袋裝食品快速自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南京 210023）

食品加工企業(yè)通常同時(shí)生產(chǎn)多種食品，如餅干、糖果等，在初期的食品生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率較高，而后續(xù)包裝機(jī)械往往生產(chǎn)力較弱，因此需要通過(guò)分流裝置對(duì)食品進(jìn)行分流，同時(shí)對(duì)不同食品及外觀質(zhì)量進(jìn)行分揀[1-4]。

傳統(tǒng)的食品分揀通常通過(guò)人工進(jìn)行分揀，但人工分揀通常效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，衛(wèi)生不能有效保證，直接影響食品加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。因此有必要開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)、智能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于提高企業(yè)自動(dòng)化程度、提升企業(yè)生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

機(jī)器視覺(jué)分揀技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)攝像技術(shù)模擬人眼的視覺(jué)，將圖像采集到圖像處理系統(tǒng)中，圖像處理系統(tǒng)將分析圖像中的關(guān)鍵信息，并通過(guò)獲取的信息做出判斷，進(jìn)而再控制機(jī)械結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品挑出[5-6]?；跈C(jī)器視覺(jué)的食品分揀系統(tǒng)主要由圖像采集設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、機(jī)器人及人機(jī)界面等眾多系統(tǒng)共同組成。將機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)等智能控制技術(shù)引入到現(xiàn)代食品加工生產(chǎn)中，利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)食品進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和分揀，利用機(jī)器人的高速性可以顯著提高食品分揀效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在并聯(lián)機(jī)器人中引入機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的智能自動(dòng)控制，通過(guò)并聯(lián)機(jī)器人將不同食品進(jìn)行分揀。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，機(jī)器視覺(jué)的袋裝食品分揀系統(tǒng)能夠快速地將食品進(jìn)行分揀，大幅提升食品加工企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)

機(jī)器人分揀系統(tǒng)組成原理如圖1所示。機(jī)器視覺(jué)并聯(lián)機(jī)器人分揀系統(tǒng)主要包括并聯(lián)機(jī)器人、工業(yè)計(jì)算機(jī)、CCD工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、抓手等。以工控機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，利用CCD工業(yè)相機(jī)采集傳送帶上方的食品圖像[7-8]；通過(guò)圖像處理，對(duì)食品進(jìn)行定位、跟蹤、抓取。運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)，利用運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的多軸控制，通過(guò)并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)食品的抓取、分裝。

1.1 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、機(jī)器人抓手、示教手操器及各伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等構(gòu)成。機(jī)器人末端抓手主要通過(guò)啟動(dòng)吸盤(pán)吸取或氣動(dòng)抓手，通過(guò)抓手完成食品的抓取。

1.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

通過(guò)工業(yè)CCD相機(jī)完成傳送帶上方食品圖像的采集，并將采集到的圖像傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用圖像處理算法，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，根據(jù)處理的結(jié)果對(duì)機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作指令。

圖1 機(jī)器人分揀系統(tǒng)組成原理

2 分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)的食品快速自動(dòng)分揀系統(tǒng)是一種多技術(shù)相結(jié)合的智能分揀方式，涉及光源照明技術(shù)、圖像采集技術(shù)、多軸同步控制技術(shù)等[9]。光源照明技術(shù)作為圖像采集系統(tǒng)中非常重要的一部分，光線(xiàn)的強(qiáng)弱直接影響采集圖像的質(zhì)量，而光電技術(shù)主要是CCD相機(jī)鏡頭的選用，在CCD相機(jī)鏡頭選擇上盡量保證鏡頭最高分辨率的光線(xiàn)與照明波長(zhǎng)CCD接收的波長(zhǎng)相匹配。圖像采集卡是高速圖像處理中必不可少的元件，采集卡將相機(jī)獲取的圖像傳送到處理器中，處理進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理。并聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是針對(duì)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)對(duì)位置和速度的控制較準(zhǔn)確，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)和快速定位。機(jī)器視覺(jué)分揀系統(tǒng)硬件主要包括光源、CCD相機(jī)、圖像采集卡、伺服電機(jī)等，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分揀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 光源

對(duì)于光源的選擇需要綜合考慮，如光照強(qiáng)度、均勻度、光源壽命等，通過(guò)光源使得食品外部特征盡可能圖像出來(lái)，便于區(qū)分待測(cè)物品和背景。綜合比較多種光源，選擇LED燈作為采集系統(tǒng)照射光源，該光源亮度較大，使用壽命較長(zhǎng)且耗電量較低，發(fā)熱較小、照明均勻。

2.2 CCD相機(jī)

相機(jī)選擇時(shí)不僅需要考慮其工作性能是否能夠滿(mǎn)足檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，還要兼顧其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是否對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相機(jī)選型過(guò)程中綜合考慮分辨率、圖像傳輸速度、曝光時(shí)間及接口形式等。試驗(yàn)選擇方誠(chéng)公司型號(hào)IK145M-15CCD機(jī)，相機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 工業(yè)相機(jī)參數(shù)

