JPS6344193B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明はスイカ等の果物の状態を自動的に判
定する装置に関するものである。 従来、スイカ等の果物の熟れ具合を知る場合、
人が目で見たり手で叩きその音を耳で聴き分け
て、その熟れ具合を推定していた。 すなわち、従来はスイカ等の果物の熟れ具合を
非破壊検査で推定するには熟れ具合によつて変わ
る対象固有の特性（色：リンゴやトマトの場合熟
れるにつれて赤みが増す、音：スイカの場合熟れ
るにつれて音が変わる）の変化を人がとらえて経
験的な勘により判定していた。果物の色をある計
器で測定してその度合より熟度を判定する方法
は、一部実用化されているが、スイカのように熟
度の進行に従つても殆んど表面色が変わらないも
のの非破壊検査による熟度判定装置の実用化およ
び自動選別化は今迄達成されていなかつた。 このため、作業者の熟練度とか疲労度により判
定結果のバラツキが非常に大きく、判定精度も低
く、また選別作業に要する人手も大変なものであ
つた。 この発明は判定の精度向上、選別作業の省力化
すなわち選別作業を自動化するためになされたも
のである。 以下、この発明をスイカ（西瓜）の熟度判定に
応用した例につき説明する。 まず、スイカを叩いて、これから発生する音波
の特徴をあらわすパラメータ（波形成分）の幾つ
かと、スイカの形状をあらわすパラメータ（外形
寸法）の幾つかを組み合わせて一つのパラメータ
による判定よりもはるかに判定精度をあげ、特に
音波特性と熟度との相関については充分データ収
集と実験からその適用方法を確立した。 以下この発明の一実施例を図について説明す
る。 第１図はこの発明の判定装置の構成を示す図
で、この図において１はスイカで、選別コンベヤ
１４のバケツト引張チエイン２１に取付けられた
皿状のバケツト６によつて運ばれ、その途中で熟
度判定のための各種値を測定されて熟度が判定さ
れ、所定の位置に仕分けられる。 ２はバケツト６を移動（走行）させるための駆
動力を与える電動機、３は電動機２から伝達され
た力をバケツト引張チエイン２１に伝える鎖歯車
（スプロケツト）である。４はスイカ１の形状を
光学的にとらえるセンサ（カメラ）で、その映像
は照明装置５からの光の反射光を利用している
が、場合によつてはセンサ（カメラ）と反対側に
配置した照明装置からの透過光を利用してもよ
い。（６イ）はバケツトが正規の状態（水平状態）
にある場合で、（６ロ）はバケツトが転倒してス
イカをバケツトから払い出し（仕分け）た状態を
示している。７はスイカ１に光を当てる照明装置
５の制御ならびにスイカ１およびバケツト６の反
射光を、スイカ１が載つたバケツト６が形状計測
位置に位置したことを検出のための形状計測位置
通過検出器８からの通過信号と同期してとらえ、
各種の画像処理（画像入力、ノイズ除去、形状判
定とその結果の出力）をおこなう形状計測装置で
ある。１５はスイカ１が載つたバケツト６が音測
定位置に位置したことを検出する音測定位置通過
検出器９から通過信号により、打撃装置１２を動
作させてスイカ１に打音を発生させ、同時に受波
器（ピツクアツプ）１０をスイカ１に接触させる
ように受波器接触器１１を動かして受波器１０に
音波をとらえさせたり、検査后のスイカの移動を
助けるためその後受波器１０をスイカ１から逃が
したり、検査后のスイカ１の所定位置における払
い出し（仕分け）動作を仕分アクチユエータ１８
にさせたり、スイカ１を一定速度で運ぶための選
別コンベヤ１４の駆動を制御したりする機械駆動
装置である。１３は受波器１０からの音波を受け
とり、音波を分析し（周波数毎の音圧レベルを出
し）その結果を総合判定処理装置１６へ送出する
音波分析装置である。１６は形状計測装置７およ
び音波分析装置１３からの形状および音波データ
