基于視覺分析的藥品分揀系統(tǒng)研究

田志華 李成群

摘 要：迅速發(fā)展的機器視覺和計算機軟件等，為發(fā)展機器人技術奠定了技術基礎和提供了必要的社會環(huán)境。與此同時，“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”等提出不僅為工業(yè)社會未來發(fā)展指明了方向，也實現(xiàn)了工業(yè)生產在自動化方面的水平提升，并推動生產基地的進一步智能化、人性化，達到更高的生產效率。在此過程中，機器人作為一個“執(zhí)行者”是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中極為關鍵的角色。自動化工業(yè)中，流水生產線包括上下料、分揀、包裝、碼垛、搬運等重要環(huán)節(jié)。在這些環(huán)節(jié)中分揀作業(yè)的重要性不言而喻。

關鍵詞：視覺分析;藥品分揀;自動化

一、藥品分揀系統(tǒng)總體方案設計

（一）系統(tǒng)各部分的組成及功能

（一）視覺系統(tǒng)

作為組成機器人分揀系統(tǒng)關鍵部分的視覺系統(tǒng)，通常涵蓋圖像采集卡、CCD、圖像處理軟硬件系統(tǒng)以及光源等。目標物可能會產生陰影，光源可以對其起到消除作用，攝像機在進行相應圖像采集時可以避免圖像質量受到影響;本文是在操作器末端安裝攝像機，因此其拍攝目標物時與傳送帶互相垂直，便于俯視圖的獲取;圖像采集卡能夠實現(xiàn)圖像信號從模擬向數(shù)字類型的轉換，相應的處理也就能夠通過圖像處理軟件進行[10]。

（二）控制系統(tǒng)

機器人控制系統(tǒng)的基本構成包括工業(yè)計算機、控制器、控制軟件以及執(zhí)行器，系統(tǒng)基于對計算機相關指令信息的接收來實現(xiàn)對分揀機器人動作執(zhí)行的控制。將選擇的控制器作為劃分標準，當前運動控制形式中運用較為普遍的可以歸類為三種：IPC+運動控制卡形式、PLC控制形式和單片機控制形式。這些控制方式有各自的優(yōu)勢和局限性，因此，控制形式的選擇要結合實際運用中的具體情況進行，本文選取的系統(tǒng)采用IPC+運動控制卡，PC機使用TPC12A1型計算機控制卡型號是PCI1040。

（三）機器人本體及工作平臺

機器人作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構，主要功能是抓取目標物。筆者在本文研究的KUKA-KR 6 700 sixx有著自由度為6的機器人本體，其操作更為簡單便捷，有著較高的運動精度和較為廣泛的作用范圍。

（二）工件分揀的總體方案

機器人工件分揀是否成功極大程度上取決于機器人視覺分揀方案的選擇是否合理。在這一系統(tǒng)中，安裝相機的位置、數(shù)量、采用的圖像處理算法極為關鍵。分揀結果可能由于方案的差異而有所不同，所以在確保分揀正確性的基礎上，有必要適當簡化和優(yōu)化設計方案，促進其時效性的提升。同時，相機數(shù)量是雙目視覺系統(tǒng)和單目視覺系統(tǒng)的定義標準。后者在二維平面視覺中應用較多，應用場合最多的就是機器人足球賽以及平面分揀工件等。前者的應用場合則更多的是重建場景、工業(yè)檢測以及測距三維場景等。筆者基于深度的固定，選擇后者，能夠有效識別、跟蹤平面上的各種工件，相較于雙目視覺系統(tǒng)而言，程序更為簡單，能夠為系統(tǒng)實時性提供保障。

（三）圖像采集系統(tǒng)的硬件組成

（1）光源

照明和光源的選取，這決定了是否可以精確無誤的測驗與檢查出藥粒的合格性，其也是對圖像進行處理與計算的重要環(huán)節(jié)，若想極大的精簡之后圖像處理的計算方法，那么其選擇的圖像就需要是一幅質量極優(yōu)的圖像[12]。在現(xiàn)實生活的運用里，增強圖像的對比度與亮度是光源起到的關鍵作用：由于當光源亮度較弱時，其產生的對比度不顯著，引起噪聲的出現(xiàn)概率也隨之提高，為了強調出被檢測物的特征，因此需要增大對比度，如此，感興趣的物體特點能夠與背景進行顯著的區(qū)別，同時恰當?shù)倪x取光源可以增強之后圖像處理的質量，使對圖像進行預處理時的繁雜過程得到簡化，讓之后圖像處理的過程既節(jié)省時間又省去不必要的麻煩。物體的某些陰影會致使在測驗與檢查時，把陰影邊緣錯誤的當作是物體邊緣;另外，在某些時刻下，后續(xù)圖像處理會由于光源照射的均勻效果而產生一定的困難與挑戰(zhàn)[13]。

