业生产指导。

关键词：机器视觉水果分级可追溯化信息化

背景介绍

分级系统已经被引入到了橘子、苹果、桃、梨、番茄、茄子、芦笋、韭菜等其他水果和蔬菜的当地生产区的农业合作化设施。在合作的设施中，进行着水果的接收、预处理、分级、包装、储存和运输业务。近年来，机器人技术和机电一体化技术已被开发，而机器视觉和近红外技术也已创新[1]。目前已经有许多关于分级系统和检测系统[2– 5 ]以及一些其他新技术的报告，并且已有很多技术被引入到了农业合作系统中。用于航运产品的码垛机器人在早期（约10年前）已经使用，利用吸盘采摘水果并将他按顺序放在纸盒里的圆形水果包装机器人也在许多设施中运用过。即使这样，仍然很难检测水果的四周，因为水果的底部被隐藏了。据报道，桔子分选机有6台摄像机用来检测水果的底面和四周，用滚轮销输送机构使桔子翻转[6]。这种机器可以用来处理像桔子水果、猕猴桃、土豆这一类表面较硬的果蔬，而不适合桃子、梨子和苹果。为了检查各方面都很精致的水果，有必要像人力操作那样柔软的采摘水果。在本文中，一个分级机器人系统可用吸垫一次吸12个水果，可以通过12台电视摄像机的描述检查水果的所有面。

材料和方法

在本文中，圆形的落叶水果，桃子、梨子、苹果都是机器人要分级的物体。他们常常从在日本北部地区Jas的生产者（日本农业公司人员）手中得到。水果的名称是桃、梨、苹果。这些水果有不同的颜色、纹理、形状，如图1。在JA，一天收到水果最大量为100 t，如果假设一个果重350 g，分级系统一天工作8小时，意味着每小时要处理35714个果实。通常水果一天要分为几个等级。

装置和方法

分级系统的概述

在JA，一个机器人系统的操作流程工作如下：在一楼接收产品后，四块的容器（每块10容器）放在一个托盘上。一块容器提升到二楼，一块容器分离器用输送机逐一传送到条形码阅读器。从生产商通过条形码连接到一个容器中获取信息，容器被送到水果提供机器人。水果提供机器人用吸盘从两个容器中吸10到12个水果并将它们传送到一个中间阶段。吸入水果的数量取决于果实的大小和水果提供机器人调整的水果之间的间隙。

分级机器人挑选水果的中间阶段，底部和侧面的水果图像是由电视摄像机在转移载体输送线中采集（VGA，随机触发），而果实顶部图像是在输送线后获得。外观检查后，还有内部条件和糖含量需要由近红外（NIR）测量传感器（三井矿业冶炼公司）检测。根据检查的结果，果实被排成很多排，然后由包装机器人装到瓦楞纸板箱。用喷墨打印机将水果的等级、尺寸和品种名称印在密封的盒子上面。最后，箱子被转移到一个调色板并上市出售。

水果提供和分级机器人

水果提供机器人和分级机器人在一起工作。图2显

示了水果提供机器人（Si精工有限公司制造）将水果填

充容器。水果提供机器人由两套3自由度直角坐标机械

手（X，Y，和Z轴）和6个吸垫连接到每个机械手末端，

一个机械手有6臂长。虽然分级机器人也是3自由度直

角坐标机械手（Si精工有限公司制造的），它有12个手

臂长，但没有Y轴X轴和Z轴旋转关节和腕。一个容器

可以通过更换海绵的孔的尺寸和数量的不同保持695，

694或 593个水果。

图3显示了两个机器人共同工作。装满水果的容器

由水果提供机器人通过推手推到工作区。水果提供机器

人吸住6个果实并将它们转移到中间阶段。两个水果提

供机器人可以独立工作，提供12或10个水果到中间阶段。分级机器人用吸垫将他们吸起来，然后移送到输送线的载体。底部的水果图像在分级机器人移动经过12台彩色电视摄像机获得，而水果4面的图像通过旋转水果270°获得。摄像机在分级机器人运动（5）获得副图像后可以拒绝90 °以下运动。采集到每个水果的5个图像后，机器人将水果释放到载体（7）上，并用一个推杆推动载体输送线（8）。

这种分级机器人的最大速度是1米/秒，行程约1.2米。用6吸垫的水果机器人它需要2.7秒转移12个果实的载体，0.4秒从初始位置向下移动，1秒返回释放水果， 0.15秒的等待，来回移动行程的总时间为4.25 s。假设695和 694的水果容器占80%， 593水果容器占20%，后续计算如下：

12个/4.25秒 *3600秒*0.8=8131个/小时

10个/4.25秒 *3600秒*0.2 =1694个/小时

因为总的9825个水果是可以由机器人处理，4台机器人设备一天可以处理超过100 T （35714水果/小时）。在这个系统中，4台1.4千瓦，3400转，3800 mmaq真空压力机器，有1.3立方米/分钟的位移是用于两个提供机器人和分级机器人，30 kPa真空力是适用于抽吸桃果实的，而45 kPa是梨和6吸垫使用苹果机。即使经过吸三次桃果实后仍然没有观察到在分级包装时有损坏。图4显示了一个吸盘和载波输送线。载体含有RFID（256字节ee-prom），每个水果、如颜色、形状、尺寸和缺陷分级信息，编写图像处理后通过天线。输送线以30米/分的速度移载体 [ 7 ]。

机器视觉系统

使用具有659（H）*9494（V）像素、50 *46 °视觉角度、可变快门速度和随机触发模式十二逐行VGA型彩色电视摄像机作为分级机器人的机器视觉系统（图4）。将三台相机连接到PC，由于每个生产线需要12台相机，每一个机器使用4台电脑，如图5所示。水果底部和侧面图像由PC-A 到PC-D获得，而顶部的图像是由PC-E获得。图像处理结果发送到PC-J用来对水果分级进行判断。图像采集卡转换成RGB模拟信号，数字信号传输图像数据存储器的PC通过PCI总线是用于每个摄像机。