包裝體積自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林品云LIN Pin-yun

（福建省閩量校準(zhǔn)技術(shù)中心有限公司，福州 350001）

0 引言

隨著我國(guó)商品經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，過(guò)度包裝的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，由過(guò)度包裝產(chǎn)生的廢棄物不僅污染環(huán)境、浪費(fèi)資源且損害消費(fèi)者的權(quán)益。如何在技術(shù)上對(duì)過(guò)度包裝進(jìn)行檢測(cè)，便有了很大的需求。目前，各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)判斷商品是否過(guò)度包裝主要依據(jù)JJF1244-2010《食品與化妝品包裝計(jì)量檢驗(yàn)規(guī)則》[1]，通過(guò)選用鋼直尺和游標(biāo)卡尺作為測(cè)量設(shè)備，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)商品的銷(xiāo)售包裝與初始包裝體積進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出包裝空隙率，根據(jù)空隙率值判斷商品包裝是否過(guò)度。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法效率低下，人為因素引入的誤差較大，且無(wú)法測(cè)量軟包裝、不規(guī)則物體體積，面對(duì)層出不窮的商品包裝樣式，其弊端日益顯現(xiàn)，已經(jīng)無(wú)法滿足商品包裝檢測(cè)的需求。商品包裝計(jì)量檢測(cè)已常態(tài)化和深入化，當(dāng)下迫切需要一種科學(xué)高效的體積測(cè)量方法，能在形態(tài)各異的商品中快速且準(zhǔn)確地判斷是否存在過(guò)度包裝。

近年來(lái)隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，不斷有提出運(yùn)用三維掃描技術(shù)進(jìn)行方法及理論研究[2]，但普遍存在測(cè)量誤差大、步驟繁瑣、適用面窄等缺點(diǎn)，尤其對(duì)于軟包裝、不規(guī)則物體，采取三維掃描和轉(zhuǎn)盤(pán)的方式，容易存在掃描盲區(qū)且無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文基于三維掃描技術(shù)，采取機(jī)器自動(dòng)化掃描的方式，結(jié)合點(diǎn)云體積算法，搭建自動(dòng)化體積測(cè)量系統(tǒng)，從而快速準(zhǔn)確高效地得到包裝商品體積的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)商品體積的自動(dòng)化測(cè)量和過(guò)度包裝的智能化識(shí)別，有效解決軟包裝、不規(guī)則物體的測(cè)量問(wèn)題。

1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

自動(dòng)化體積測(cè)量系統(tǒng)利用吊裝支架將待測(cè)物吊裝在中心位置，通過(guò)3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)掃描待測(cè)物大致尺寸和位置，通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，生成自動(dòng)化機(jī)械臂掃描軌跡和空間位置。機(jī)械臂將根據(jù)系統(tǒng)生成的掃描軌跡進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行，此過(guò)程中位于機(jī)械臂末端三維掃描儀會(huì)對(duì)待測(cè)物進(jìn)行空間多角度掃描，并將采集數(shù)據(jù)輸送到后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的初步處理，生成三維模型，并進(jìn)行點(diǎn)云體積計(jì)算，最后得出待測(cè)物體積。同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)商品過(guò)度包裝數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程的一體化、自動(dòng)化，并生成商品過(guò)度包裝判定結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)掃描結(jié)果能自動(dòng)生成電子記錄和證書(shū)，并自動(dòng)保存測(cè)量結(jié)果，測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)流程圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及要點(diǎn)分析

1.2.1 硬件系統(tǒng)部分

自動(dòng)化體積測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分由六自由度機(jī)械臂、三維掃描儀、3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)和吊裝支架組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。其中六自由度機(jī)械臂和吊裝支架作為測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械支撐單元，三維掃描儀和3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)作為數(shù)據(jù)采集單元。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械支撐單元是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)選用六自由度機(jī)械臂代替人工執(zhí)行掃描工作，能夠完全實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，避免人工介入給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)人為因素影響。其中六自由度機(jī)械臂具有六個(gè)獨(dú)立的自由度，實(shí)現(xiàn)在三個(gè)軸向（X、Y、Z）的平移運(yùn)動(dòng)和繞三個(gè)軸向（X、Y、Z）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂重復(fù)定位指標(biāo)為±0.2mm。吊裝支架則是測(cè)量系統(tǒng)的固定支架，用于將待測(cè)物吊起并固定在中心位置，可有效解決軟包裝、不規(guī)則物體的測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題，支架最大承載能力可達(dá)1000kg。不規(guī)則物體掃描點(diǎn)云圖如圖3。

圖3 不規(guī)則物體三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

為高效、便捷獲取物體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集單元采用手持式三維掃描儀，具備體積小、重量輕、操作方便靈活、掃描模式多等優(yōu)點(diǎn)，其掃描最大允差：±（0.1mm+0.06 mm/m），光源采用非激光高亮度三色LED，可適應(yīng)光線變化，掃描淺色到黑色材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)混合拼接，提高掃描效率，同時(shí)也能支持彩色紋理掃描，并即時(shí)顯示掃描數(shù)據(jù)[3]。掃描儀安裝在機(jī)械臂末端，測(cè)量時(shí)可跟隨機(jī)械臂一起運(yùn)動(dòng)，對(duì)物品進(jìn)行多角度精確掃描[4]。3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)是軌跡采集設(shè)備，主要用于確定物體大致尺寸和位置，安裝于吊裝支架底部，可全方位多角度采集物體的尺寸和位置，以便機(jī)械臂進(jìn)行軌跡生成。

