一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械

摘要

本发明提供一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械，属于农业机械技术领域，包括苹果传输单元、品质检测单元、分类卸果单元和系统控制单元，品质检测单元主要包括环形果盘、电磁阀门Ⅰ和检测装置，检测装置主要包括检测球腔，检测球腔内设有微型机械手、360度视觉检测头和环形灯，微型机械手上设有嗅觉检测传感器，分类卸果单元主要包括卸果直管道、双层弧形带式输送机和卸果斜弯管道。总之，本发明结构合理、操作方便，集输送、检测、分类及卸果功能于一体，可大大提供苹果的检测分类效率。

说明书

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械。

背景技术

苹果，是最常见的水果之一。苹果树属于蔷薇科，落叶乔木，叶椭圆形，有锯齿。其果实球形，味甜，口感爽脆，且富含丰富的营养，是世界四大水果之冠。苹果通常为红色，不过也有黄色和绿色。苹果是一种低热量食物，每100克只产生60千卡热量。苹果中营养成份可溶性大，易被人体吸收，故有“活水”之称，其有利于溶解硫元素，使皮肤润滑柔嫩。

但苹果在采摘后不是直接上市称卖的，需要进行分级筛选，分级筛选的最基本方法是按照大小进行筛选分类，传动依照大小分级筛选，多是人工进行筛选，按照人们的感官进行筛选，工作劳动强度大，费时费力，工作效率低。

水果品质检测是水果商品化处理的关键环节之一，直接关系到水果的包装运输贮藏和销售的效果和收益。品质检测主要包括外观品质和内部品质两个方面，传统的外观品质检测主要是利用分级机械，根据水果的大小重量等指标进行分级，该方法主要是通过设计专用机械结构来检测水果的大小和重量，而无法对水果的颜色纹理和表面缺陷等做出评价，设备专用性强，利用率低，检测时水果常发生碰撞，容易导致水果的损伤。

近些年来发展起了利用机器视觉技术进行水果质量检测的技术。机器视觉技术从概念上讲是用计算机实现人的视觉功能也就是用计算机代替人眼实现对客观三维世界的认识。机器视觉是一门涉及到人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理学、模式识别等诸多领域的新兴交叉学科。利用该技术可以实现高效率、无损害的水果品质检测。但是传统的检测分级设备都是一个一个单一检测，效率低下，且仅仅靠视觉检测容易忽视水果的腐败情况，导致分类不精细。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种利用视觉和嗅觉对苹果品质进行智能化检测及分类的装置，可同时对多个苹果进行检测，并且分类精准。

本发明的技术方案为：一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械，主要包括苹果传输单元、品质检测单元、分类卸果单元和系统控制单元；

所述苹果传输单元包括单层直线皮带传输机和限位槽，所述限位槽等间距位于所述单层直线皮带传输机上，限位槽上有待检测的苹果，限位槽可防止苹果在运输过程中掉落，并且通过速度的配合，可有效避免多果累叠检测的现象；

所述品质检测单元包括环形果盘、电磁阀门Ⅰ、伞形传动杆、驱动机构和检测装置，所述环形果盘设有八等分格，单层直线皮带传输机与所述八等分格之一相接，所述电磁阀门Ⅰ共六个，并连续位于八等分格内，所述伞形传动杆的上端固定连接在靠近内环的环形果盘底部，伞形传动杆的下端与所述驱动机构相连，所述检测装置包括线缆盘、伸缩机械臂、检测球腔和微型机械手，所述线缆盘位于环形果盘的正上方，所述伸缩机械臂连接在线缆盘的下方并与电磁阀门Ⅰ一一对应，所述检测球腔连接在伸缩机械臂的下方，所述微型机械手连接在检测球腔内顶部，检测球腔内设有环形灯和360度视觉检测头，微型机械手内设有嗅觉检测传感器，嗅觉检测传感器能够检测到苹果腐败发出的乙烯气味，通过与内部气味敏感元件进行比对，从而确定苹果是否发生腐败；

所述分类卸果单元包括卸果直管道、双层弧形带式输送机和卸果斜弯管道，所述卸果直管道连接在环形果盘的正下方，并与电磁阀门Ⅰ一一对应，所述双层弧形带式输送机位于卸果直管道的外侧，卸果直管道中段壁上设有电磁阀门Ⅱ，所述电磁阀门Ⅱ与所述双层弧形带式输送机的上层传输带相连，卸果直管道的底端与双层带式输送机的下层传输带相连，所述卸果斜弯管道与八等分格之一相接，接口与单层直线皮带传输机呈270度夹角，卸果斜弯管道上设有电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ和电磁阀门Ⅴ；

