一种挑拣中药材中杂质的自动化设备及方法

技术领域

本发明涉及中药制备技术领域，具体为一种挑拣中药材中杂质的自动化设备及方法。

背景技术

中药是中国的传统药材，是中国传统文化的重要组成部分。一般中药材讲究地道药材，讲究原产地和生长的自然条件，对栽培、采摘和加工技术都有一定的要求。中药材来自大自然，因此未经加工的中药材所含杂质较多。可能含有泥沙、尘土等颗粒物，有的含有杂草、树枝或者其他药材的碎屑等等，也含有一些药材因保存不当发生霉变。以上这些中药材中所含的杂质都需要挑拣出来，否则会影响成药的品质。

中药材挑拣是在加工之前进行的前处理工艺，目的是对药材中所含的杂质进行挑拣和分离。已有部分专利使用水平振动筛来筛除药材中所含的沙粒和碎屑，有部分专利通过机械手挑拣出杂质，也有专利在筛分时通过产生高速气流将杂质吹跑。这些专利只局限于对某一种类的杂质进行挑拣和筛分，而且装置效率不高。

经检索发现有以下专利：CN201822208670.9一种高效的中药材加工用挑拣设备、CN201821490963.4一种自动化中药材挑拣传输平台、CN201520785911.X一种中药材人工拣选台、CN201520215073.2一种中药材杂质去除装置、CN201721144852.3一种多级连续型中药材人工拣选台和CN202010284646.2一种中药材挑拣装置及挑拣方法，这些专利是搭建一个方便人工挑拣杂质的拣选台，这只是方便工人作业，本质上依旧是需要人工去挑拣。这些专利与本申请技术方案本质上并无关联，对本申请创造性并不构成技术启示，虽然已经存在一些专利可对药材进行机械化的挑拣，但如今部分企业还是以人工挑拣为主，机械化和自动化的挑拣设备尚未普及。主要原因是，现有设备技术落后价格昂贵，性价比不高，难以最大限度的代替人工挑拣。

现已存在的专利大多是对单一的杂质进行筛选和去除，事实上中药材中所含的杂质是多样的，除了砂石、杂草等，还有虫卵、金属碎屑、烂叶、枝梗和动物毛发等。现有专利对中药材中杂质的去除并不全面，因此也导致需要进行多次筛分挑拣，降低了生产效率。主要原因是装置的集成度不高，功能单一，而且挑拣效率低，因此需要多次返工。因此需开发一种挑拣中药材中杂质的自动化设备及方法解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，本发明提供一种挑拣中药材中杂质的自动化设备及方法，可全面去除药材中杂质的挑拣设备。具备可挑拣和去除多种不同杂质的功能，可一次性挑拣筛分出多种杂质，解决中药材挑拣主要依靠人力的缺点，提高生产效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：它包括振动筛分装置、电磁辊子装置、图像识别挑拣装置以及传送装置；振动筛分装置包括筛分箱体，筛分箱体的上下端分别设置有进料口和出料口；筛分箱体内活动设置有上筛网和下筛网；下筛网的下端设置有收集箱；筛分箱体的侧端通过曲柄连杆机构通过与电机连接实现筛分装置的往复振动；出料口的下端设置有传送装置，传送装置包括传送带和驱动装置，传送带上设置有电磁辊子装置；传送带上设置有图像识别挑拣装置，图像识别挑拣装置包括摄像头和机械手以及进行图像识别的计算机。

进一步的，上筛网和下筛网分别通过卡块与筛分箱体活动连接，上筛网和下筛网都是倾斜安装(且倾斜方向相反)，与水平面呈20度的角度。

进一步的，振动筛分装置设置在第一支架上，传送装置设置在第二支架上。

进一步的，曲柄连杆机构由连杆和两个曲柄构成，一个曲柄连接在电机上作圆周运动，另一个固连在箱体上。曲柄和连杆之间由轴承连接。

进一步的，筛分箱体的箱体底部有四个轮子用于在第一支架上的滑轨上往复运动。

进一步的，机械手有两个，分别位于传送带前进方向的左右两侧，接收计算机信号实施抓取杂质的工作。

进一步的，传送带通过蜗轮蜗杆装置来驱动。

一种挑拣中药材中杂质的自动化设备的使用方法，包括以下步骤：

S1、将需要挑拣的中药材从进料口进入筛分箱体内，筛分箱体通过与电机连接实现筛分装置的往复振动，筛分箱体内有上筛网和下筛网，底部的筛网可对药材进行二次筛分，充分筛除掉所含的颗粒物杂质，如沙粒、碎屑等，同时这些杂质可从底部的筛孔中直接落到地面的收集箱内。上筛网和下筛网药材滑落，进而从出料口排出到传送带上；

