四種色素植物營養(yǎng)成分測(cè)定及色素穩(wěn)定性研究摘要本文以文山地區(qū)常見的四種色素植物（紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹）為實(shí)驗(yàn)材料，采用儀器分析技術(shù)、稱量分析技術(shù)等研究方法，對(duì)這四種色素植物營養(yǎng)成分進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉這四種色素植物紫蘭草、姜黃VC含量較高，占干物質(zhì)的61%左右，紅藍(lán)草和楓香樹葉VC含量相對(duì)較低，約占干物質(zhì)的16%左右，總糖含量、總灰分等含量較為豐富。通過浸提法提取四種色素植物色素對(duì)其色素穩(wěn)定性進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明：四種色素植物色素具有較高的耐熱性；在光照條件下一定的耐光性，但在長(zhǎng)時(shí)間的光照條件下色素會(huì)發(fā)生褪色反應(yīng)；其在PH4～9時(shí)比較穩(wěn)定，在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿條件下色素不穩(wěn)定；在糖溶液和鹽溶液的影響下四種色素植物吸光度無明顯變化，都有較好的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：色素植物；營養(yǎng)成分；色素穩(wěn)定性目錄第一章前言11.色素植物研究進(jìn)展12.色素研究發(fā)展歷程23.本研究的選題目的、意義3第二章材料與方法4實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備4材料4藥品與試劑4儀器設(shè)備4營養(yǎng)成分測(cè)定方法4色素穩(wěn)定性研究方法4光照影響考察5溫度影響考察5PH值影響考察5調(diào)味品影響考察54.數(shù)據(jù)處理5第三章結(jié)果與分析61.四種色素植物基本營養(yǎng)成分分析6四種色素植物色素穩(wěn)定性研究6光照對(duì)色素穩(wěn)定性的影響6溫度對(duì)色素穩(wěn)定性影響7調(diào)味品對(duì)色素穩(wěn)定性影響8糖溶液對(duì)色素穩(wěn)定性影響8鹽溶液對(duì)色素穩(wěn)定性影響8PH值對(duì)色素穩(wěn)定性的影響9第四章結(jié)論與討論111.結(jié)論112.討論11參考文獻(xiàn)13附錄15致謝17第一章前言1.色素植物研究進(jìn)展色素植物一般指的是植物體內(nèi)含大量的色素，可以用于各類食品染色，作為飲料添加劑以及應(yīng)用于藥品、染料等的一類植物[21]。從植物學(xué)角度劃分，色素植物一般分為木本色素植物和草本色素植物兩類，木本色素植物莖通常為木質(zhì)，常見的木本色素植物有紅花檵木、蘇木等；草本色素植物莖通常為草質(zhì)，常見草本色素植物有莧草、姜黃等。根據(jù)用途可分為食用色素植物、染料色素植物、藥用色素植物等。常見的食用色素植物如密蒙花，其色素可用來食品上色；藥用色素植物藏紅花，其含皂苷、氨基酸等有效成分，具有降逆順氣，開結(jié)消腫等作用；染料色素植物蘇木，其色素用于棉、麻、線、毛等的染色[6]。我國關(guān)于色素植物的發(fā)現(xiàn)和利用有著悠久的歷史，早在《韓非子》這本書里就記載了紫草染絲綢過程，《博物志》里有紅花做胭脂的記載[9]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)知水平的提高，越來越多的色素植物被發(fā)現(xiàn)，1998年李青發(fā)現(xiàn)并指出姜黃是一種黃色素含量極高的色素植物，2017年鐘曼麗對(duì)色素植物進(jìn)行了分類介紹及對(duì)開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討[9]，2018年葉水英在《色素植物與植物色素的應(yīng)用探析》一文中對(duì)色素植物和植物色素進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述和介紹[6]，近幾年來隨著人們對(duì)色素植物研究的不斷深入紅藍(lán)草、紫蘭草、楓香樹葉等植物也被證實(shí)了含有大量色素，可廣泛用于食品染色。紅藍(lán)草（Peristrophebaph-ica(Spreng)Bremek）為爵床科觀音草屬植物[10]，主要分布于我國南方地區(qū)，具有清熱解毒、清肺止咳、利尿等作用,隨著研究的不斷推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)草臨床療效確切，明確了它在抗氧化活性、保肝護(hù)肝、祛痰和免疫、降血壓等多種藥理作用[10]。紫蘭草（Purplegrass）為爵床科植物,又稱為紅蘭、紅絲線[4],主要分布于我國南部各省，性甘、淡、涼，具有清香味，中醫(yī)上用于消炎、清熱解毒、利尿、清肺熱、止咳、散瘀、涼血止血、消腫止痛等作用[4]，具有較大的醫(yī)藥、保健價(jià)值。姜黃（CurcumalongaL.）為姜黃芭蕉目，姜科，姜黃屬植物根狀塊莖，又稱為毫命、寶鼎香、黃姜等[1]。姜黃具有特殊芳香氣味，姜黃色素具有抗腫瘤、抗氧化、抗突變等生物活性[11]，在醫(yī)藥領(lǐng)域被廣泛使用。楓香樹（Liquid-ambarformosanaHance）為金縷梅科楓香樹屬植物，稱為楓樹、黑飯木、三角楓等[20]，楓香樹葉性平，味辛苦，具有祛風(fēng)除濕、行氣止痛，解毒等功效，民間常用于治療急性胃腸炎、痢疾、產(chǎn)后風(fēng)等疾病[13]。2.色素探究發(fā)展歷程生活中常見到的色素主要是天然色素與合成色素兩大類，合成色素大多屬于偶氮類型化合物，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的傷害；天然色素主要是從動(dòng)植物組織或微生物(培養(yǎng))中提取，其中植物色素占多數(shù)。植物色素的使用有著悠久的歷史，我國古代就有使用天然色素作紡織染料、米飯、釀酒、化妝品等色料的記載[9]。在我國古書《食經(jīng)》和《齊民要術(shù)》等中就有關(guān)于利用天然植物色素著色的記載[12]。在古代埃及、印度等國家也有用高粱色素來漂染織物品的記載[9]。上世紀(jì)七十年代英國人W.H.珀金斯發(fā)明了第一個(gè)合成有機(jī)色素苯胺紫以后，有機(jī)色素被相繼合成[17]。人工合成方法所制得的合成色素，由于其穩(wěn)定性較好，著色強(qiáng)度較高，使用方便，價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，很快占領(lǐng)市場(chǎng)，極大的限制了天然色素的使用和發(fā)展，幾乎取代了天然色素[5]。直到20世紀(jì)后，毒理學(xué)和分析化學(xué)的不斷發(fā)展和科學(xué)知識(shí)的普及，人類逐漸認(rèn)識(shí)到合成色素在人體中的轉(zhuǎn)化機(jī)理，認(rèn)識(shí)到多數(shù)的合成色素進(jìn)人人體會(huì)有較為嚴(yán)重的慢性毒性和致畸、致癌性，對(duì)此世界各國都制定了相關(guān)法規(guī)和條例，以嚴(yán)格限制合成色素的使用[5]。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)天然色素的研究越來越受重視，從色素植物中提取的色素?zé)o毒害、無副作用，逐漸在食品、化妝品、醫(yī)藥、染料工業(yè)等方面廣泛應(yīng)用并成為廣大消費(fèi)者的主要需求方向，1988年陳洪祖采用有機(jī)溶劑萃取法從楓香樹葉中提取出了黑色素，并指出楓香樹葉黑色素是一種既安全又具保健和藥用作用的天然色素[22]，天然色素不僅可以賦予食品所需的顏色，而且部分天然色素還具有多種生理功能[17]；1998年李青提出采用浸泡、壓榨、濃縮等工藝從植物提取的天然色素安全無毒，是代替人工合成色素的最佳之選[21]因此天然色素將逐漸擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，地位越來越重要，功能和重要性逐漸凸顯,但維持其穩(wěn)定性仍然是目前需要解決的重要問題。近年來研究表明發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)草汁液含有大量的紫色素[16]，紫蘭草汁液含有大量的紅色素[14]，姜黃根狀具有天然黃色素[1]，楓香樹葉含有大量的花色苷類黑色素[2]，在云南文山、貴州黔東南及廣西等少數(shù)民族聚居的地區(qū)每年農(nóng)歷三月初三、四月初八等節(jié)日，常把紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉搗爛、浸汁，用其浸泡糯米，蒸出來的糯米飯烏黑發(fā)亮，味道誘人的特色食品“五彩花米飯”。隨著社會(huì)的進(jìn)步和新生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，紅藍(lán)草紫色素、紫蘭草紅色素、姜黃黃色素及楓香樹葉黑色素作為一種具有營養(yǎng)，保健價(jià)值的天然功能性色素，比常見合成色素具有更高的營養(yǎng)價(jià)值和安全性能，越來越被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活，在市場(chǎng)上的份額也迅速增加。在文山地區(qū)對(duì)這四種色素植物的研究利用和功能性產(chǎn)品開發(fā)極少，僅停留在傳統(tǒng)的糯米飯染色上，應(yīng)用范圍狹小且營養(yǎng)元素和色素穩(wěn)定性尚不明確。3.本研究的選題目的、意義文山地區(qū)色素植物資源豐富，在天然色素開發(fā)利用等方面具有較大的潛力，一些色素植物可以直接用來作為色素產(chǎn)品的原材料。在該地區(qū)，一些色素植物如：紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉等在節(jié)日生活中被廣泛應(yīng)用于“五色花米飯”制作，使用歷史悠久，賦有濃郁的少數(shù)民族特色。但是，在文山地區(qū)由于開發(fā)利用較少，進(jìn)行天然色素生產(chǎn)加工的企業(yè)也極少，生產(chǎn)規(guī)模較小，且產(chǎn)品種類單一，產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。與發(fā)達(dá)地方相比，文山地區(qū)在野生色素植物資源的開發(fā)利用上仍然存在一些不足：產(chǎn)品開發(fā)和色素資源利用水平低，造成資源浪費(fèi)，缺乏專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)，市場(chǎng)份額占有率低等。因此，合理開發(fā)利用該地區(qū)特色植物資源，提高資源利用率，拓寬色素資源利用渠道，進(jìn)一步開拓天然色素產(chǎn)品銷售市場(chǎng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量是該地區(qū)發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)的必經(jīng)之路。