所述系统控制单元分别与苹果传输单元、品质检测单元和分类卸果单元相连，系统控制单元包括PC处理器和PLC控制器，所述PC处理器包括MCU微处理模块、图像采集处理模块、传感器阵列模块、信号放大模块、数模转换模块和电源模块一，所述图像采集处理模块将从所述度视觉检测头采集的图像进行处理后传输至所述MCU微处理模块，所述信号放大模块将从所述压力传感器和嗅觉检测传感器采集的信号进行放大处理，再依次经过所述所述传感器阵列模块和数模转换模块传送至MCU微处理模块，所述电源模块一与MCU微处理模块相连；

所述PLC控制器包括CPU处理模块，及与所述CPU处理模块相连的I/O模块、存储模块、通讯模块、位控模块、计数模块、多路模拟开关模块和电源模块二，所述CPU处理模块通过I/O模块与MCU微处理模块电平连接，或通过所述通讯模块与MCU微处理模块无线连接，所述计数模块连有所述光电计数装置，所述多路模拟开关模块分别与所述电磁阀门Ⅰ、电磁阀门Ⅱ、电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ、电磁阀门Ⅴ、驱动机构、线缆盘、单层直线皮带传输机和双层弧形带式输送机相连。

进一步的，所述分类卸果单元还包括腐败果收集筐、残次果收集筐、70号果收集筐、80号果收集筐、85号果收集筐和90号果收集筐，所述腐败果收集筐连接在所述上层传输带的末端，所述残次果收集筐连接在所述下层传输带的末端，所述70号果收集筐、80号果收集筐、85号果收集筐和90号果收集筐分别连接在所述电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ、电磁阀门Ⅴ和卸果斜弯管道的末端。

进一步的，所述腐败果收集筐、残次果收集筐、70号果收集筐、80号果收集筐、85号果收集筐和90号果收集筐上分别设有光电计数装置，光电计数装置便于分别统计各类苹果的个数，免去人工清点，省时省力。

进一步的，所述检测球腔为左右半球结构，检测球腔为不透明材质，检测球腔的内表面为反光材料层，检测球腔的外表面隔热隔光涂料层，微型机械手将待检测的苹果夹起，检测球腔左右合并，形成密闭球形，通过内部的360度视觉检测头进行图像采集，相较于单角度检测，而将苹果多方面翻转采集图像的方法，更加快速并且更加全面，反光材料层可增加内部亮度，便于图像采集，隔热隔光涂料层可避免外部光线影响内部的图像采集，并且，还可具有隔热作用，可避免检测球腔内部温度过高破坏苹果品质。

进一步的，所述电磁阀门Ⅰ上设有浅口槽，所述浅口槽内设有压力传感器，压力传感器的设置可用于判断装过时的电磁阀门Ⅰ是空载还是负载，当电磁阀门Ⅰ转到与单层直线皮带传输机末端相接处，若是空载则等待传输带上的苹果落下，负载后则逆时针转动一格，以此类推，直至第六个装满。

进一步的，所述电磁阀门Ⅰ以逆时针分别编为1-6号，且6号电磁阀门Ⅰ与1号电磁阀门Ⅰ之间不相邻。

进一步的，所述电磁阀门Ⅰ为双开门，所述电磁阀门Ⅱ、电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ和电磁阀门Ⅴ为单开门且长度大于卸果直管道和卸果斜弯管道的直径，电磁阀门Ⅱ、电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ和电磁阀门Ⅴ的下端为固定连接端，上端为活动端，单开门关闭状态与管道壁合为一体，当打开时则斜置在管道内，并形成坡道，可起到导向作用，依次完成苹果的分类收集。

进一步的，所述微型机械手共有三个末端，所述三个末端的内侧设有圆形夹盘，所述圆形夹盘为透明硅胶材质，圆形夹盘内侧设有所述嗅觉检测传感器，透明硅胶材质透光，不影响视觉影响检查，嗅觉检测传感器贴近苹果检测，结果更加精准。

进一步的，所述卸果直管道的上端铰链连接有挡板，所述挡板的左右两端与所述环形果盘滑动连接，挡板不随环形果盘转动，检测完毕，再次转动时，可通过空载的电磁阀门Ⅰ，负载的电磁阀门Ⅰ门上的合格水果则被挡板挡入所述卸果斜弯管道。

一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械的工作方法，包括以下步骤：

S1：将待检测的所述苹果放置到所述单层直线皮带传输机上的所述限位槽内，所述环形果盘逆时针转动，待1-6号所述电磁阀门Ⅰ上均负载有苹果后，单层直线皮带传输机和环形果盘暂停转动，等待检测；