2.3 圖像采集卡

圖像采集卡作為圖像采集和圖像處理的橋梁，CCD相機(jī)將獲得的食品圖像傳送到圖像采集卡中，圖像采集卡再將圖像傳送到計(jì)算機(jī)處理器中，系統(tǒng)中采用NI公司生產(chǎn)的PCI-1426圖像采集卡，該采集卡通過(guò)PCI接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，相機(jī)接口采用Camera Link標(biāo)準(zhǔn)，該接口傳輸速度快，可以進(jìn)行高速圖像采集，采集卡如圖3所示。

圖3 圖像采集卡

3 分揀系統(tǒng)軟件

合理的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)軟件程序編寫(xiě)的必要準(zhǔn)備，為使程序具有可讀性及可修改性，控制系統(tǒng)軟件采用模塊設(shè)計(jì)方法，分揀系統(tǒng)軟件主要分為主模塊、機(jī)器視覺(jué)模塊、圖像處理模塊及并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

程序的主模塊主要負(fù)責(zé)各子程序的調(diào)用及與上位機(jī)的通信，調(diào)試模塊主要完成系統(tǒng)參數(shù)配置、機(jī)器人原點(diǎn)搜索、傳送帶速度設(shè)定；視覺(jué)模塊主要是完成食品圖像采集，經(jīng)過(guò)圖像處理后得到袋裝食品坐標(biāo)位置信息，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到機(jī)械手需要運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置；處理模塊主要完成食品目標(biāo)跟蹤、通訊處理、緊急停機(jī)處理等；控制模塊主要完成機(jī)器人軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃及機(jī)器人示教等。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)袋裝食品生產(chǎn)流程以及控制系統(tǒng)要求，搭建控制系統(tǒng)軟件，控制系統(tǒng)軟件框架如圖5所示，機(jī)器上視覺(jué)袋裝食品分揀軟件具體流程為：

圖5 機(jī)器視覺(jué)分揀系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1) 控制系統(tǒng)上電后，程序進(jìn)行初始化處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，如計(jì)時(shí)器及各種數(shù)據(jù)寄存器，調(diào)用部分參數(shù)設(shè)置模塊，將初始化參數(shù)寫(xiě)入已經(jīng)清零的數(shù)據(jù)寄存器中，完成開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備工作并調(diào)用開(kāi)機(jī)模塊程序。

2) 視覺(jué)模塊程序采用不斷循環(huán)的方式，當(dāng)袋裝食品進(jìn)入到相機(jī)視線(xiàn)相機(jī)對(duì)食品進(jìn)行拍照，拍照后圖像經(jīng)過(guò)圖像采集卡傳送到計(jì)算機(jī)中并由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為機(jī)械手末端坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。

3) 經(jīng)過(guò)視覺(jué)圖像處理后對(duì)并聯(lián)機(jī)器人發(fā)出動(dòng)作指令，機(jī)器人開(kāi)始規(guī)劃最佳運(yùn)動(dòng)路徑，控制器開(kāi)始調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制程序，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各手臂運(yùn)動(dòng)完成袋裝食品的分揀任務(wù)。

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證機(jī)器視覺(jué)袋裝食品快速自動(dòng)分揀系統(tǒng)的有效性，搭建分揀系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將袋裝食品按照一定順序存放在傳送帶上，并由傳送帶一次將食品傳送至視覺(jué)系統(tǒng)中，機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)控制方案對(duì)袋裝食品進(jìn)行分揀，機(jī)器人分揀過(guò)程如圖6所示。傳送帶每分鐘可以傳送110包食品，袋裝食品之間間隔根據(jù)傳送帶傳送速度進(jìn)行設(shè)定。分揀系統(tǒng)指標(biāo)要求如表2所示。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)機(jī)器視覺(jué)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平均每分鐘可實(shí)現(xiàn)120包的抓取速度，能夠達(dá)到每臺(tái)單獨(dú)抓取110包的產(chǎn)能指標(biāo)要求。

圖6 機(jī)器人分揀過(guò)程

表2 分揀系統(tǒng)指標(biāo)要求

5 結(jié)語(yǔ)

為提高袋裝食品分揀分裝速度、提高生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，將并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺(jué)的分揀系統(tǒng)。分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要包括分揀系統(tǒng)的工藝流程分析、控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建，并在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上詳細(xì)對(duì)分揀系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊設(shè)計(jì)方法，大幅提高分揀系統(tǒng)軟件可讀性及可編程性。結(jié)果表明，該袋裝智能分揀系統(tǒng)能完成既定設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高食品生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。