を受けとり、これらのデータから総合的にスイカ
の熟度を判定したり、大きさを判定して階級づけ
をおこない、さらにバケツトの移動位置を検出す
る位置検出器１７からの位置信号を参照して、判
定したスイカが所定熟度、大きさ階級の払い出し
口に到達したら仕分け信号を出し機械駆動装置１
５を通じて仕分アクチユエータ１８を動作させバ
ケツト６を転倒させスイカ１を払い出す制御を行
なうと同時に、必要な場合は他の周辺装置、例え
ば選別結果表示のための表示装置１９や、選別結
果をプリントとするプリンタ２０等の制御をおこ
なう総合判定処理装置である。なお、電動機２、
鎖歯車３、バケツト６、選別コンベヤ１４および
バケツト引張チエイン２１は、果物を順次移動さ
せ搬送する搬送装置を構成する。 以下に本発明の一実施例（判定対象が西瓜の場
合）の作用、動作について説明する。 まず、選別コンベヤ１４に付属したバケツト６
の上に判定対象物である西瓜１を載せる。この載
せ方は後で測定する測定器に対して測定条件を揃
えるため特定の方向にのせる方が判定精度は良く
なる。一般にはスイカの縦軸―茎とへそを結ぶ直
線―がカメラの視軸と直角となるような方向すな
わち第２図イの如くカメラからみえる位置がよ
い。また、音響特性上は打撃方向と受波器の接触
方向も大体スイカの縦軸と直角方向で打棒や受波
器をスイカに接触させる場合は接触面に打撃棒お
よび受波器の接触面が密着する方向が最も測定誤
差が少ない。選別コンベヤは常に一定速度で動い
ているので乗せられたスイカはバケツトと共に形
状計測位置（形状検出器＝カメラの正面）を通
過、この際形状計測位置通過検出器８から通過信
号が出て、これを受けた形状計測装置７からの指
令によりカメラ４からバケツト６およびスイカ１
の映像を形状計測装置７に取り込み、スイカ１各
部の形状寸法（形状パラメータ）を計測回路処理
により測定する。西瓜の場合、第２図イに示す高
さ２５および赤道径２４が糖度と相関が強いこと
がデータ分析によつて分つた（第１表）ので、西
瓜の糖度を判定する場合の形状パラメータとして
は高さＨ２５と赤道径Ｄ２４を測定する。再にバ
ケツト６が移動して、音測定位置通過検出器９が
作動するとスイカ１が音測定位置にきたことを示
すので、通過信号を機械駆動装置１５が受けて打
撃装置１２を動作させてスイカ１に打音を発生さ
せ、また打音発生の直前から受波器接触器１１を
動作させて受波器１０をスイカ１に密着させてお
き、打音波発生と同時にこの音波を音波分析装置
１３に取り込む。音波分析装置１３は周波数毎の
音圧レベルを検出し、これを周波数毎に総合判定
処理装置１６に含まれる波形判別回路により第２
図ロの第１共振点２６、第２共振点２７、第１反
共振点２８のそれぞれの周波数と音圧レベル、す
なわちHz₁，dB₁、Hz₂，dB₂、Hz₁―₂，dB₁―₂
を測定する。（以上の音に関する座標を音パラメ
ータと呼ぶ） ここで音パラメータの測定方法と熟度との関係
について述べると、スイカはそれぞれ個体別に固
有振動数を持つており、それぞれを構成する品質
が変らない限り、その固有振動数はかわらない。
またスイカに衝撃を与えると自己の固有振動数で
振動する（鳴る）。このことを利用して経験的に
スイカの内部状態を判別できることは分つてお
り、このことを利用した人による熟度判定は昔か
らおこなわれていたが、これをさらに解明し技術
的に応用した例は未だなかつた。音と熟度の関係
がどうなつているかについて次に説明する。前に
述べたスイカ固有の振動数はスイカを叩いて発生
する音を測定することができるが、この方法で測
定した場合形状（および大きさ）と糖度によつて
波形が色々変わる。第３図はその模範的な例を示
したもので、横軸に周波数Hz縦軸に音圧dBをと
つて表示した。第３図イは同じ大きさのスイカで
も糖度が違うと波形が違うことを示した実験例