S2：与电磁阀门Ⅰ对应的所述伸缩机械臂向下运动，同时所述检测球腔向左右两边打开，露出所述微型机械手，通过微型机械手将苹果加持并提起，之后，检测球腔闭合，通过所述360度视觉检测头对苹果进行全面扫描，并将图像信息传送至所述图像采集处理模块，甄别检测苹果是否有外伤及颜色是否达到阈值要求，同时，利用所述嗅觉检测传感器检测是否有腐败霉菌气息，

S3：若只有外伤或颜色不达标，而未有腐败则打开对应位置的所述电磁阀门Ⅰ和电磁阀门Ⅱ，将苹果送到所述上层传输带最终运至所述残次果收集筐；若检测到外伤或颜色不达标且有腐败，则打开对应的电磁阀门Ⅰ并关闭电磁阀门Ⅱ，将苹果送到所述下层传输带最终运至所述腐败果收集筐，

S4：若未检测到外伤或颜色不达标则视为合格，通过求取水果图像总像素数的办法获取合格苹果大小，将所述合格苹果分为70、80、85和90号四个等级大小，并通过所述位控模块和存储模块，将电磁阀门Ⅰ与苹果大小信息进行对应记录，再通过所述多路模拟开关模块确定电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ或电磁阀门Ⅴ的打开状态，环形果盘恢复逆时针转动，空载的电磁阀门Ⅰ可通过所述挡板，装载有合格苹果的电磁阀门Ⅰ转动时会被挡板挡入所述卸果斜弯管道，通过对比信息选择对应的电磁阀门打开，将合格苹果分级装入所述70号果收集筐、80号果收集筐、85号果收集筐和90号果收集筐；

S5：一批检测完后，环形果盘回归原位，同时单层直线皮带传输机恢复转动，重复上述步骤直至检测完毕。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的基于视觉和嗅觉的苹果品质智能化检测及分类装置，可同时对多个苹果进行检测，并且分类精准，其中，利用环形果盘和检测装置一一对应可实现多个同时检测，其中，微型机械手将待检测的苹果夹起，检测球腔左右合并，形成密闭球形，通过内部的360度视觉检测头进行图像采集，相较于单角度检测，而将苹果多方面翻转采集图像的方法，更加快速并且更加全面；其中，利用360度视觉检测头分辨外伤、颜色和大小，利用嗅觉检测传感器检测是否为腐败，合格果进行大小号分类，不合格果进行外伤和腐败分类，本发明基于嗅觉原理可将腐败果和外伤果单独分类，防止混装感染外伤果。同时，本发明的各个收集框上还设有光电计数装置，便于分别统计各类苹果的个数，免去人工清点，省时省力。总之，本发明设计合理、自动化程度高、且分类精准，可大大提高检测的效率，节省人力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的环形果盘、伞形传动杆和驱动机构的仰视连接结构示意图；

图3是本发明的检测球腔打开的状态结构图；

图4是本发明的检测球腔工作状态剖视图；

图5是本发明的环形果盘的正面结构图；

图6是本发明的电磁阀门Ⅱ打开状态示意图；

图7是本发明的电磁阀门Ⅲ、电磁阀门Ⅳ和电磁阀门Ⅴ打开状态示意图；

图8是本发明的环形果盘、挡板与卸果斜弯管道的连接关系示意图；

图9是本发明的整体系统结构图。

其中，1-苹果传输单元、10-单层直线皮带传输机、11-限位槽、12-苹果、2-品质检测单元、20-环形果盘、21-电磁阀门Ⅰ、210-浅口槽、211-压力传感器、22-伞形传动杆、23-驱动机构、24-检测装置、241-线缆盘、242-伸缩机械臂、243-检测球腔、244-微型机械手、245-环形灯、246-360度视觉检测头、247-嗅觉检测传感器、248-圆形夹盘、25-八等分格、3-分类卸果单元、30-卸果直管道、301-挡板、31-双层弧形带式输送机、311-上层传输带、312-下层传输带、32-卸果斜弯管道、321-电磁阀门Ⅲ、322-电磁阀门Ⅳ、323-电磁阀门Ⅴ、33-电磁阀门Ⅱ、34-腐败果收集筐、35-残次果收集筐、36-70号果收集筐、37-80号果收集筐、38-85号果收集筐、39-90号果收集筐、310-光电计数装置、4-系统控制单元、40-PC系统、401-MCU微处理模块、402-图像采集处理模块、403-传感器阵列模404-块信号放大模块、405-数模转换模块、406-电源模块一、41-PLC控制器、411-CPU处理模块、412-I/O模块、413-存储模块、414-通讯模块、415-位控模块、416-计数模块、417-多路模拟开关模块、418-电源模块二。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面结合图1-8做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械，主要包括苹果传输单元1、品质检测单元2、分类卸果单元3和系统控制单元4；