S2、传送带上方的电磁辊子装置，用于吸附中药材中可能含有的金属碎屑等，使用电磁辊子装置也便于后续的清理工作；

S3、传送带的上方设置有图像识别挑拣装置，用于挑拣前两个阶段未能处理的杂质，如发霉变质的药材、杂草、枝梗和混入的其他药材。该部分装置首先通过摄像头拍取图像，上传到与其相连的计算机通过相应的卷积神经网络系统进行识别，若识别出非中药材，计算机反馈信号给机械手进行抓取；

S4、卷积神经网络包含输入层、隐含层和输出层。其中隐含层包括包含卷积层、池化层和全连接层；其中隐含层包括包含卷积层、池化层和全连接层；

b、积层的功能是对输入数据进行特征提取，其内部包含多个卷积核。卷积核在工作时，会有规律地扫过输入特征，对输入特征做矩阵元素乘法求和并叠加偏差量:

式中：Z(i,j)对应特征图的像素，K为特征图的通道数，f、S

b、卷积层进行特征提取后，输出的特征图会被传递至池化层进行特征选择和信息过滤。池化层包含预设定的池化函数，其功能是将特征图中单个点的结果替换为其相邻区域的特征图统计量；

Lp池化：

c、全连接层的作用则是对提取的特征进行非线性组合以得到输出。

本发明的有益效果：

1、本发明提供一种挑拣中药材中杂质的自动化设备及方法，可全面去除药材中杂质的挑拣设备。具备可挑拣和去除多种不同杂质的功能，可一次性挑拣筛分出多种杂质，解决中药材挑拣主要依靠人力的缺点，提高生产效率。

2、本发明中改进了用来分离细颗粒杂质的振动筛分装置，在筛分装置内部设置两个倾斜的筛网，分别与水平面呈二十度。设置这两个倾斜的筛网可以有效防止药材的阻塞，而且减缓药材下落的速度，使筛分更加充分。而且底部倾斜的筛网有利于药材离开排料口。

3、本发明设置电磁辊子装置，可有效清除药材中可能含有的金属碎屑等等，提高了后续工作的安全性。图像识别挑拣装置通过摄像头捕捉药材的图像，上传到计算机识别出可能含有的霉变药材、杂草、枝梗和混入的其他药材等，然后控制机械手抓取。通过深度学习算法进行训练，提高识别的精度，相关研究结果表明，通过一定程度的训练后，识别准确率可以达到97％以上。这与人工挑选相比，具有工作效率高、省力的特点。而且不会出现因人工精力问题而出现误判和漏判的现象。

附图说明

图1为本发明结构的三维示意图。

图2为本发明结构的正视图。

图3为本发明结构的俯视图。

图中所述文字标注表示为：1、进料口；2、筛分箱体；3、上筛网；4、电机；5、下筛网；6、第一支架；7、曲柄连杆机构；8、出料口；9、电磁辊子装置；10、驱动装置；11、传送带；12、第二支架；13、摄像头；14、机械手；15、收集箱。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图3所示，本发明的具体结构为：它包括振动筛分装置、电磁辊子装置9、图像识别挑拣装置以及传送装置；振动筛分装置包括筛分箱体2，筛分箱体2的上下端分别设置有进料口1和出料口8；筛分箱体2内活动设置有上筛网3和下筛网5；下筛网5的下端设置有收集箱15；筛分箱体2的侧端通过曲柄连杆机构7与电机4连接实现筛分装置的往复振动；出料口8的下端设置有传送装置，传送装置包括传送带11和驱动装置10，传送带11上设置有电磁辊子装置9；传送带11上设置有图像识别挑拣装置，图像识别挑拣装置包括摄像头13和机械手14以及进行图像识别的计算机。电磁辊子装置9是一个可以旋转的圆柱形电磁铁，贴近传送带11，用来吸附金属杂质。

作为本发明具体的一个实施例，上筛网3和下筛网5分别通过卡块与筛分箱体2活动连接，上筛网3和下筛网5都是倾斜安装且倾斜方向相反，与水平面呈20度的角度。这样在箱体进行往复运动时，筛网上的药材逐渐滑落，这样既可以充分筛分掉杂质，也可以防止阻塞。上筛网3和下筛网5都是可拆卸的，可更换不同孔径的筛网，以适应筛分不同种类的药材。