本研究將紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉作為研究對(duì)象，對(duì)其基本營養(yǎng)成分進(jìn)行測(cè)定及色素穩(wěn)定性進(jìn)行探究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，希望通過該研究，紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉這四種色素植物資源能成為天然功能性色素的新成員[17]，能夠?yàn)橥貙捨纳降貐^(qū)色素植物資源在其他行業(yè)的利用范圍，促進(jìn)植物色素商品化生產(chǎn)，增加植物色素產(chǎn)品附加值，為邊疆地區(qū)色素植物的廣泛應(yīng)用及功能性商品開發(fā)提供基礎(chǔ)的理論借鑒。第一章第二章材料與方法實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備材料選取生長(zhǎng)正常的四種色素材料，用清水洗凈，在低溫下烘干，粉碎過篩后用密封袋保存在冰箱里[7]。藥品與試劑葡萄糖（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；鹽酸（優(yōu)級(jí)純，四川西隴科學(xué)有限公司）；硫酸（分析純，重慶萬盛川東化工有限公司）；草酸（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；抗壞血酸（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司）；蒽酮（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。儀器設(shè)備DHG-9145A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海齊欣科學(xué)儀器有限公司）；SK8200BT超聲波清洗器（上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司）；723N可見分光光度計(jì)（上海儀電分析儀器有限公司）TDL-80-2B低速離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器）；DK98-Ⅱ電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司；Scout系列電子天平（奧豪斯儀器有限公司）；DFT-100A手提式高速粉碎機(jī)（溫嶺市林大機(jī)械有限公司）；SRJXSX2系列箱式電爐（上海市崇明實(shí)驗(yàn)儀器廠）；KSW-4-11電爐溫度控制器（上海市崇明實(shí)驗(yàn)儀器廠）SHSDJ-01PH值檢測(cè)筆（上海三愛思試劑有限公司）；B-廣泛試紙（上海三愛思試劑有限公司）。四種色素植物營養(yǎng)成分測(cè)定方法總灰分含量測(cè)定采用灰化法[19]；水分和干物質(zhì)含量測(cè)定采用干燥法[19]；采用蒽酮比色法測(cè)定總糖的含量[20]：以標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出樣品糖含量；采用紫外分光光度法測(cè)定VC含量[18]：以VC標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出樣品VC含量。各成分含量平行測(cè)定3次，取平均值。四種色素穩(wěn)定性研究方法采用浸提法[20]對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉進(jìn)行色素提取，將所得色素提取液在紫外分光光度計(jì)下進(jìn)行全波段掃描，得出四種色素的最大吸收波長(zhǎng)分別為：361nm、357nm、349nm、357n。光照影響考察取15ml色素稀釋液于6支試管中，將其中3支置于實(shí)驗(yàn)室窗臺(tái)陽光下；另外3支對(duì)照組用黑紙包裹放在避光條件下。每間隔1h測(cè)定一次色素溶液的吸光度值，連續(xù)測(cè)定8h，考察光照對(duì)色素溶液穩(wěn)定性的影響。溫度影響考察取15ml色素稀釋液于15支試管中，分為5組，每3支試管為一組分別置于20℃、40℃、60℃、80℃、100℃水浴中處理1h，測(cè)定色素溶液的吸光度值，考察溫度對(duì)色素穩(wěn)定性的影響。PH值影響考察取15ml色素稀釋液于15支試管中，分為5組，每3支試管為一組，用膠頭滴管向每組試管中分別滴加pH=1、pH=4、pH=7、pH=9、pH=13的溶液，觀察色素溶液顏色變化，測(cè)定色素溶液吸光度值，考察PH對(duì)色素穩(wěn)定性的影響。調(diào)味品影響考察取10ml色素稀釋液于6支具塞試管中，在3支試管中加入5ml的20%糖溶液，在3支試管中加入5ml的20%食用鹽溶液，黑暗條件下處理12h，測(cè)定色素溶液的吸光度值，考察調(diào)味品白砂糖和食用鹽對(duì)色素穩(wěn)定性的影響，每個(gè)因素設(shè)置3組重復(fù)。4.數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果用excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，采用SPSS16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。第三章結(jié)果與分析四種色素植物基本營養(yǎng)成分分析紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉四種色素植物基本營養(yǎng)成分含量見表3-1，由表3-1可知，紫蘭草、姜黃VC含量較高，占干物質(zhì)的61%左右，紅藍(lán)草和楓香樹葉VC含量相對(duì)較低，約占干物質(zhì)的16%左右，總糖含量、總灰分等含量較為豐富。四種色素植物色素提取部位水分含量較高，其鮮度較好，還含有部分的總糖、維生素C，這些都是人體所必需的營養(yǎng)素，都含有一定量的灰分，灰分含量體現(xiàn)了礦物質(zhì)的含量，其表明，這四種色素植物色素提取部位都含有一定量的礦物質(zhì)元素。表3-1基本營養(yǎng)成分測(cè)定測(cè)定指標(biāo)紅藍(lán)草紫蘭草姜黃楓香樹葉總糖含量(ug/g)0.22920.083760.077280.06144VC（mg/100g)24.23260.51661.267.948水分含量（%）79.2480.7073.1757.58干物質(zhì)含量（%）20.7619.326.8342.42總灰分含量1.4081.541.4891.546四種色素植物色素穩(wěn)定性研究光照對(duì)色素穩(wěn)定性的影響研究了光照對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃和楓香樹葉色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3-1和圖3-2所示，在光照條件下，隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度在減?。辉诒芄鈼l件下，隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度有微小的變化，但基本保持不變；由此可知：光照對(duì)這四種色素植物色素穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，在避光條件下色素的穩(wěn)定性較好。圖3-1光照對(duì)色素穩(wěn)定性影響圖3-2避光條件對(duì)色素穩(wěn)定性影響溫度對(duì)色素穩(wěn)定性影響研究溫度對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3-3所示，隨著溫度升高，色素溶液中水分揮發(fā)，溶液濃度增大，色素溶液的吸光度隨著處理溫度的增加發(fā)生微小的增加現(xiàn)象，其中，前三者吸光度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，姜黃基本保持平穩(wěn)。由此可知：溫度對(duì)這四種色素溶液穩(wěn)定性有一定的影響，但影響不大。圖3-3溫度對(duì)色素穩(wěn)定性的影響調(diào)味品對(duì)色素穩(wěn)定性影響糖溶液對(duì)色素穩(wěn)定性影響研究了調(diào)味品白砂糖對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉色素穩(wěn)定性的影響，如圖3-4所示。隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，四種色素溶液吸光度值變化微小，基本保持不變，由此表明：白砂糖溶液對(duì)這四種色素穩(wěn)定性的影響較小。圖3-4糖溶液對(duì)色素穩(wěn)定性的影響鹽溶液對(duì)色素穩(wěn)定性影響研究了調(diào)味品食用鹽溶液對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3-5所示。隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，紅藍(lán)草、紫蘭草、楓香樹葉色素溶液吸光度值發(fā)生微小的變化，但基本保持穩(wěn)定，姜黃色素溶液吸光度值有減小趨勢(shì)，但減小范圍較小，由此可知：食用鹽溶液對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、楓香樹葉色素穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響但總體上影響較小，對(duì)姜黃色素的穩(wěn)定性也有一定的影響，隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度值減小。圖3-5食用鹽溶液對(duì)色素穩(wěn)定性影響pH值對(duì)色素穩(wěn)定性的影響利用HCL溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)色素溶液pH值，研究了pH對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉色素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3-6所示，當(dāng)pH值在1~4之間，色素溶液吸光度值隨著pH值的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；當(dāng)pH值在4~9之間，吸光度值隨著pH值的增大而保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)pH值在9~13之間，吸光度值隨著pH值的增大而減??；由此表明：強(qiáng)酸或強(qiáng)堿都會(huì)對(duì)這四種色素穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，其中，紫蘭草色素對(duì)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿最為敏感，紅藍(lán)草、姜黃和楓香樹葉色素對(duì)強(qiáng)酸的敏感程度大于對(duì)強(qiáng)堿的敏感程度。圖3-6PH對(duì)色素穩(wěn)定性影響在不同PH條件下，四種色素溶液有不同的顏色反應(yīng)，如表3-2中所示，紅藍(lán)草色素提取液原液顏色為深紫色，當(dāng)pH值在1~7之間，色素溶液呈現(xiàn)紫色，當(dāng)pH=9時(shí)色素溶液顏色變淺，當(dāng)pH=13時(shí)色素溶液顏色變成了黃色；紫蘭草色素提取液原液為紅色，當(dāng)pH值在1~9之間，色素溶液呈現(xiàn)紅色，當(dāng)pH=13時(shí)色素溶液顏色變成了金黃色；姜黃色素提取液原液為黃色，當(dāng)pH在1~9之間，色素溶液呈現(xiàn)黃色，當(dāng)pH=13時(shí)色素溶液顏色變成了橘黃色；楓香樹葉色素提取液原液為淡黃色，當(dāng)在pH=1時(shí)色素溶液顏色顯棕黃色，當(dāng)pH=4~9時(shí)，色素溶液顯淺黃色，當(dāng)pH=13時(shí)色素溶液變成棕黃色。