で、同図ロは糖度がほゞ同じでも大きさが違うと
打音波形が異なることを示す実験例である。 なお、第３図イにおいて、実線は糖度α＝
11.0、サイズが階級Ｍ（中）、重量5.27Kg、赤道径
Ｄ＝218mm、高さＨ＝208mmのものを示し、破線は
糖度α＝10.2、サイズが階級Ｍ（中）、重量5.30
Kg、赤道径Ｄ＝213mm、高さＨ＝220mmのものを示
している。また、第３図ロにおいて、実線は糖度
α＝9.4、サイズが階級Ｌ（大）、重量6.33Kg、赤
道径Ｄ＝230mm、高さＨ＝233mmのものを示し、破
線は糖度α＝9.2、サイズが階級SS（極小）、重量
3.86Kg、赤道径Ｄ＝200mm、高さＨ＝192mmのもの
を示している。 このような音の波形の特徴をとらえるには図を
見ても分るように、波形の山（第１、第２共振
点）と谷（第１反共振点）の位置に着目すれば、
非常に便利である。 発明者たちは、このような共振点２６，２７、
反共振点２８の座標もとらえて、これらを音パラ
メータとして用いることにした。これらのパラメ
ータ単独と熟度と相関度を第１表に、同様に各パ
ラメータと巣（空洞）の有無の有意差検定を第２
表に示す。

【表】

【表】 第１表および第２表はある要素（糖度や巣の有
無）の推定をするのに、各パラメータを単独に用
いて判定をした結果である。この場合の判定の仕
方を第５図について説明する。第５図において横
座標はスイカの一つのパラメータで、縦座標はそ
のパラメータのある値をとる個体数（＝度数）で
ある。あるスイカの母集団を代表するサンプルの
度数分布図の二つの型を例として第５図イ，ロに
示した。この図では推定対象（種類）が二つａ，
ｂある場合で、推定対象が互いに充分かけ離れて
いる場合イと、推定対象がはつきり分離できない
場合ロの二例を示した。第５図イのような場合は
種類が違うものが同じパラメータの値をとること
はあり得ない、すなわち二種ａ，ｂのパラメータ
Ａに対する度数分布３１，３２が互いに交叉しな
い場合であるから、図のα₀のようなａ，ｂ種分割
線（区分線）で分ければ100％二種を判別できる。
一方ロのように二種の度数分布図が交叉する場合
は、分割線αをどのように設定しても一つの分割
線ではａ，ｂ種とも100％正しく判別することは
できない。α₀の最適位置を定める統計的手法は確
立されているので、この手法により、誤判別の最
も少なくなるαの位置を設定したとしても図ロの
場合はａ種をｂ種と誤る範囲３３とｂ種をａ種と
誤る範囲３４が存在する。もし判別したものには
誤りがなく、誤判別する可能性のあるものは判別
を保留する（すなわち判定不能とする）ような分
割線を引けばすなわち同図ロのα₁とα₂の位置に分
割線を引き、図のα₁より左側は100％正しいａ種
であり、α₂より右側に分布するものは100％正し
いｂ種であると判定できる。しかし、このよう二
本の分割線を引く方法は、二つの山（度数分布
図）が充分に離れていて互の交叉する範囲３３，
３４が小さければ問題ないが、これが大きい場合
は判別すべきものの大部分はα₁とα₂の間に挾まれ
たもので判定不能ということでは、正判別の量が
余りに少なすぎ実用的でない。 以上の例はパラメータ１つに２つの推定対象が
ある場合について説明したが、推定対象が３つ以
上ある場合は分割線の数を推定対象が増えるに従
つて増やせばよい。 一般に１つのパラメータでスイカがどのグルー
プに属するかを判定できる場合は少ない。現在果
実や野菜の熟度判定についてもある１つのパラメ
ータによる判別を用いた判定装置が実用化されて
いるが、非常に限られた極めて条件のよい場合し
かこの方法は適用できず普及が非常に遅れてい
る。発明者たちは二つ以上のパラメータをどのよ
うに組み合わせれば判別がうまくいくか研究しそ
の具体的手法を開発した。三つ以上のパラメータ