如图1所示，苹果传输单元1包括单层直线皮带传输机10和限位槽11，限位槽11等间距位于单层直线皮带传输机10上，限位槽11上有待检测的苹果12，限位槽11可防止苹果在运输过程中掉落，并且通过速度的配合，可有效避免多果累叠检测的现象；

如图1、2所示，品质检测单元2包括环形果盘20、电磁阀门Ⅰ21、伞形传动杆22、驱动机构23和检测装置24，环形果盘20设有八等分格25，单层直线皮带传输机10与八等分格25之一相接，电磁阀门Ⅰ21共六个，其中，电磁阀门Ⅰ21为双开门，电磁阀门Ⅰ21以逆时针分别编为1-6号，且6号电磁阀门Ⅰ21与1号电磁阀门Ⅰ21之间不相邻。如图2所示，电磁阀门Ⅰ21上设有浅口槽210，浅口槽内210设有压力传感器211，压力传感器211的设置可用于判断装过时的电磁阀门Ⅰ21是空载还是负载，当电磁阀门Ⅰ21转到与单层直线皮带传输机10末端相接处，若是空载则等待传输带上的苹果落下，负载后则逆时针转动一格，以此类推，直至第六个装满。并连续位于八等分格25内，伞形传动杆22的上端固定连接在靠近内环的环形果盘20底部，伞形传动杆22的下端与驱动机构23相连，检测装置24包括线缆盘241、伸缩机械臂242、检测球腔243和微型机械手244，线缆盘241位于环形果盘20的正上方，伸缩机械臂242连接在线缆盘241的下方并与电磁阀门Ⅰ21一一对应，

如图3、4所示，检测球腔243连接在伸缩机械臂242的下方，微型机械手244连接在检测球腔243内顶部，检测球腔243内设有环形灯245和360度视觉检测头246，微型机械手244内设有嗅觉检测传感器247，嗅觉检测传感器247能够检测到苹果腐败发出的乙烯气味，通过与内部气味敏感元件进行比对，从而确定苹果是否发生腐败；如图3所示，检测球腔243为左右半球结构，检测球腔243为不透明材质，检测球腔243的内表面为反光材料层，检测球腔243的外表面隔热隔光涂料层，微型机械手244将待检测的苹果夹起，检测球腔243左右合并，形成密闭球形，通过内部的360度视觉检测头246进行图像采集，相较于单角度检测，而将苹果多方面翻转采集图像的方法，更加快速并且更加全面，反光材料层可增加内部亮度，便于图像采集，隔热隔光涂料层可避免外部光线影响内部的图像采集，并且，还可具有隔热作用，可避免检测球腔内部温度过高破坏苹果品质。如图3所示，微型机械手244共有三个末端，三个末端的内侧设有圆形夹盘248，圆形夹盘248为透明硅胶材质，圆形夹盘248内侧设有嗅觉检测传感器247，透明硅胶材质透光，不影响视觉影响检查，嗅觉检测传感器247贴近苹果检测，结果更加精准。

如图1所示，分类卸果单元3包括卸果直管道30、双层弧形带式输送机31和卸果斜弯管道32，卸果直管道30连接在环形果盘20的正下方，如图8所示，卸果直管道30的上端铰链连接有挡板301，挡板301的左右两端与环形果盘20滑动连接，挡板301不随环形果盘20转动，检测完毕，再次转动时，可通过空载的电磁阀门Ⅰ21，负载的电磁阀门Ⅰ21门上的合格水果则被挡板301挡入卸果斜弯管道32。并与电磁阀门Ⅰ21一一对应，双层弧形带式输送机31位于卸果直管道30的外侧，卸果直管道30中段壁上设有电磁阀门Ⅱ33，电磁阀门Ⅱ33与双层弧形带式输送机31的上层传输带311相连，卸果直管道30的底端与双层带式输送机31的下层传输带312相连，卸果斜弯管道32与八等分格25之一相接，接口与单层直线皮带传输机10呈270度夹角，卸果斜弯管道32上设有电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322和电磁阀门Ⅴ323；其中，电磁阀门Ⅱ33、电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322和电磁阀门Ⅴ323为单开门且长度大于卸果直管道30和卸果斜弯管道32的直径，电磁阀门Ⅱ33、电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322和电磁阀门Ⅴ323的下端为固定连接端，上端为活动端，单开门关闭状态与管道壁合为一体，当打开时则斜置在管道内，并形成坡道，可起到导向作用，依次完成苹果的分类收集。