表3-2不同PH下色素溶液顏色變化色素植物PH值顏色1粉紫色4紫紅色紅藍(lán)草7紫色9淺紫色13黃綠色1淺紅色4紅色紫蘭草7紅色續(xù)表3-2色素植物PH值顏色紫蘭草9紅色13金黃色1檸檬黃4檸檬黃姜黃7檸檬黃9黃紅色13橘黃色1棕黃色4淡黃色楓香樹葉7淡黃色9淺黃色13棕黃色第四章結(jié)論與討論結(jié)論本研究通過對(duì)紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉四種色素植物營養(yǎng)成分進(jìn)行測(cè)定和對(duì)其色素穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：一是四種色素植物具有一定量的人體必需營養(yǎng)元素，維生素C、礦質(zhì)元素、總糖等。二是隨著光照時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度減??；隨著避光時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度有微小的變化，基本保持不變，由此表明四種色素對(duì)光照較為敏感，使用時(shí)建議避光保存或現(xiàn)提現(xiàn)用。三是隨著溫度升高，色素溶液吸光度的變化較為微小，其中，紅藍(lán)草、紫蘭草色素溶液吸光度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，姜黃、楓香樹葉色素溶液吸光度變化極小，基本保持不變。由此表明這四種色素?zé)岱€(wěn)定性較好，四是四種色素在糖溶液影響下，隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，色素溶液吸光度值變化微小，基本保持不變，由此表明糖溶液對(duì)這四種色素穩(wěn)定性的影響較小。五是四種色素溶液在食用鹽溶液影響下，隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加，紅藍(lán)草、紫蘭草、楓香樹葉色素溶液吸光度值變化微小，基本保持穩(wěn)定，姜黃色素溶液吸光度值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，由此表明食用鹽溶液對(duì)四種色素穩(wěn)定性的影響較小。六是四種色素在不同pH條件下的穩(wěn)定性存在差異，在酸性條件下吸光度值隨著pH值的增大而減小，在中性條件下吸光度值隨著pH值的增大而保持相對(duì)穩(wěn)定，在堿性條件下吸光度值隨著pH值的增大而減小，此外，不同的酸堿條件下色素溶液有不同的變色反應(yīng)。由此表明強(qiáng)酸或強(qiáng)堿都會(huì)對(duì)這四種色素穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，其中，紫蘭草色素對(duì)強(qiáng)酸或強(qiáng)堿最為敏感，紅藍(lán)草、姜黃和楓香樹葉色素對(duì)強(qiáng)酸的敏感程度大于對(duì)強(qiáng)堿的敏感程度，其中最適pH分別為：紅藍(lán)草4~7，紫蘭草4~9，姜黃4~9，楓香樹葉4~9?？傮w而言，紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉是一種理想的色素來源植物資源，其含有一定量的營養(yǎng)元素，且色素開發(fā)利用性強(qiáng)，具有很好的開發(fā)利用前景。討論色素植物具有廣泛的利用開發(fā)價(jià)值，其色素具有保健、藥用、著色等多種功能，且具有食用安全，無毒無副作用，色澤鮮艷等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品、藥用、化妝品、紡織染料、染發(fā)劑等領(lǐng)域。紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉作為文山地區(qū)的特色植物資源，色素資源含量豐富且具有一定的人體所需營養(yǎng)元素，此外，從紅藍(lán)草、紫蘭草、姜黃、楓香樹葉提取的色素穩(wěn)定性相對(duì)較好，可進(jìn)行廣泛利用和進(jìn)行商品性開發(fā)。葉水英[6]、蔣紅芝[16]等人對(duì)植物色素的營養(yǎng)、保鍵、藥用、著色作用等功能進(jìn)行了全面的闡述，并指出一些色素植物含有大量的糖、酸和VC等人體所需的營養(yǎng)成分[6]，在此實(shí)驗(yàn)中，對(duì)四種色素植物的總糖和VC進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明這四種色素植物都含有糖類植物和VC。此外，李泉岑,王佳奇,伍子涵等研究[23]指出光照條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，天然色素會(huì)發(fā)生氧化作用，顏色降解并逐漸褪色，天然色素儲(chǔ)存應(yīng)避光；天然色素在高溫條件下較為敏感，使用時(shí)溫度不宜過高；天然色素在pH條件下穩(wěn)定性較為復(fù)雜，在不同pH條件下，色素顏色會(huì)發(fā)生變化，大部分天然色素應(yīng)在酸性條件下進(jìn)行儲(chǔ)存；食品添加劑不同對(duì)色素穩(wěn)定性的影響不同，在使用時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。本實(shí)驗(yàn)從光、溫、PH、調(diào)味品四方面對(duì)四種色素穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明四種色素植物色素在長(zhǎng)時(shí)間下對(duì)光照較為敏感，對(duì)熱穩(wěn)定性較好，對(duì)糖溶液和鹽溶液都有較好的穩(wěn)定性，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下色素不穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)仝萌,于翔羽,李淑坤等.微粉化對(duì)姜黃色素粉體學(xué)性質(zhì)及溶出度的影響研究[J].南京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2021,37(2):231-236.張莉,陳燕儀,鐘紅梅等.響應(yīng)面法優(yōu)化楓香樹葉黑色素微波法提取工藝及其穩(wěn)定性研究[J].食品科技,2016,41(11):190-196.辜燕飛,黃瀾,何猛雄等.海南楓香傳統(tǒng)食用黑色素的初步研究[J].食品工業(yè)科技,2007(8):86-87.李云婷,陳煉紅,王琳琳等.響應(yīng)面法優(yōu)化紫蘭草紫色素提取工藝及其穩(wěn)定性研究[J].我國食品添加劑,2020,31(5):87-94.滕云.新疆天然食用植物色素資源開發(fā)與利用[D].新疆師范大學(xué),2004.葉水英.色素植物與植物色素的應(yīng)用探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2018(14):236-238.馮靖,時(shí)玉正,邱曉等.葡萄皮天然色素的提取工藝及其穩(wěn)定性研究[J].食品研究與開發(fā),2018,39(4):60-68.全桂靜.仙人掌果紅色素穩(wěn)定性及抗氧化性的研究[J].我國調(diào)味品，2017,42(11):130-132+136.鐘曼麗.植物色素的提取及染發(fā)性能[D].華南理工大學(xué),2017.韋正,黃秀香,賴紅芳.紅藍(lán)草的化學(xué)成分、藥理活性及開發(fā)應(yīng)用[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2016,28(12):2035-2043.袁守軍,韓銳.姜黃素的癌化學(xué)預(yù)防作用[J].國外醫(yī)學(xué):腫瘤學(xué)分冊(cè),1997,24（5）:264-267.高梅.天然色素的穩(wěn)定性及光降解性能研究[D].蘇州大學(xué),2015.謝瓊臖,鐘有添,楓香樹葉的研究進(jìn)展[J].贛南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,34(4):651-653.劉同方,于華忠,劉建蘭等.紅絲線化學(xué)成分及藥理活性研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,40(19):116-119+124.李潔瑩.蛋白質(zhì)粉的營養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)及對(duì)老年大鼠的抗衰老研究[D].南方醫(yī)科大學(xué),2013.蔣紅芝,義崇寬,楊昌鵬等.紅藍(lán)草紫色素穩(wěn)定性的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(19):4355-4357+4360.孫健.新疆天然食用植物色素資源的開發(fā)與利用——蜀葵紅色素的研究[D].新疆師范大學(xué),2004.陳在新,雷澤湘,劉會(huì)寧等.板栗營養(yǎng)成分分析及其品質(zhì)的模糊綜合評(píng)判[J].果樹科學(xué),2000(4):286-289.劉志宏,蔣勇衡.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)[M].北京:我國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2012.李關(guān)榮,李天俊,馮建成.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:我國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2011.李青.從植物中提取天然色素[J].致富之友,1998(2):20.陳祖洪.從楓香樹葉中提取黑色素的探索[J].林產(chǎn)化工通訊,1998(1):20-21.李泉岑,王佳奇,伍子涵等.天然植物色素穩(wěn)定性及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代食品,2020,(22):59-62A2A1A4A3A5A6如圖所示，A圖（1~4）為不同pH溶液下四種色素植物色素溶液的顯色變化，其中，圖A3為紫蘭草色素溶液的顯色反應(yīng)，pH值從右往左依次為：pH=1、pH=4、pH=7、pH=9、pH=13；圖A4為紅藍(lán)草色素溶液的顯色反應(yīng)，pH值從左往右依次為：原液、pH=1、pH=4、pH=7、pH=9、pH=13；圖A5為姜黃色素溶液的顯色反應(yīng)，pH值從左往右依次為：原液、pH=1、pH=4、pH=7、pH=9、pH=13；圖A4為楓香樹葉色素溶液的顯色反應(yīng)，pH值從右往左依次為：原液、pH=1、pH=4、pH=7、pH=9、pH=13；圖A（1~2）為VC標(biāo)準(zhǔn)曲線和葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。數(shù)字化媒體和展示設(shè)計(jì)的基本概念