を用いる方法は二つのパラメータを組み合わせる
方法の考えの延長上にあるが非常に説明が複雑に
なるので、二つのパラメータの場合について、第
６図により説明する。 第６図においてＡ，Ｂはパラメータで、Ｎは度
数である。Ａ，Ｂをそれぞれ水平横軸、水平縦
軸、Ｎを垂直軸にとつて一般的な２種ａ，ｂの度
数分布を図示すると第６図イのようになる。この
図の平面図（座標軸Ｎ方向からみた図）はロのよ
うになる。このイを垂直平面Ａ―Ｎに投影すると
ロ―の如くなるが、これはつまり第５図と同じ
ものである。同様にしてイをＢ―Ｎ平面に投影し
た図がロ―であり、これはＡをＢに置き換えた
場合の第５図であるので、どちらか一方（こゝで
はロ―）について説明すれば他方の場合も同じ
ことがいえるので、ここではロおよびロ―につ
いて説明する。１パラメータのみによるどちらか
に分ける判別では、ロ―図のα₀―α₀′で分割し
た場合に相当するが、この場合、誤判定される部
分は図の斜線３３，３４の範囲である。ロ―図
についても同様にβ₀―β₀′で分割した場合、誤判
定される部分は斜線部４７，４８である。これに
対し、２つのパラメータを考慮して統計的判別分
析の手法を用いて最適の分割線を引くとロのγ₀―
γ₀′となる。この場合の誤判定部分はロ図中に水
平（Ｏ―Ａ軸に平行な）ハツチング線を施した範
囲で、ロ図から明らかなように範囲（33＋34）＞
範囲（49＋50）である。すなわちγ₀―γ₀′分割の
方がα₀―α₀′（又はβ₀―β₀′）よりも範囲が狭いつ
ま
り誤判定が少ないといえる。 以上の説明のように２つの変数（パラメータ）
を組み合わせれば、１つ１つのパラメータによる
判別よりも高い正判定率の判別（分割）をするこ
とができることが分つた。これは変数を３つ以上
に増やしても同様のことがいえ、さらに正判定率
は高まるが、ある程度パラメータの数を増やす
と、正判定率の増加が鈍くなるので、処理制御の
容易さやコストパフオーマンスを考えて適当な変
数の数にとどめて実際上は処理することになる。
また、推定対象が３つ以上に増えた場合は判別分
析手法を階段的に適用することにより同様の効果
を出すことができる。 単独パラメータによる糖度の判定（規準値以上
か以下か）は第１表の相関係数が得られ最も相関
係数の高いＤの場合でも正判定率75％程度であ
る。これを多くのパラメータ（例えばＤ，Hz₁，
dB₁，Hz₂，dB₂）によつて判定すると判定結果
は第３表の如くなる。

【表】 ちなみにパラメータdB₁―₂，Hz₁―₂をこの場
合使つていないが、これを使うと正判定率は確か
に上るが１〜２％程度なので強いて使用せず判定
式を簡略化できるようにすることに重点を置い
た。 同様にして第２表の単独パラメータの判定に対
して、数個のパラメータを用いて判定すると第４
表の如き好結果となる。

【表】 パラメータの選定は１パラメータで判定に有効
なもの、２個以上と組み合わせると有効なものを
選定し、判定処理が余り複雑にならないように最
小限選定する。 なお、音のパラメータ測定は以下のようにすれ
ば便利である。西瓜の場合第１、第２共振点およ
び第１反共振点をとるのがよく、普通の正常な西
瓜の打音波形は第１、第２共振点と第１反共振点
しかない（第４図イ参照）のであるが、まれに波
形がくずれ、第４図ロ，ハのような波形になる場
合がある。 この場合は第３、第４…の共振点や第２、第
３、…の反共振点があることになりまた、通常の
第４図イの場合と比べてかなり位置がずれている
ので、これらを正しく測るため周波数範囲を設け
て、この範囲内の最大値（いくつかのうちの極大
値の最大のもの）とか最小値を求めれば、殆んど
の場合、イの場合と同様に音パラメータを扱うこ
とができることが分つた。第４図は実際の西瓜の
例で第１共振点としては20Hz〜50Hzの間51の最大