作为本发明具体的一个实施例，振动筛分装置设置在第一支架6上，传送装置设置在第二支架12上。

作为本发明具体的一个实施例，曲柄连杆机构7由连杆和两个曲柄构成，一个曲柄连接在电机4上作圆周运动，另一个固连在箱体上。曲柄和连杆之间由轴承连接。

作为本发明具体的一个实施例，筛分箱体2的箱体底部有四个轮子用于在第一支架6上的滑轨上往复运动。

作为本发明具体的一个实施例，机械手14有两个，分别位于传送带前进方向的左右两侧，接收计算机信号实施抓取杂质的工作。

作为本发明具体的一个实施例，传送带11通过蜗轮蜗杆装置来驱动，蜗轮蜗杆装置是变向传动机构，将驱动装置10的动力传动方向旋转了90度，这样电机可以沿纵向布置，节省了空间。

一种挑拣中药材中杂质的自动化设备的使用方法，包括以下步骤：

S1、将需要挑拣的中药材从进料口1进入筛分箱体2内，筛分箱体2通过与电机4连接实现筛分装置的往复振动，筛分箱体2内有上筛网3和下筛网5，底部的筛网可对药材进行二次筛分，充分筛除掉所含的颗粒物杂质，如沙粒、碎屑等，同时这些杂质可从底部的筛孔中直接落到地面的收集箱15内。上筛网3和下筛网5药材滑落，进而从出料口8排出到传送带11上；

S2、传送带11上方的电磁辊子装置9，用于吸附中药材中可能含有的金属碎屑等，使用电磁辊子装置9也便于后续的清理工作；

S3、传送带11的上方设置有图像识别挑拣装置，用于挑拣前两个阶段未能处理的杂质，如发霉变质的药材、杂草、枝梗和混入的其他药材。该部分装置首先通过摄像头13拍取图像，上传到与其相连的计算机通过相应的卷积神经网络系统进行识别，若识别出非中药材，计算机反馈信号给机械手14进行抓取；

S4、卷积神经网络包含输入层、隐含层和输出层。其中隐含层包括包含卷积层、池化层和全连接层；其中隐含层包括包含卷积层、池化层和全连接层；

c、积层的功能是对输入数据进行特征提取，其内部包含多个卷积核。卷积核在工作时，会有规律地扫过输入特征，对输入特征做矩阵元素乘法求和并叠加偏差量:

式中：Z(i,j)对应特征图的像素，K为特征图的通道数，f、S

b、卷积层进行特征提取后，输出的特征图会被传递至池化层进行特征选择和信息过滤。池化层包含预设定的池化函数，其功能是将特征图中单个点的结果替换为其相邻区域的特征图统计量；

Lp池化：

c、全连接层的作用则是对提取的特征进行非线性组合以得到输出。

工作原理：从进料口1进入筛分箱体2，进料口1呈漏斗形可以方便进料然后经过上筛网3，进行第一次的筛分。电机4通过曲柄连杆机构7实现筛分装置的往复振动，中药材也就落到下筛网5，然后从出料口8传送到传送带11上。上筛网3起到缓冲作用，可以延缓药材下落的速度避免出现阻塞的情况。下筛网5可对药材进行二次筛分，充分筛除掉所含的颗粒物杂质，如沙粒、碎屑等，同时这些杂质可从底部的筛孔中直接落到地面的收集箱15内。筛网设置成倾斜的原因是，在整个装置往复振动时，倾斜筛网上的药材可以滑落，进而从出料口8排出到传送带11上。筛网设置成可替换的，针对不同的中药材可更换不同孔径的筛网。然后到达下一个阶段，通电后的电磁辊子装置9可以吸附传送带11上药材中可能含有的金属碎屑等。最后一个阶段是对中药材中的杂草、枝梗和霉变个体进行挑拣，先是由摄像头13拍取药材的图像，并上传至与其相连的计算机中由神经网络算法进行识别，若发现杂质，计算机反馈信号给与其相连的机械手14来实施抓取。以上是挑拣杂质的全部过程，挑拣结束后，中药材可从传送带11末端进入其他加工阶段。

工作时会随着传送带11的运动不停滚动，防止杂质累积。清理的时候只需断掉电磁铁的电源。用于拍摄图像的摄像头13位于传送带11上方的桁架上，相关的电路组件也集成在一个方盒中，摄像头13与计算机相连并实时将图像传给计算机进行识别。机械手14有两个，分别位于传送带11前进方向的左右两侧，接收计算机信号实施抓取杂质的工作。

图像识别挑拣装置在投入工作之前，要对其所采用的卷积神经网络进行训练，根据企业的实际情况，构建常用药材的图像数据库或采用通用数据库和常见杂质的图像数据库，使用数据库对网络进行训练，通过不断地训练提升识别准确率，达到生产要求后再投入使用。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。