數(shù)字化媒體作為一種全新的藝術(shù)形態(tài)，主要是借助于信息化技術(shù)來對(duì)于所開展的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)、全面地分析，從而達(dá)成對(duì)于專業(yè)性要求較高的展示設(shè)計(jì)工作，帶給人們一種新奇的視覺感受[1]。數(shù)字媒體技術(shù)是一種可以對(duì)文字、圖像、音頻等多元化數(shù)字信息進(jìn)行采集、整合、處理與格式轉(zhuǎn)化的現(xiàn)代信息技術(shù)[2]。

展示設(shè)計(jì)是一門綜合性的復(fù)雜藝術(shù)，其宗旨是為大眾傳播展品的信息而服務(wù)。展示設(shè)計(jì)中展品信息通過平面和空間設(shè)計(jì)傳達(dá)給公眾，更加注重以人為本的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)公眾的參觀體驗(yàn)感，提升參展時(shí)的主動(dòng)性與參與是展示設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。數(shù)字化媒體的特征及主要形式

（一）數(shù)字化媒體的特征

1.虛擬性

數(shù)字化媒體作為科技發(fā)展的產(chǎn)物之一，其本質(zhì)是一種虛擬的數(shù)據(jù)源，通過介質(zhì)將數(shù)據(jù)源呈現(xiàn)出來，在展示設(shè)計(jì)中通常是將實(shí)物展品或復(fù)雜的科學(xué)原理內(nèi)容等信息通過虛擬化的形式呈現(xiàn)給公眾，因此第一個(gè)特征就是虛擬性。

2.及時(shí)性

得益于大數(shù)據(jù)時(shí)代的高速發(fā)展，數(shù)字化媒體的虛擬性為其快速傳播提供了便利的條件，公眾隨時(shí)隨地都能夠通過手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等途徑獲取信息，我們身邊無時(shí)無刻不充斥著數(shù)字化信息。

3.互動(dòng)性

傳統(tǒng)展示手法多以靜態(tài)實(shí)物為主，觀眾與展品之間的關(guān)系只能觀看和被觀看。而數(shù)字化媒體則豐富了展品展示的多樣性，觀眾可以通過觀感、觸感、聽感等方式與虛擬的展品互動(dòng)；更深入的細(xì)節(jié)和信息是靜態(tài)展品無法呈現(xiàn)出現(xiàn)來的，通過數(shù)字化多媒體技術(shù)可以讓公眾更加主動(dòng)地去探索這些深層次的信息，從更多維度增加了觀眾與展品的互動(dòng)性。

4.兼容性

與傳統(tǒng)媒體相比較，數(shù)字化媒體可以更好的將設(shè)計(jì)者的理念與展品結(jié)合在一起。同時(shí)將更多的展示信息、各種感官信號(hào)融合到其中，在有限的空間中擴(kuò)充了展示內(nèi)容的信息量。

5.傳播性

數(shù)字化媒體的傳播效應(yīng)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的展示方式，隨著身邊媒體的不斷擴(kuò)展和應(yīng)用，公眾可以通過大數(shù)據(jù)更加及時(shí)、高效、便捷的獲取和傳播信息。

（二）數(shù)字化媒體的主要形式

數(shù)字化媒體的種類可分為觸控、聲控以及動(dòng)作交互三大類。在這三類范圍內(nèi)，展示設(shè)計(jì)中常用的形式包括有LED屏、屏幕投影、虛擬現(xiàn)實(shí)、全息影像等。

LED顯示屏（LED

display）是一種平板顯示器，由一個(gè)個(gè)小的LED模塊面板組成，用來顯示文字、圖像、視頻等各種信息的設(shè)備。[3]屏幕的燈珠間距從P1.2到P5不等，數(shù)值越小畫面越清晰，價(jià)格相對(duì)應(yīng)也越貴。LED屏仍是數(shù)字化媒體中最常用的介質(zhì)，其可以根據(jù)不同的需求，配合營造出不同的場(chǎng)景環(huán)境。如在迪士尼“漫游童話時(shí)光”中，通過LED屏結(jié)合真實(shí)的場(chǎng)景，共同打造出白雪公主的3D動(dòng)畫，生動(dòng)再現(xiàn)經(jīng)典的童話故事，帶給觀眾身臨其境的多感官享受。

屏幕投影技術(shù)由投影機(jī)與投射界面組成，投影方式有前投、背投、組合拼接三種方式。投射畫面效果與空間大小、投影機(jī)自身、投射角度都有關(guān)系。投影幕效果不像LED屏那樣可以呈現(xiàn)高清晰、多細(xì)節(jié)的內(nèi)容；而對(duì)于營造大畫面的氛圍空間還是能起到很大的作用。在上海天文館“星際穿越”大型多媒體秀中，給觀眾構(gòu)建出宇宙磁場(chǎng)的氛圍感，同時(shí)還設(shè)計(jì)了動(dòng)作交互，當(dāng)觀眾走到固定點(diǎn)的位置，通過攝像頭的捕捉，還能看到自己的身影出現(xiàn)在宇宙銀河的畫面中，通過數(shù)字化媒體技術(shù)的應(yīng)用，讓觀眾體驗(yàn)了一把在宇宙中遨游的神秘感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要模擬環(huán)境、聽覺、觸覺、味覺、力覺等多重感官體會(huì)，通過文字、圖片、聲音、視頻等內(nèi)容的傳入，利用各種穿戴式設(shè)備融入到參與者的大腦中，給人營造一種逼真的自我操作與控制的虛擬體驗(yàn)，增強(qiáng)了三維空間的沉浸感。在So

Real元宇宙超體空間中，大量運(yùn)用了VR技術(shù)，通過配戴設(shè)備讓觀眾在室內(nèi)可以體驗(yàn)到跳傘、天宮賽馬、VR過山車、西游記仙境闖關(guān)等不同形式的體驗(yàn)。通過數(shù)字化多媒體技術(shù)模擬這些在現(xiàn)實(shí)生活中不存在的場(chǎng)景，給體驗(yàn)者打造了沉浸式的逼真體驗(yàn)感，讓觀眾充分享受了數(shù)字化媒體帶來的多感官盛宴。數(shù)字化媒體在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用

數(shù)字化媒體因其可承載內(nèi)容的多樣性，在舞美、文化傳播、科普教育等不同行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，在影視、博物館、科技類場(chǎng)館、游樂場(chǎng)所中大眾通過手機(jī)、網(wǎng)頁、電視等端口可以獲得和傳播信息。

在舞臺(tái)美術(shù)方面，隨著人們對(duì)審美需求的逐漸提升，數(shù)字化媒體技術(shù)的運(yùn)用使得舞臺(tái)美術(shù)效果更加立體、更加生動(dòng)、更加唯美。2022年冬奧會(huì)開幕式運(yùn)用了多種數(shù)字化媒體技術(shù)，多種數(shù)字化媒體的融合使用，虛與實(shí)的結(jié)合，打造出了一場(chǎng)美輪美奐的藝術(shù)效果。

