水果自动分拣技术应用研究

贵州装备制造职业学院 胡晓鑫

前言

随着现代化农业技术的广泛应用，我国水果产业的产能逐年递增，品质不断提升，同时与产业发展配套的道路交通基础设施建设日趋完善，使得水果的运输储藏能力也得到快速发展。不同于包装化的实物和其他商品，水果储运受气候、环境影响较大，且具有容易腐烂的特性，因此，水果与其他商品或货物在储运工艺及流程上存在很大不同，当中若有一个环节处理不慎便会令果蔬失去鲜销价值，造成经济损失和资源浪费[1]。当前我国在水果采摘后处理环节上技术水平相对落后，尤其在针对水果大小、质量的分拣环节，粗放式的人工称重、挑选、分拣、装箱、搬运的流程仍是农户的主要作业方式。

上述模式存在诸多问题，一方面，人工分拣的效率低，造成资源的极大浪费，对产业的健康发展和果农利益均造成不良影响。另一方面，近年来我国人口结构发生变化，劳动力成本呈增长趋势，水果采摘后处理环节面临极大的成本压力。采用智能化、自动化的水果采摘后处理环节流程如图1所示。

图1 水果采摘后处理流程图

1 水果分拣领域研究现状

刘智豪[2]等，设计了一种通用性较强的水果分拣设备。该设备可满足不同种类水果的检测及分拣需求。水果由进料部件进入传送部件后，通过检测部件进行颜色、重量、尺寸，大小等参数对水果进行分析与检测，再通过分料部件进行分类，最后由出料部件完成分拣作业。该设备具有较高的水果检测精准度和分拣效率。

代泽繁[3]等，分析了不同形式分拣机性能利弊，结合广西地域中小型百香果人工分拣效率低等问题，利用CAD三维建模软件，设计了一种简易百香果分拣设备。该设备具有三级分拣区，针对小果、中果、大果进行不同区域的无损伤分拣，具有制作成本低、操作简易、小巧灵活等优点，已在当地百香果种植户中进行推广和普及。

唐媛红[4]等，对机器视觉应用技术进行了研究，并利用数学建模建立了视觉系统的理论模型，设计了机器人分拣控制方案，完成软硬件系统搭建，并进行仿真实验。结果表明，通过机器视觉在果蔬采摘过程中的应用，可以进一步提高分拣作业的精度和效率，具有较好的推广应用价值。

高旭东[5]等，研究了机器人运动学模型，确定各项参数，利用三维建模技术，设计了一种多功能果蔬分拣机器人末端执行器，通过3D打印技术完成样机制作。经过实例验证，该机器人可以实现对球形、条形类果蔬进行抓取，具有较高精度和有效性，并且保证果蔬表皮在抓取时不受损伤。

范勇[6]选取了山地脐橙作为研究对象，通过对其外形尺寸、重量、果皮质地和硬度等参数进行测绘，分析得出分拣装置应具备的功能模块。利用三维建模技术，将设计的上料机构、传送机构、分拣机构和收集机构进行虚拟装配，通过运动仿真验证设计的合理性和有效性。

曹亚楠[7]等，采用机械结构和气缸，设计了一种手持式水果采摘设备，通过气缸的伸缩功能对末端夹取机构进行控制，实现高空水果的快捷采摘，解决了水果采摘过程机械化程度低、果农劳动强度大等问题，具有易操作、重量轻便、采摘效率高等优点。

2 分拣设备功能需求与设计原则

水果分拣具有较高的时效性和规范性[8]，对自动分拣设备的设计需要考虑各种实际因素，来保证预期功能的顺利实现。通过对类球形水果（如图2所示）进行形状、尺寸、重量等因素的分析，本文提出水果自动分拣设备的功能需求和设计原则如下。