（四）系統(tǒng)通訊方案

上位機部分是本系統(tǒng)的最后數(shù)據(jù)處理，所以每個子系統(tǒng)的最后數(shù)據(jù)都會通過上位機展開發(fā)送和接收。在數(shù)據(jù)傳送的階段里，每個子系統(tǒng)選擇的通信模式都有極大的不同，總計有3類模式。第一，在控制開關時運用的I/O通訊，其用作灌裝時的閥門操作;第二，RS-232通訊模式，在對光源的調整時使用;第三，從上文可知，GigE Vision網線通訊主要作用是負責傳送圖像采集卡和相機相互間的信息，擁有極高的傳輸速率，這在工業(yè)檢測里迅速收集圖像資料起到關鍵的作用[19-21]。

I/O通訊：對電磁閥門的操縱是此部分的主要運用方面，經由PCI-P8R8的控制板卡展開工作進程。這是八路繼電器輸出卡，屬于一類八路分離的數(shù)字量輸進，可以積極的對輸進信號展開分離保護，確保浮動電壓對主機產生的不良作用。經由操縱對應的輸出通道的開光情況，實現(xiàn)對電磁閥門的掌控，從而做出迅速的反應，在此進程里對回應時間的規(guī)定極為嚴格，通常都在1至2個毫秒之內。

RS-232通訊：屬于計算機其中一個的通訊連接口，美國電子工業(yè)組織于1970年就規(guī)定了有關的條例，同時對其展開了反復的修訂，是運用極其普遍的接口通訊。在本系統(tǒng)里對光源展開操縱也就是選擇此種模式，因為光源掌控對時間回應并未作出有關的嚴格規(guī)定，所以此通訊模式能夠達到需要[21-24]。

GigE Vision通訊：當今，在工業(yè)數(shù)字相機里取得迅速進步的是千兆網，即GigE，另外在數(shù)字接口的使用里極其廣泛，大體上能夠實現(xiàn)整體代替模擬機器的相機接口。它擁有的較強技術靈巧性通常表現(xiàn)為相機多個功能、寬帶與線材的長短等方面，而為了實現(xiàn)供電，其能夠利用以太網開展工作，也就是經由數(shù)據(jù)線取得電力。在運用一根線材達到供電要求的時候展開數(shù)據(jù)的傳送，從而節(jié)省了所要采購與安裝的零件，進一步可以省下花費。千兆網的關鍵通訊協(xié)議是GigE Vision標準，另外還涵蓋了更加準確的時間協(xié)議，讓組件的時間可以精確到納秒，進一步達到同步時間設定的目的[25-27]。

二、藥品圖像處理技術研究

（一）藥品圖像預處理

增強圖像質量，提升圖像的信噪比，增加、清除干擾或促進部分對后續(xù)處理起到關鍵影響的圖像細節(jié)資料等，這是預處理的最終目標。后續(xù)圖像處理工作能否取得最優(yōu)成果，這很大程度上由圖像預處理質量的優(yōu)良所決定。

（二）藥品圖像邊緣檢測

早期對藥品圖像進行邊緣檢測時使用的經典算子主要有一階導數(shù)法以及二階導數(shù)法兩種，發(fā)展至今又出現(xiàn)了新的藥品圖像邊緣檢測方法。

綜上所述，在Canny檢測前進行平滑操作能降低高斯噪音對檢測產生的干擾，針對檢測操作時誤將噪音視作目標物的情況對算法進行了相應改進。這種檢測算法適用的范圍比較窄這是由于它的定位高度精確特性同時也促使它更容易出現(xiàn)目標物的判斷失誤，以及漏捕了某些正確的目標信息。這在圖像的檢測中是一個很嚴重的問題，canny的算法經過改進后其對噪音的抑制能力以及對藥粒缺陷的判斷力都有明顯提升。

三、結束語

本論文基于對學界已有的經驗成果展開分析研究，尋找其中的空白和不足，根據(jù)相關行業(yè)藥品分揀工作的需要，確立研究內容和目標，設計更為有效的藥品分揀方案，最后得出如下結論。

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