在文化傳播方面，博物館等的展示設(shè)計(jì)也逐漸采用數(shù)字化的媒體方式，其可以更好的將靜態(tài)的展品展示給公眾?！皞ゴ蟮拈_端”——中共一大紀(jì)念館中設(shè)計(jì)了虛擬數(shù)字解說員，觀眾可以通過與虛擬人的對(duì)話來咨詢相關(guān)問題。此外紀(jì)念館中還采用了多媒體數(shù)字沙盤，根據(jù)講解員講述內(nèi)容的不同，沙盤上的燈光會(huì)隨之移動(dòng)，通過數(shù)字化媒體的動(dòng)態(tài)投影和LED屏，讓觀眾更加生動(dòng)、直觀的了解到“一大”到“四大”的故事歷程，數(shù)字化媒體為文化傳播提供了便利的載體。機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步給這個(gè)難題帶來了轉(zhuǎn)機(jī)，為解決日常生活里清潔工作效率較低和成本高昂的問題，掃地機(jī)器人這種智能清掃吸塵工具被研發(fā)出來，該類機(jī)器人可以高效率低成本的完成各種清潔工作[1]；國內(nèi)外市場(chǎng)上也相繼出現(xiàn)了臺(tái)灣浦桑尼克、中國科沃斯、荷蘭飛利浦、美國IRobot等等眾多掃地機(jī)器人的品牌供人們選擇[2-3]，但盡管掃地機(jī)器人的品牌如此繁多，卻很少有針對(duì)高層建筑樓梯清掃問題的類型，主要原因在于普通掃地機(jī)器人在平時(shí)的清掃工作中難以跨越樓梯上的臺(tái)階結(jié)構(gòu)[4-5]。因此，針對(duì)普通掃地機(jī)器人難以攀爬樓梯這個(gè)難題以及市場(chǎng)中缺少可以清掃高層建筑樓梯的掃地機(jī)器人這個(gè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種擁有攀爬樓梯能力的高層建筑樓梯清掃機(jī)器人很有必要。

1

高層建筑樓梯清掃機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的高層建筑樓梯清掃機(jī)器人，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要分為行走機(jī)構(gòu)，攀爬機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。其中行走機(jī)構(gòu)由行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和萬向輪組成；攀爬機(jī)構(gòu)由攀爬電機(jī)，連桿和傳動(dòng)軸組成，四個(gè)攀爬電機(jī)對(duì)稱分布在樓梯清掃機(jī)器人左右兩側(cè)的前端與后端；清掃機(jī)構(gòu)由吸塵裝置，清潔滾筒和清潔毛刷構(gòu)成，吸塵裝置內(nèi)置在樓梯清掃機(jī)器人的中部，由吸風(fēng)機(jī)和垃圾存儲(chǔ)盒組成，垃圾存儲(chǔ)盒內(nèi)有抽拉式存儲(chǔ)盒和垃圾防倒置擋板兩大結(jié)構(gòu)，清潔滾筒由大型清潔滾筒和小型清潔滾筒兩種類型組成，大型清潔滾筒安置在樓梯清掃機(jī)器人的底端，小型清潔滾筒安置在樓梯清掃機(jī)器人的前端。清潔毛刷則由滑動(dòng)清潔毛刷和轉(zhuǎn)動(dòng)清潔毛刷兩種組成，滑動(dòng)清潔毛刷位于樓梯清掃機(jī)器人前端與小型清潔滾筒配合進(jìn)行樓梯側(cè)面的清潔，轉(zhuǎn)動(dòng)清潔毛刷位于樓梯清掃機(jī)器人的底端與大型清潔滾筒配合進(jìn)行樓梯地面的清潔。

2

高層建筑樓梯清掃機(jī)器人工作原理

該樓梯清掃機(jī)器人的工作原理由路線感應(yīng)與識(shí)別、智能行進(jìn)與樓梯攀爬，組合式清潔三大部分組成。該機(jī)器人的智能控制中樞先對(duì)清掃路線進(jìn)行識(shí)別，通過位于光電傳感器和紅外測(cè)距傳感器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置檢測(cè)并反饋至控制中樞進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，規(guī)劃合理的行進(jìn)路徑，控制中樞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)與行走電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人直線和轉(zhuǎn)向行駛。當(dāng)該機(jī)器人在到達(dá)樓梯邊緣時(shí)，智能控制中樞將前進(jìn)模式切換為攀爬模式，此時(shí)位于該機(jī)器人后端的兩根傳動(dòng)軸在攀爬電機(jī)的控制下進(jìn)入自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，位于前端的兩根傳動(dòng)軸隨著攀爬電機(jī)的工作開始轉(zhuǎn)動(dòng)并將機(jī)器人后端抬起并傳送到上一層臺(tái)階面處，完成對(duì)上一層臺(tái)階的攀爬。此后，所有攀爬電機(jī)停止工作，繼續(xù)開始對(duì)臺(tái)階面的橫向清潔工作。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整段樓梯的攀爬和清掃工作。

3

高層建筑樓梯清掃機(jī)器人的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1

萬向輪部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

萬向輪部分結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)輪、行走電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、大錐齒輪、小錐齒輪、齒輪、齒圈、滾子、旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)滑槽和固定外殼組成。行走電機(jī)位于萬向輪頂端，通過齒輪機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)輪相連接，齒輪機(jī)構(gòu)由一大一小兩個(gè)錐齒輪組成，行走電機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)小錐齒輪在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，小錐齒輪水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大錐齒輪進(jìn)行豎直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)將行走電機(jī)的水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輪的豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的前進(jìn)與后退。轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪、齒圈、滾子與旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)滑槽則構(gòu)成萬向輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向電機(jī)位于行走電機(jī)側(cè)端，與齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連接，齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由齒輪與齒圈組成，當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)向電機(jī)連接的齒輪也隨之在齒圈內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)位于萬向輪固定外殼上端的滾子開始滾動(dòng)，滾子沿著萬向輪固定外殼上的旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)槽進(jìn)行滾動(dòng)，帶動(dòng)萬向輪底部的驅(qū)動(dòng)輪的方向進(jìn)行改變，直至到達(dá)所需方向后轉(zhuǎn)向電機(jī)停止工作，驅(qū)動(dòng)輪方向確定。該萬向輪通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)輪方向和行走電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)輪啟停，實(shí)現(xiàn)該輪向所有方向行動(dòng)的功能。如圖2所示，為萬向輪部分結(jié)構(gòu)的示意圖。

3.2

吸塵裝置部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

吸塵裝置部分結(jié)構(gòu)由吸風(fēng)機(jī)、垃圾存儲(chǔ)盒、垃圾防倒置擋板、電源裝置和兩個(gè)吸風(fēng)口組成，吸風(fēng)機(jī)位于吸塵裝置的頂端前段，四周及頂端被吸塵裝置保護(hù)殼所包裹著，下端連接著吸塵裝置的主體，左側(cè)和右側(cè)一共兩個(gè)吸風(fēng)口位于吸塵裝置主體的底端，兩個(gè)吸風(fēng)口的中間是垃圾存儲(chǔ)盒；垃圾存儲(chǔ)盒由可抽拉式存儲(chǔ)盒、紅外測(cè)距傳感器和齒輪齒條式開關(guān)組成，當(dāng)紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到存儲(chǔ)盒內(nèi)垃圾存儲(chǔ)滿時(shí)會(huì)反饋給智能控制中樞，智能控制中樞會(huì)反饋至顯示屏上顯示盒內(nèi)垃圾已滿，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒條式開關(guān)可拉出可抽拉式存儲(chǔ)盒倒出垃圾；在兩個(gè)吸風(fēng)口的上方有兩個(gè)傾斜放置并且可以活動(dòng)的垃圾防倒置擋板，這兩個(gè)垃圾防倒置擋板同時(shí)也與垃圾存儲(chǔ)盒的頂端開口相連接；吸塵裝置工作時(shí)，吸風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并產(chǎn)生向內(nèi)吸取的風(fēng)力，通過吸塵裝置內(nèi)部通道將吸力傳輸至垃圾防倒置擋板處，使可活動(dòng)的垃圾防倒置擋板被吸力吸動(dòng)向上抬起，使吸力繼續(xù)傳輸至吸風(fēng)口，將吸風(fēng)口下方的垃圾吸起，在通過垃圾防倒置擋板后落入垃圾存儲(chǔ)盒內(nèi)；吸塵裝置停止工作時(shí)，吸風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，吸力消失，垃圾防倒置擋板落下并回歸原位置，此時(shí)垃圾被封閉于垃圾存儲(chǔ)盒中且無法掉出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)清掃過程中垃圾的存儲(chǔ)功能。

3.3

攀爬樓梯裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攀爬樓梯傳動(dòng)裝置的主體位于高層建筑樓梯清掃機(jī)器人的左右兩個(gè)側(cè)端面；該裝置由攀爬電機(jī)、傳動(dòng)軸和連桿組成，四個(gè)攀爬電機(jī)分布于機(jī)器人兩個(gè)側(cè)端的前端和后端，傳動(dòng)軸位于每個(gè)攀爬電機(jī)與連桿連接的位置，連桿通過四個(gè)傳動(dòng)軸上的花鍵將位于機(jī)器人前端和后端的攀爬電機(jī)兩兩連接在一起，裝置運(yùn)行時(shí)，位于機(jī)器人后端的兩根傳動(dòng)軸在攀爬電機(jī)的控制下進(jìn)入非工作狀態(tài)，此時(shí)傳動(dòng)軸可隨重心變化隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，位于前端的兩根傳動(dòng)軸隨著攀爬電機(jī)的運(yùn)行開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于傳動(dòng)軸上花鍵的特殊結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)軸同時(shí)會(huì)帶動(dòng)連桿進(jìn)行一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)器人后端被抬起并隨著傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而從后方向前方移動(dòng)位置，直至后端被移至下一階樓梯上穩(wěn)定之后，所有攀爬電機(jī)停止工作，傳動(dòng)軸不再轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)上一階樓梯的攀爬，循環(huán)往復(fù)該流程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整段樓梯的攀爬。

