汪冠宇 陈艳 熊源 何雨洋

摘要草莓作为广受消费者喜爱的水果之一，是否损伤的分级对草莓的市场价格有极大影响，而目前中国大多采用人工挑选的方式对草莓进行形状，颜色包括外表缺陷进行分级，这种方式不仅效率低下，人力成本高并且标准不统一。因此，缺陷检测已经成为提高草莓商品质量和竞争力的瓶颈。如何在水果分级过程中高速有效地检测出表面缺陷，从而控制和提高草莓商品质量这一问题受到了国内外研究人员的广泛关注。因此，在草莓损伤检测这一领域设计出一种实用的智能检测装置显得尤为重要，本课题的研究，就是想利用Solidworks这款软件的三维绘图功能，通过数字化模拟建模来设计可用于草莓损伤检测的系统，解决当下人工分级的困难和不便。

关键词草莓 损伤 Solidworks设计

一、研究目的

中国是全球最大的水果生产国，2016年中国水果种植总面积和总产量位居世界榜首。随着果品的质量和产业运作水平的逐渐提高和发展，水果产业已成为继粮食、蔬菜之后的第三大农业种植产业，成为国内外市场的重要优势农业产业之一，也是许多农村区域经济发展的重要支柱产业之一。依据中国国家统计局年鉴数据，截止2016年初，全国水果（含瓜果）总面积是1536.71万公顷，其中草莓因其甜腻的口感，一直是广受消费者欢迎目前，草莓主要分为新鲜草莓、冷冻草莓以及部分草莓干。新鲜草莓是最常见的消费形态，根据中国园艺协会草莓分会的统计，草莓生鲜在零售市场上的零售量大约占总量的85%左右。冷冻草莓以及草莓干主要作为原材料，用于加工草莓果酱、果冻、糖果以及调味乳制品等，其用量大约占总产量的15%。目前国内草莓消费以鲜果消费为主，出口规模较小。国内主要大中城市对草莓鲜果消费需求旺盛，国内草莓除鲜果消费外，部分草莓会加工制成草莓酱、草莓酒、草莓汁、草莓罐头以及冷冻草莓等加工制品，进而投入国内外市场。其中，冷冻草莓是我国草莓制品出口的主要品种由于草莓的鲜果消费更有营养，同时受加工技术、加工成本以及加工过程中草莓营养价值损耗较大等限制影响，草莓产品深加工发展空间相对有限。近年来，全国草莓生产面积逐年增加，从2014年的201万亩增加到2018年的264万亩。2013年中国草莓零售市场持续稳步上升，新鲜草莓零售额达到194.8亿元人民，比2012年零售额上升了9%，主要是由于消费者健康意识的不断加强，对于高营养成分的产品需求不断增加，特别是水果生鲜，而草莓生鲜一直深受欢迎。同时，随着有机农业在中国的逐渐发展，越来越多的无公害、绿色、以及有机草莓进入市场，虽然单位价格普遍高于普通草莓，但是由于中国消费者收入水平的普遍提高，消费者对于这类高品质生鲜产品的购买力也不断提升。然而，草莓是最易损伤的水果之一，在草莓的采摘，运输，售卖过程中磕磕碰碰不可避免，这也就导致保存完整的草莓售价比有损伤的草莓高，所以如何能有效率且正确分别损伤草莓也成了卖家的难题。草莓品质影响市场价格。从水果的收获到水果的销售，消费者的收入水平以及购买目的不同导致水果必须按照品质分级销售。随着人们生活水平的提高，人们对水果的品质要求也越来越高，因而对水果品质分级提出了更高要求。

二、研究意义

草莓生产消费量大决定草莓分级需求也大，通过人工雇佣方式进行草莓分级，会产生效率低、人力成本高、质量标准不统一等缺点。自动化设备进行农产品水果品质分级分类，可以提高效率和保证效率。

目前发展中国家大多采用人工挑选的方式对草莓进行形状和颜色分级，包括外表缺陷挑选。这种检测手段主要是靠人工检查来实现，抽检率低，工作强度大容易出现漏检、误检的情况，且主观因素的影响较大，检测精度低，无法达到统-的质量标准。因此，缺陷检测已经成为提高草莓商品质量和竞争力的瓶颈。如何在水果分级过程中高速有效地检测出表面缺陷，从而控制和提高草莓商品质量这-问题受到了国内外研究人员的广泛关注。近年来，国外大型的垄断性分级设备企业都开始研发机器视觉的草莓缺陷在线检测系统，进口装备价格高昂。我国还没有相关研发草莓缺陷分级企业，少量用户更多依赖进口设备，这样不利于提高中国草莓商品质量和竞争力。草莓表面缺陷检测技术研究与装备开发，有助于提升国家草莓商品质量竞争力。

三、项目研究内容和拟解决的关键问题

本课题通过实际对草莓损伤分级标准，以及目前水果缺陷检测发展状况和现存问题，并结合现有国内外水果缺陷检测机器的技术研究，设计一种能对草莓复杂表面进行精准筛选的仪装置主要内容有：

（1）设计机械手，选用液压传动来实现运动，有利于提高机械手稳定性，提高较大的驱动力，并实现较高的结构强度。机械手抓取草莓过程中要保证草莓不会受到机械手夹伤，机械手应满足相应强度和刚度来保证机械手整体的运动，应采用高强度轻质金属材料来减轻手臂部分重量，以此提高运动速度和整体精度，并将草莓放上轨道进入視觉缺陷检测装置。

（2）搭建适合草莓表面缺陷检测的视觉试验系统平台，包括基于传统PC计算机视觉为基础的可见光RGB成像系统、基于嵌入式系统的嵌入式机器视觉系统。借助于嵌入式系统技术，机器视觉系统将图像处理算法固化在特殊的硬件系统上运行，其中硬件系统包括板载电源管理单元图像传感/摄像头单元，数据计算单元。这些所有单元的集合实现一个嵌入式系统的专用集成设计，具有成本低，小巧方便安装，稳定性好等特点。

（3）控制系统设计，采用PLC进行控制。

采用PLC无触点的电子电路来替代继电器触点，即用存贮器内的数据来代替触点，而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程为透明。具有较好的环境适应性，现代PLC的核心就是单片微处理器。所以本课题最终选择计出一种基于PLC的高精度草莓损伤智能检测系统。

（4）搭建草莓损伤智能检测系统，此系统此系统会先通过摄像机传来的RGB彩色图像经过去除背景处理，之后转换灰度并分别计算水平和垂直的重构图像，再计算水平和垂直亮度矫正图像，最终获得自适应亮度矫正图像，通过计算机智能识别草莓表面的缺陷并进行标记，之后通过标记数量区分草莓是否缺陷。

四、总结

通过对草莓损伤智能检测领域的研究我们发现，目前草莓损伤检测仍存在许多亟需解决的问题，为了做到机械手与检测系统的流畅配合需要选择最优的机械手结构参数和工作参数，需通过CAD，Solidworks等软件绘制并处理系统草图，之后利用ANSYS软件进行机械手的力学分析，根据实测结果进行参数优化，选择机械手的最优尺寸及材料，为草莓损伤智能检测检测系统的实际制作提供可靠数据。

课题经费来源：课题经费来源于2020年大学生创新创业省级项目：一种新型草莓损伤智能检测系统设计（项目编号：202111798004）。