2.1 功能需求

（1）通过设备使用，能够精准、高效地替代人力，进行水果批量化分拣收集工作，降低人工劳力成本、提高生产效率。

（2）设备应具有皮带传输装置、分类筛选装置、收集装置等必要的功能部件，以实现自动分拣过程。

（3）在水果输送、筛选分类、收集时，应尽量保证工作过程的柔性化和系统运转的稳定性，以避免水果的损伤，保证分拣过程的低损伤率。

（4）分类筛选装置应具有一定通用性，能够较好兼容苹果、橙子、百香果等类球形水果的自动分拣工作。

图2 类球形水果

2.2 设计原则

（1）分拣设备的结构设计应符合农业、食品等行业相关的设备设计标准，同时保证安全使用原则。

（2）设备各功能部件的零部件选用，应尽量使用通用件、标准件，相关零部件具有较好互换性，以保证后期较低的维护、维修成本，便于后期设备的升级改造。

（3）设备用户群体多为水果种植农户或农业相关劳动人员，设备的操作应符合简易、高效的原则。

（4）在满足使用功能基础上，应尽量合理化布局设备机械结构、便于运输和放置，同时保证较低的整机开发成本，易于在市场上推广，让客户容易接纳。

3 分拣设备整体方案设计

在分拣设备领域，目前常用的结构有振动筛式、直线变距式和滚筒筛式三类。其中，滚筒筛式具有结构简单、精度高、易操作、易维护、成本低等优点，在分选设备中应用广泛。本文研究的是一种适用于类球形水果的，可实现批量化分拣收集作业的水果自动分拣设备。结合设备的功能需求和设计原则，本文选用滚筒筛式结构进行水果分拣收集，整套设备由传送部件、分拣部件、收集部件三部分组成。通过Solidworks软件对设备各功能模块进行建模，组成装配体模型的虚拟样机如图3所示。

图3 水果自动分拣机三维模型

本设备主要由滚筒筛底座1、水果收集箱2、一级筛选器5、二级筛选器4、三级筛选器3、下料槽6、电机7、传输带8、传输带支架9、开关控制器（图中未画出）等零部件构成。其中底座1是整套设备的主体结构，用于支撑三级分拣滚筒筛、水果收集箱，以及连接传送带装置。传送带8、传送带支架9组成传送部件，水果采摘后，通过人工操作，将水果倾倒放置在传送带上，通过带传动等速、均匀地将水果载运到下料槽6处，水果通过下料槽进入分拣部件进行分拣作业。分拣部件分为三级滚筒筛选器，一级筛选器5、二级筛选器4、三级筛选器3为同轴排列，且轴线倾斜向下，以便于水果能够延轴线方向流转分拣。各级筛选器区别在于周向分布的孔径大小。对于类球形水果而言，通常按照果径尺寸大小、重量等参数分为大果、中果、小果。在一批次采摘的水果中，需要对其按照果径大小进行分类，这时三级不同孔径的筛选器就起到分类筛选作用。一级筛选器5为小孔径，可以通过小果；二级筛选器4为中孔径，可以通过中果；三级筛选器3为大孔径，可以通过大果；水果经下料槽进入筛选器中，筛选器的自转带动水果沿轴线方向流转，并通过不同孔径的筛选器，到达收集箱，实现不同果径的类球形水果自动分拣。具体作业流程图如图4所示。

图4 分拣作业流程图

本套设备具有结构简单、布局合理、易于操作、节省人力等特点，可根据需要分拣的类球形水果具体尺寸分布范围，制作最为合适的三级筛选器孔径，以满足不同果径、重量的分拣收集需求，在保证较低水果损伤率的同时，有效实现自动分拣操作，替代人工劳动力，高效完成分拣作业。本文分拣设备的结构设计采用模块化思维，通过传送部件、分拣部件、收集部件等不同功能模块的组合，满足功能需求，同时也有利于后期与其他设备、功能模块集成使用，组成技术更加先进、功能更加完整的规模化水果分拣产线。

5 结语

本文对我国水果产业采摘后处理的方式方法以及自动化分拣设备进行了相关研究，分析了当下相关领域存在的问题，探索了水果采摘后处理环节人工成本高、劳动强度大、分拣效率低等实际问题和解决途径，并以类球形水果为例，提出采用滚筒筛式结构的设备设计方案，通过三级筛选器的配合使用，对水果进行自动化分拣收集作业。利用Solidworks三维建模软件，结合功能需求和设计原则，建立分拣设备虚拟样机模型，为实体设备的研发制造提供方案参考和技术储备。