1

硬件系統(tǒng)

圖1為系統(tǒng)硬件概述。分揀站點(diǎn)內(nèi)部，有多臺(tái)計(jì)算機(jī)和機(jī)器人，機(jī)器人以NVIDIA

Jetson

TX2作為控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)與機(jī)載NVIDIA

Jetson

TX2配置在同一局域網(wǎng)絡(luò)下并建立主從關(guān)系，計(jì)算機(jī)作為從機(jī)，機(jī)載NVIDIA

Jetson

TX2作為主機(jī)。

其次，將NVIDIA

Jetson

TX2與用于測(cè)量障礙物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的激光雷達(dá)，用于收集深度信息、進(jìn)行圖像識(shí)別以及二維碼識(shí)別的視覺傳感器，用于提供外部視覺位姿估計(jì)的IMU傳感器，用于測(cè)量機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)通道上與通道邊緣距離的超聲波傳感器，用于測(cè)量機(jī)械臂夾持狀態(tài)的壓力傳感器連接。

此外，由Arduino充當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制中心，Arduino與光電碼盤相連，光電碼盤通過串口為板載計(jì)算機(jī)提供里程計(jì)數(shù)據(jù)，程序通過PID（比例積分微分）運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。

最后，該機(jī)器人配備了一個(gè)電源系統(tǒng)，用于電能分配并為決策單元，運(yùn)動(dòng)控制單元以及執(zhí)行單元供電。

1.1傳感器介紹

機(jī)器人系統(tǒng)使用了（1）深度相機(jī)，與激光雷達(dá)相配合的深度攝像頭可以為創(chuàng)建二維柵格地圖提供深度信息。此外，在匹配貨物時(shí)通過掃描貨箱上的二維碼提取貨物信息，進(jìn)而控制機(jī)械臂動(dòng)作。（2）USB相機(jī)，機(jī)器人機(jī)身前方固定的USB相機(jī)可以收集環(huán)境信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入端數(shù)據(jù)。（3）激光雷達(dá)，當(dāng)機(jī)器人在快遞站點(diǎn)的貨架間移動(dòng)時(shí)，激光雷達(dá)用于建立地圖并根據(jù)地圖進(jìn)行自主定位和規(guī)劃路徑。（4）IMU傳感器，作用是提供位姿估計(jì)，其內(nèi)由三個(gè)三軸傳感器構(gòu)成，分別是加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)，能夠感應(yīng)線性加速度，角旋轉(zhuǎn)速度和磁場(chǎng)矢量。（5）超聲波傳感器，提供機(jī)器人距離道路邊緣的距離信息。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在達(dá)到最優(yōu)化之前會(huì)經(jīng)歷神經(jīng)元權(quán)重與卷積核不斷迭代調(diào)整的過程，因此提高初期的分類正確率尤為關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果人為調(diào)整一個(gè)距離閾值，當(dāng)距離大于該閾值時(shí)，增加直行結(jié)果的權(quán)重，當(dāng)距離小于等于該閾值的時(shí)候，增加轉(zhuǎn)向結(jié)果的權(quán)重，可以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的準(zhǔn)確率。（6）壓力傳感器，當(dāng)機(jī)械臂前爪內(nèi)側(cè)的壓力傳感器達(dá)到閾值并被觸發(fā)后，視為貨物被夾緊，機(jī)械臂開始搬運(yùn)。

1.2控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)主要由兩部分組成（1）決策控制：由運(yùn)行ROS的從機(jī)與板載的NVIDIA計(jì)算機(jī)組成，NVIDIA計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)采集底盤與傳感器信息，并實(shí)現(xiàn)部分算法，而ROS從機(jī)經(jīng)過配置之后與NVIDIA計(jì)算機(jī)以主從方式工作，并負(fù)責(zé)執(zhí)行高級(jí)算法。（2）運(yùn)動(dòng)控制：以Arduino為主控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。由于PID控制具有較好的魯棒性并且易于實(shí)現(xiàn)，因此運(yùn)動(dòng)控制單元采用PID閉環(huán)控制，光電碼盤在PID調(diào)節(jié)之前可以精確測(cè)量里程信息。

1.3執(zhí)行系統(tǒng)介紹

執(zhí)行系統(tǒng)主要包含兩部分，一是三軸全向輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。即驅(qū)動(dòng)單元由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和三個(gè)電機(jī)組成，每個(gè)電機(jī)連接一個(gè)全向輪。該方式可以控制機(jī)器人的前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)，平移，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性。二是抓取貨物的多自由度機(jī)械臂，由多個(gè)舵機(jī)通過連接擴(kuò)展板上不同的端口，在壓力傳感器的幫助下，穩(wěn)定抓取不同尺寸的貨物。

1.4電源系統(tǒng)單元

該機(jī)器人由可充電鋰聚合物電池供電，并通過一種簡(jiǎn)單的電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。電源系統(tǒng)可以合理地進(jìn)行電能分配并保證兩組24V，2600mAh的電池均勻放電，保證機(jī)器人在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。它們被安置在固定于機(jī)器人載物臺(tái)下方的電池箱中，以便從機(jī)身上拆卸。其中一個(gè)電池組連接到電源模塊，另外一個(gè)電池組連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。一、理論基礎(chǔ)

（一）弧焊機(jī)器人變位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

矩陣運(yùn)算可以表示某一點(diǎn)、一個(gè)向量、特定坐標(biāo)系的平移運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際的工程設(shè)備中，矩陣可表示一個(gè)物體或者其它的運(yùn)動(dòng)組件在坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。本文研究的就是用矩陣來表示弧焊機(jī)器人變位機(jī)的各個(gè)功能模塊和各個(gè)組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

本文以IRB1400型號(hào)機(jī)器人作為研究的對(duì)象，該型號(hào)機(jī)器人模型有六個(gè)關(guān)節(jié)角度，具體如圖1所示：

IRB1400型號(hào)機(jī)器人主要參數(shù)指標(biāo)是：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、連桿扭角、連桿長(zhǎng)度、連桿距離和連桿的個(gè)數(shù)。這些參數(shù)決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。具體參數(shù)如表1所示：

變位機(jī)工作原理就是拖動(dòng)待焊工件，使焊縫不斷移動(dòng)到最佳待焊位置。變位機(jī)的主要參數(shù)：θα和θβ，代表兩個(gè)關(guān)節(jié)角度。為了便于分析，在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型時(shí)，往往選取變位機(jī)作為弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，如圖3所示：

依據(jù)D-H描述法，確定每一個(gè)桿件的參數(shù)和相互關(guān)系，在每一個(gè)連桿上設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系，用矩陣變換原理來表達(dá)相鄰連桿的參數(shù)和相互關(guān)系，包括焊槍和變位機(jī)待焊點(diǎn)之間的關(guān)系。

根據(jù)D-H描述法，在弧焊機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位置變換中，第N+1關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系相對(duì)前一坐標(biāo)系N的位置姿態(tài)矩陣的表示如下：

二、對(duì)運(yùn)動(dòng)方程模型進(jìn)行模擬仿真

（一）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬仿真的建立

通過矩陣的變換運(yùn)算，可以對(duì)弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行正解和逆解運(yùn)算并可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過正解與逆解運(yùn)算公式的程序求解，即可以把弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化。當(dāng)正解與逆解運(yùn)算的因果關(guān)系對(duì)應(yīng)，則可以說明運(yùn)動(dòng)模型是正確的；反之，可以認(rèn)為數(shù)學(xué)模型建立錯(cuò)誤，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。本文是基于MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行模擬仿真。

弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)在工作過程中會(huì)因?yàn)樽陨淼牡恼饎?dòng)而使得焊槍發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)造成焊槍“蟻動(dòng)”現(xiàn)象，實(shí)際焊接位置與理論焊縫有偏差。為此在計(jì)算過程中加反饋因數(shù)，對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

表2數(shù)據(jù)是弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)過程中選擇的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)數(shù)據(jù)：

MATLAB仿真軟件通過對(duì)焊縫上這些特殊點(diǎn)的處理，在模擬仿真過程之前，MATLAB軟件可以得到比較光滑的曲線焊縫。如圖4，就是由已知特殊點(diǎn)生成的焊縫曲線。

利用上一節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型公式，在MATLAB里輸入相應(yīng)的控制程序，焊縫曲線是可以根據(jù)特殊點(diǎn)生成。利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)模擬程序進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練，包括訓(xùn)練信息TrainingInfo、訓(xùn)練參數(shù)Training。通過訓(xùn)練，即可以得到模擬仿真圖形。

（二）仿真效果分析

通過對(duì)參數(shù)訓(xùn)練和對(duì)控制信息的訓(xùn)練，可以得到各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況。

分析誤差范圍，看是否在允許的范圍之內(nèi)。由圖6可以看出運(yùn)動(dòng)時(shí)間是0到5秒之間，各個(gè)運(yùn)動(dòng)的線性速度的波動(dòng)值的變化在0至1.2之間，完全可以達(dá)到精度要求。

同時(shí)，在仿真過程中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生成作業(yè)示意圖，如圖7所示。