如图1所示，分类卸果单元3还包括腐败果收集筐34、残次果收集筐35、70号果收集筐36、80号果收集筐37、85号果收集筐38和90号果收集筐39，腐败果收集筐34连接在上层传输带311的末端，残次果收集筐35连接在下层传输带312的末端，70号果收集筐36、80号果收集筐37、85号果收集筐38和90号果收集筐39分别连接在电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322、电磁阀门Ⅴ323和卸果斜弯管道32的末端。其中，腐败果收集筐34、残次果收集筐35、70号果收集筐36、80号果收集筐37、85号果收集筐38和90号果收集筐39上分别设有光电计数装置310，光电计数装置310便于分别统计各类苹果的个数，免去人工清点，省时省力。

如图9所示，系统控制单元4分别与苹果传输单元1、品质检测单元2和分类卸果单元3相连，系统控制单元4包括PC处理器40和PLC控制器41，PC处理器40包括MCU微处理模块401、图像采集处理模块402、传感器阵列模块403、信号放大模块404、数模转换模块405和电源模块一406，图像采集处理模块402将从360度视觉检测头采集的图像进行处理后传输至MCU微处理模块401，信号放大模块404将从压力传感器211和嗅觉检测传感器247采集的信号进行放大处理，再依次经过传感器阵列模块403和数模转换模块405传送至MCU微处理模块401，电源模块一406与MCU微处理模块401相连；

PLC控制器41包括CPU处理模块411，及与CPU处理模块411相连的I/O模块412、存储模块413、通讯模块414、位控模块415、计数模块416、多路模拟开关模块417和电源模块二418，CPU处理模块411通过I/O模块412与MCU微处理模块401电平连接，或通过通讯模块414与MCU微处理模块401无线连接，计数模块416连有光电计数装置310，多路模拟开关模块417分别与电磁阀门Ⅰ21、电磁阀门Ⅱ33、电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322、电磁阀门Ⅴ323、驱动机构23、线缆盘241、单层直线皮带传输机10和双层弧形带式输送机31相连。

一种用于苹果品质智能化检测及分类的农业机械的工作方法，包括以下步骤：

S1：将待检测的苹果12放置到单层直线皮带传输机10上的限位槽11内，环形果盘20逆时针转动，待1-6号电磁阀门Ⅰ21上均负载有苹果12后，单层直线皮带传输机10和环形果盘20暂停转动，等待检测；

S2：与电磁阀门Ⅰ21对应的伸缩机械臂242向下运动，同时检测球腔243向左右两边打开，露出微型机械手244，通过微型机械手244将苹果12加持并提起，之后，检测球腔243闭合，通过360度视觉检测头246对苹果12进行全面扫描，并将图像信息传送至图像采集处理模块402，甄别检测苹果是否有外伤及颜色是否达到阈值要求，同时，利用嗅觉检测传感器247检测是否有腐败霉菌气息，

S3：若只有外伤或颜色不达标，而未有腐败则打开对应位置的电磁阀门Ⅰ21和电磁阀门Ⅱ33，将苹果送到上层传输带311最终运至残次果收集筐35；若检测到外伤或颜色不达标且有腐败，则打开对应的电磁阀门Ⅰ21并关闭电磁阀门Ⅱ33，将苹果送到下层传输带312最终运至腐败果收集筐34，

S4：若未检测到外伤或颜色不达标则视为合格，通过求取水果图像总像素数的办法获取合格苹果大小，将合格苹果分为70、80、85和90号四个等级大小，并通过位控模块415和存储模块413，将电磁阀门Ⅰ21与苹果大小信息进行对应记录，再通过多路模拟开关模块417确定电磁阀门Ⅲ321、电磁阀门Ⅳ322或电磁阀门Ⅴ323的打开状态，环形果盘20恢复逆时针转动，空载的电磁阀门Ⅰ21可通过挡板301，装载有合格苹果的电磁阀门Ⅰ21转动时会被挡板301挡入卸果斜弯管道32，通过对比信息选择对应的电磁阀门打开，将合格苹果分级装入70号果收集筐36、80号果收集筐37、85号果收集筐38和90号果收集筐39；

S5：一批检测完后，环形果盘20回归原位，同时单层直线皮带传输机10恢复转动，重复上述步骤直至检测完毕。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。