音圧をとる周波数と音圧をそれぞれHz₁，dB₂と
し80Hz〜250Hzの間52の範囲内の最大音圧をとる
周波数とそのときの音圧をそれぞれHz₂，dB₂と
し、また、50Hz〜200Hzの間53の範囲内で最小音
圧をとる周波数とそのときの音圧をHz₁―₂，
dB₁―₂とすればほぼすべての西瓜について普偏
的なパラメータとすることができる。 このことは第４図ロ，ハの波形では第１、第２
共振点や第１反共振点の山や谷が割れた（分かれ
た）ものであるとみなしてよいことが分る。 なお上記実施例では計測装置として形状計測用
（形状検出器（カメラ）＋形状計測装置）と音波計
測用（受波器＋音波分析装置）の二つを用いてい
るが、この構成は西瓜以外の他の果物（例えばメ
ロン）等にも適用できる。 また、上記実施例では、選別コンベアを常時定
速で駆動する例で説明したが、対象物が検査位置
に来たとき一時点にコンベアを停止させるように
すれば、選別スピードは落ちるが、より確実な判
定、選別が可能となる。 また、以上の説明では計測器からのデータを総
合判定処理装置へ入力しているが、別の入力装置
から入力するようにしてもよい。 以上のように、この発明によれば、従来単一パ
ラメータによる判定で判定精度が非常に低かつた
ものを、果物の熟度と相関係数が大きい、上記果
物の幾何学的寸法（例えば高さまたは赤道径）な
らびに、これも上記果物の熟度と相関係数が大き
い、上記果物をたたくことにより発生する、発生
音の共振点または反共振点の音圧および周波数に
基づいて、多種の度数分布が重複する範囲を狭く
するような最適の分割線を引いて、つまり最適の
判定基準を求める統計的手法によつて、短時間に
精度高く、多量の果物の熟度を判定できるという
顕著な効果がある。 また、自動的に連続して上記果物の熟度を判定
できるという顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による判定装置の一実施例を
示す構成図、第２図は西瓜の熟度判定に用いるパ
ラメータのうち形状パラメータイと音パラメータ
ロを示す図、第３図は西瓜の熟度の一つである糖
度を判定する音波が糖度や形状（大きさ）によつ
てどのように変わるかを示した図、第４図は音波
形の乱れに対しても測定誤差が生じないような測
定手段を説明するための波形図、第５図は単一パ
ラメータによつて二種の推定対象を分割する場合
を説明する図、第６図は２つのパラメータを組合
せて判定する場合を示す図であり、１はスイカ、
４はカメラ、６はバケツト、７は形状計測装置、
８は形状計測位置通過検出器、９は音測定位置通
過検出器、１０は受波器、１１は受波器接触器、
１２は打撃装置、１３は音波分析装置、１４は選
別コンベヤ、１５は機械駆動装置、１６は総合判
定処理装置、１７は位置検出器、１８は仕分アク
チユエータである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 果物を順次移動させ搬送する搬送装置、 上記果物が形状計測位置に位置したことを検出
   する形状計測位置通過検出器、 上記果物が音測定位置に位置したことを検出す
   る音測定位置通過検出器、 上記形状計測位置通過検出器からの通過信号に
   基づき上記果物の幾何学的寸法を計測する形状計
   測装置、 上記音測定位置通過検出器からの通過信号に基
   づき上記果物をたたく打撃装置、 この打撃装置によつて上記果物をたたくことに
   より発生する発生音をとらえる受波器、 この受波器に接続され予め定めた所定周波数帯
   域における共振点または反共振点の音圧と周波数
   を計測する音波分析装置、 ならびに 上記幾何学的寸法、上記音圧および上記周波数
   に基づいて統計的手法によつて上記果物の熟度を
   判定する総合判定処理装置 を備えたことを特徴とする判定装置。