利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，容易驗(yàn)證弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)末端運(yùn)動(dòng)軌跡正解矩陣的正確性。除去機(jī)械設(shè)備本身的因素造成的誤差，如果正解模擬仿真運(yùn)算與逆解仿真運(yùn)算相吻合，就可以證明系統(tǒng)模型是正確的。反之，如果正解運(yùn)算與逆解運(yùn)算相差太大，則說明模型建立出現(xiàn)了錯(cuò)誤。通過模擬仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并能為實(shí)際的作業(yè)過程提供理論性的指導(dǎo)。

焊槍位置姿態(tài)與變位機(jī)位置姿態(tài)協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃受很多因素的影響，比如工藝參數(shù)、工件形狀和板厚等，其最終的姿態(tài)是難以進(jìn)行精確量化的，所以必須依靠大量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)積累。因此，將弧焊機(jī)器人與變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所得到的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在運(yùn)算的復(fù)雜程度方面得到很大降低。當(dāng)然，在生產(chǎn)應(yīng)用中，還要借助其他很多的理論知識(shí)，比如基于焊縫特征的焊縫中心線信息獲取方法，智能感應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)焊縫的識(shí)別等。

1.1微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)分析

微電網(wǎng)是比較特殊的一種電網(wǎng)，它的這種特殊性，使其在保護(hù)方面有別于傳統(tǒng)的保護(hù)。在微電網(wǎng)的饋線上存在若干個(gè)DG，并且微電網(wǎng)本身還具有兩種不同的運(yùn)行模式，基于這一前提，使短路電流也存在非常大的差異，由此進(jìn)一步增大了微電網(wǎng)的保護(hù)難度。如何在不同運(yùn)行方式下均可以對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部故障進(jìn)行快速、準(zhǔn)確響應(yīng)是微電網(wǎng)保護(hù)的難點(diǎn)問題，針對(duì)這一情況，業(yè)內(nèi)的專家結(jié)合前人的研究成果，并經(jīng)過反復(fù)的論證，提出了如下兩種方法，一種是基于對(duì)稱電流分量法，另一種是孤島檢測(cè)法，上述方法與兩種運(yùn)行方式相對(duì)應(yīng)，給微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供了保障。

1.2微電網(wǎng)控制

對(duì)于微電網(wǎng)而言，其控制目標(biāo)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1.2.1調(diào)節(jié)饋線潮流

對(duì)饋線上的潮流進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)，是微電網(wǎng)控制的最為主要的目標(biāo)之一，在此基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)有功與無功的解耦控制。

1.2.2調(diào)節(jié)電壓

這里所指的電壓是微電源的出口電壓，通過對(duì)該電壓的調(diào)節(jié)，可使微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置處的電壓穩(wěn)定性獲得顯著增強(qiáng)。

1.2.3實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)

當(dāng)微電網(wǎng)以孤島方式運(yùn)行的時(shí)候，為系統(tǒng)提供相應(yīng)的電壓及頻率參考，從而保證網(wǎng)內(nèi)的所有電源均能夠快速做出響應(yīng)，各個(gè)微電源會(huì)按照自身的容量對(duì)用戶負(fù)荷進(jìn)行合理分擔(dān)。

微電網(wǎng)常見的控制方法有三種，分別為基于多代理技術(shù)的控制、基于電力電子技術(shù)的對(duì)等控制和基于功率管理系統(tǒng)的控制。

2基于風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的建模與仿真

2.1系統(tǒng)建模

結(jié)合前人的研究成果，本次系統(tǒng)建模的具體思路如下：搭建永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙極光伏發(fā)電系統(tǒng)。在微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的方式下，為使風(fēng)能和光能等可再生能源的利用效率得到進(jìn)一步提升，通過最大功率跟蹤法對(duì)大電網(wǎng)供應(yīng)的能量進(jìn)行補(bǔ)充，由此可達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。

2.1.1風(fēng)電系統(tǒng)的模型構(gòu)建

風(fēng)能是目前得到有效開發(fā)利用的一種能源，可再生性和清潔性是該能源最為突出的特點(diǎn)。由于風(fēng)在自然界中無處不在，因此可以借助風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，由此使得風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。風(fēng)電實(shí)質(zhì)上就是借助風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，它的基本原理是將風(fēng)流動(dòng)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并以發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本次研究中選用的發(fā)電機(jī)組為永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)有兩種類型，一種是帶齒輪的，另一種是不帶齒輪的，本文選擇后者，這種類型的發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性更高，機(jī)械能的損耗相對(duì)較小。同時(shí)，采用如下發(fā)電方式：恒頻變速和雙向變流器，對(duì)定子的有功和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的解耦控制。風(fēng)電系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：永磁同步發(fā)電機(jī)、逆變器、整流器、濾波器、線路等。

（1）風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力模型。由風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)能夠獲得其輸出功率，如下式：

在式（1）和式（2）中，TW表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩（單位：N·m）；ρ為空氣密度（單位：kg/m3）；R為風(fēng)輪機(jī)的半徑（單位：m）；ν代表風(fēng)速（單位：m/s）；Cp代表風(fēng)能的利用系數(shù)。

（2）最大功率跟蹤。本次研究中，選用爬山法作為最大功率跟蹤點(diǎn)的控制算法，其原理如圖1所示。

通過PW=TW×ω，可以計(jì)算出捕獲到的風(fēng)能，該式中ω代表風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，圖1中的?ω代表步長(zhǎng)。為使功率能夠保持在最高點(diǎn)上進(jìn)行持續(xù)性輸出，可使轉(zhuǎn)速在最大功率點(diǎn)上保持運(yùn)轉(zhuǎn)，這一目標(biāo)可以通過對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)予以實(shí)現(xiàn)。

（3）整流器控制。發(fā)電機(jī)定子d和q軸的關(guān)系如圖2所示。

在閉環(huán)控制的狀態(tài)下，將ω*與ωs的差傳給PI，并以輸出值作為電機(jī)定子q軸上的電流參考值I*sq，隨后用該值與實(shí)測(cè)的Isq做差，并利用PI進(jìn)行調(diào)節(jié)，因永磁電機(jī)不負(fù)責(zé)勵(lì)磁電流的供給，故此可以設(shè)d軸電流I*sq=0。

（4）逆變器控制。在微電網(wǎng)的直流側(cè)對(duì)逆變器進(jìn)行雙向閉環(huán)控制，具體的控制原理如圖3所示。

圖3中，通過電流內(nèi)環(huán)可以對(duì)P和Q的功率解耦進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此能夠完成無功功率的輸出，并使這部分功率流入饋線當(dāng)中，有功功率會(huì)注入到微電網(wǎng)系統(tǒng)。商品生產(chǎn)日期的識(shí)別問題本質(zhì)上是字符識(shí)別的問題。傳統(tǒng)的字符識(shí)別算法如最近鄰（KNN）算法、模板匹配]、支持向量機(jī)（SVM）等，對(duì)漢字、字母與數(shù)字混合復(fù)雜字符串的分類問題有識(shí)別能力低下、處理速度慢等問題，雖然卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相同字符集的識(shí)別速度高于以上所提算法，但卻存在著由于網(wǎng)絡(luò)層次太多、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)太多而引起的識(shí)別準(zhǔn)確度下降，即網(wǎng)絡(luò)模型退化問題[3]。殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既可以使得識(shí)別需求得到有效滿足，還可以使得網(wǎng)絡(luò)模型退化問題得到有效解決，使自身具備許多優(yōu)良特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在人臉識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、行人檢測(cè)、語義分割、自然語言處理等[4]多個(gè)領(lǐng)域。

因此，本文提出了一種基于殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行商品生產(chǎn)日期自動(dòng)識(shí)別的方法。對(duì)字符集的確認(rèn)、圖像預(yù)處理、殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和字符語義分析等內(nèi)容進(jìn)行了研究。并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2目標(biāo)字符集的確認(rèn)

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和生活經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)商品的生產(chǎn)日期大多由數(shù)字、年月日等漢字、個(gè)別英文字母和少數(shù)特殊符號(hào)等組成，只是不同生產(chǎn)廠家或不同商品的生產(chǎn)日期中，這些符號(hào)的組合格式有所區(qū)別。在進(jìn)行生產(chǎn)日期的殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)之前，首先要確定生產(chǎn)日期基本字符的集合。這一集合應(yīng)包含所有可能在生產(chǎn)日期信息中出現(xiàn)的漢子、字符、數(shù)字和特殊符號(hào)等。并且盡可能縮小字符集的大小。如果字符集無法包含所有可能字符，會(huì)降低生產(chǎn)日期的可識(shí)別率，如果字符集過大，則會(huì)增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法的負(fù)擔(dān)和復(fù)雜度。經(jīng)過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)采集的500份生產(chǎn)日期圖片進(jìn)行分析，如圖1展示的采樣圖像所示，最終確定待識(shí)別的生產(chǎn)日期基本字符集共包含48個(gè)元素，確定其集合并分為4個(gè)大類：0-9的10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字、{年、月、日、保、質(zhì)、期、至、之、前、最、佳}這11個(gè)漢字、{“：”、

“/”、

“.”}三個(gè)特征字符、除O和I兩個(gè)容易與0和1混淆的字母以外24個(gè)英文字母。

3商品生產(chǎn)日期識(shí)別算法設(shè)計(jì)

字符識(shí)別系統(tǒng)一般包括圖像采集、字符識(shí)別算法處理、以及數(shù)據(jù)后續(xù)處理三大模塊。如圖2所示，系統(tǒng)首先通過工業(yè)相機(jī)對(duì)含有目標(biāo)字符集的商品外包裝圖像進(jìn)行采集，后對(duì)圖像進(jìn)行字符識(shí)別算法處理，即對(duì)所采集圖像進(jìn)行必要的圖像預(yù)處理操作、從復(fù)雜的圖像中提取目標(biāo)區(qū)域的字符定位操作、將目標(biāo)區(qū)域分割成多個(gè)單一字符以便制成目標(biāo)字符集的字符分割操作以及字符識(shí)別操作，最后對(duì)系統(tǒng)給出的字符信息進(jìn)行語義分析從而輸出所需的商品生產(chǎn)日期和有效期限。3.1圖像預(yù)處理、字符定位與字符分割

圖像預(yù)處理。進(jìn)行圖像預(yù)處理的核心目的就是去除大部分圖像干擾，從而提取出最有效的真實(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效簡(jiǎn)化以及對(duì)信息可檢測(cè)性的有效加強(qiáng)。這一方式可以使得識(shí)別與匹配、圖像分割和特征提取等后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性得到進(jìn)一步的加強(qiáng)[5]。對(duì)采集的生產(chǎn)日期圖像數(shù)據(jù)，通過灰度化將彩色圖像轉(zhuǎn)化為矩陣數(shù)據(jù)，借助高斯濾波去除雜波，再經(jīng)過閾值分割將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，達(dá)到分離字符和背景區(qū)域的目的。

字符定位?；趯?shí)際情景中干擾因素多、時(shí)長(zhǎng)、以及原始數(shù)據(jù)集的匱乏等原因，選用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與連通域的字符定位方法定位目標(biāo)區(qū)域。首要步驟是開運(yùn)算處理已經(jīng)被預(yù)處理過的圖像，即先腐蝕圖像后讓其膨脹，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的有效去除。再利用canny邊檢測(cè)器找到圖像輪廓，如何進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，即依次進(jìn)行閉運(yùn)算，兩次開運(yùn)算，得到主要的連通域，最后按照主要連通域的輪廓提取，從而定位生產(chǎn)日期區(qū)域。

字符分割。通過對(duì)垂直投影法的使用，分別在垂直及水平方向針對(duì)預(yù)處理圖像當(dāng)中包含的某類像素展開統(tǒng)計(jì)，如果面對(duì)的是二值圖像，則針對(duì)其中的白點(diǎn)或者黑點(diǎn)展開統(tǒng)計(jì)，就能夠按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出每一列和每一行分別對(duì)應(yīng)的左右邊界和上下邊界，從而有效分割字符。如圖3所示為一張生產(chǎn)日期采樣圖像的預(yù)處理、字符定位、字符分割三大操作的效果圖。3.2建立殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別是殘差網(wǎng)絡(luò)。而殘差網(wǎng)絡(luò)主要使用兩種模塊，分別是恒等模塊和卷積模塊，而使用哪種模塊取決于輸入輸出的維數(shù)是否一致[6]。恒等模塊建立了連接輸入端與輸出端處的非線性激活函數(shù)層的恒等映射，這使得模塊的輸入與輸出可以先相合，再激活，從而使得殘差單元以跨層連接的形式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于輸入輸出維數(shù)不同的情況，殘差單元采用卷積模塊，卷積模塊將恒等模塊中的跨層連接映射改為卷積層和批歸一化層，使得在結(jié)尾部分中輸入的維數(shù)與該殘差單元的輸出維數(shù)相匹配。

本文使用卷積模塊和恒等模塊來建立殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為了延緩因樣本較少而導(dǎo)致的過擬合問題，殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，如圖4所示描述了改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。其中，輸入端用3×3的值為0的模板將輸入補(bǔ)齊到相應(yīng)維數(shù)。從第一部分到第四部分，卷積層均是采用64個(gè)尺寸為7×7的卷積核，最大池化層：3×3規(guī)格的池化核，池化核、卷積核步長(zhǎng)均為2。而各部分的主路徑則為3×3尺寸且步長(zhǎng)為1的卷積核，其中捷徑部分二維卷積具有步長(zhǎng)為1且1×1尺寸的卷積核。全局平均池化將池化窗口形狀設(shè)置成輸入的高和寬

而全連接層則將維數(shù)減少到softmax分類函數(shù)的維數(shù)。（一）系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

首先，機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有硬件和軟件等兩個(gè)部分共同構(gòu)成。其中，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件，借助PLC核心控制器、電機(jī)等來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和通信。軟件部分，借助PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的控制程序進(jìn)行讀取，主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序讀取。其次，從本質(zhì)上來看機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過核心控制器、控制參數(shù)、電信號(hào)等，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)［2］。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（二）控制系統(tǒng)原理

在進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性以及精確性得到保障。這樣一來，可以使得機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠正確地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)所下達(dá)的對(duì)應(yīng)指令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，針對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)擁有良好的通信能力、安全性、擴(kuò)展性、柔性等特點(diǎn)，具體控制系統(tǒng)原理見圖1所示。

該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先是由五個(gè)部分構(gòu)成：PLC主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、上位機(jī)和安全傳感器等。其中，PLC主控制器作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制信號(hào)、運(yùn)動(dòng)程序控制、遠(yuǎn)程通信和輸出控制指令等方面的接收。上位機(jī)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)行任務(wù)、功能參數(shù)等方面的設(shè)置，以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳感器的設(shè)計(jì)，通過將檢測(cè)的信號(hào)傳遞給主控制器，在運(yùn)動(dòng)算法的作用下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪控制，以此完成機(jī)器人移動(dòng)。而安全傳感器的設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人在移動(dòng)方向周圍的環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)，以此減少機(jī)器人移動(dòng)過程中存在的障礙。

二、基于PLC技術(shù)的機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

（一）PLC原理

該技術(shù)是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分，結(jié)合所編寫的程序可以通過掃描的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)。其工作原理主要包含了采樣輸入、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新等三個(gè)部分。其中，從采樣輸入階段方面來看，通過PLC對(duì)機(jī)器人的各項(xiàng)戶數(shù)進(jìn)行掃描讀取，并將最后讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的I/O映像區(qū)域當(dāng)中。然后，PLC會(huì)結(jié)合特定的順序，對(duì)用戶所編寫的梯形圖進(jìn)行逐一掃描，并結(jié)合該步驟，對(duì)梯形圖之間的各個(gè)接觸點(diǎn)的控制線路進(jìn)行讀取和運(yùn)算，并將其結(jié)果更新在系統(tǒng)狀態(tài)當(dāng)中。以此來判斷是否對(duì)I/O區(qū)中的機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行更新，或者是按照用戶的指令進(jìn)行執(zhí)行等。當(dāng)以上程序完成之后，PLC主控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入輸出刷新階段，而系統(tǒng)會(huì)對(duì)所保存的機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)、電路等實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)軸的設(shè)計(jì)。

（二）機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

首先，本文的機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)，主要包含了鋰電池、PLC主控制器、傳感器、觸摸屏和驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)等六個(gè)部分構(gòu)成。并且PLC控制器擁有三路高速脈沖輸出接口，其中最高的輸出頻率可以達(dá)到100KHZ，還能夠兼容絕對(duì)控制模塊、自動(dòng)控制模式以及手動(dòng)控制模式。其次，基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)，可以利用運(yùn)動(dòng)控制向?qū)В杆賹?shí)現(xiàn)并完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制組態(tài)，并借助自帶的以太網(wǎng)和通信接口等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信服務(wù)。此外，磁位傳感器的作用主要通過對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，并將其傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)當(dāng)中。簡(jiǎn)單來說該傳感器的作用是為PLC控制器提供引導(dǎo)信號(hào)［3］。

（三）CanOpen協(xié)議

為保障控制系統(tǒng)和機(jī)器人外圍接口兩者之間的通信，通過利用CSMACD方式以及非破壞總線優(yōu)先逐位仲裁技術(shù)，為機(jī)器人總線傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)信息傳輸提供保障，以此使得用戶對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性控制得到保障。而基于CAL子協(xié)議的CanOpen協(xié)議，具備良好的模塊性和適應(yīng)性。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)過程當(dāng)中，可以有效促進(jìn)設(shè)備和設(shè)備之間通過交換通信對(duì)象的方式實(shí)現(xiàn)通信，并利用該協(xié)議構(gòu)建出一個(gè)對(duì)應(yīng)的通信模型。這樣一來，就可以使得基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)和外圍I/O接口之間的通信得到保障。并且，最后使得其通信更加具備良好的穩(wěn)定性。

（四）伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要選擇利用三菱企業(yè)的交流伺服作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器。首先，該驅(qū)動(dòng)器具備較為強(qiáng)大的性能和多種功能，不僅為用戶提供基礎(chǔ)的控制模式，還增添了位置控制和速度控制以及速度