1.2.2 系統(tǒng)軟件部分

軟件系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)測(cè)量功能可分為路徑采集模塊、面積采集模塊和軌跡控制模塊。工作時(shí)由路徑采集模塊采集數(shù)據(jù)生成軌跡控制模塊的移動(dòng)路徑，軌跡控制模塊操作面積采集物體表面的三維立體信息，過(guò)程中對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用特征提取及立體匹配技術(shù)、三維拼接重建技術(shù)獲得待測(cè)物的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]，通過(guò)兩次測(cè)量獲取包裝盒及商品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)點(diǎn)云體積計(jì)算商品銷(xiāo)售包裝體積和初始包裝體積，軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖4。軟件系統(tǒng)以檢測(cè)人員的實(shí)際需求為指導(dǎo)，操作界面簡(jiǎn)潔、易操作、檢測(cè)結(jié)果可視化，能夠滿足實(shí)際檢測(cè)業(yè)務(wù)的要求。

圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)特征點(diǎn)提取是將掃描儀投射在物體表面的激光條紋作為圖像特征，經(jīng)過(guò)去燥、預(yù)平滑處理之后，結(jié)合極值法，提出的一種特征提取算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掃描的圖像進(jìn)行準(zhǔn)確高效的特征提取。特征匹配則基于激光條紋特征，將激光條紋的像素點(diǎn)作為匹配基元，通過(guò)外極線匹配算法，保證了圖像中特征匹配的準(zhǔn)確性，為后期三維重建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)點(diǎn)云體積計(jì)算出物體體積。點(diǎn)云體積計(jì)算方法具有非侵入性、高效性和計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，其算法流程如下：首先將獲得的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入處理系統(tǒng)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的第一個(gè)點(diǎn)都是待測(cè)物的唯一的以xyz 形式保存的坐標(biāo)；其次系統(tǒng)會(huì)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為體素表示，根據(jù)點(diǎn)云的分辨率和所需的精度確定體素的大小，再將三維空間劃分為一組小的立方體區(qū)域，并記錄每個(gè)體素中包含的點(diǎn)的數(shù)量；然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的每個(gè)體素中包含點(diǎn)的數(shù)量，乘以體素的體積以估計(jì)整個(gè)物體的體積；最后將計(jì)算得到的商品包裝體積輸出并顯示，再通過(guò)體積差異識(shí)別進(jìn)行過(guò)度包裝判定，具體算法流程如圖5 所示。

圖5 點(diǎn)云體積算法流程

1.3 系統(tǒng)誤差分析及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 誤差分析

測(cè)量系統(tǒng)適用于測(cè)量物體體積半徑范圍為：（0.1-1000）mm，系統(tǒng)測(cè)量允許誤差：±（0.1mm+0.06mm/m），誤差主要來(lái)源于三維掃描儀。系統(tǒng)中3D 結(jié)構(gòu)光相機(jī)及機(jī)器人僅用于確定及完成軌跡生成，二者均不影響系統(tǒng)準(zhǔn)確度。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式主要依據(jù)JJF 1244-2010《食品與化妝品包裝計(jì)量檢驗(yàn)規(guī)則》，包裝空隙率計(jì)算方法：X=，式中：X 為包裝空隙率，V0為商品銷(xiāo)售包裝體積，Vn為商品初始包裝總體積，k 為商品包裝必要空間系數(shù)，根據(jù)規(guī)范可知，k 值為0.6。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量商品外包裝體積V0，再測(cè)量出商品初始包裝Vn，基于以上公式計(jì)算出包裝空隙率，依據(jù)規(guī)范的判斷標(biāo)準(zhǔn)即可判定商品是否存在過(guò)度包裝[6]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

掃描儀作為引入系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要設(shè)備，為了驗(yàn)證其測(cè)量準(zhǔn)確度，采用直接比較法進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。為了驗(yàn)證機(jī)械臂是否會(huì)引入誤差，采用機(jī)械臂掃描和人工掃描的方式，對(duì)同一塊量塊進(jìn)行測(cè)量，具體如下：

試驗(yàn)選取一塊長(zhǎng)方體量塊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用萬(wàn)能工具顯微鏡和自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程如圖6、圖7 所示。萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量范圍：（200×100）mm，最大允許誤差：±1μm，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量允許誤差：±（0.1mm+0.06mm/m）。萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于自動(dòng)化系統(tǒng)，在本次驗(yàn)證過(guò)程中，由萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量出來(lái)的值可作為參考標(biāo)準(zhǔn)值使用。驗(yàn)證過(guò)程按照規(guī)范要求操作，對(duì)量塊的長(zhǎng)、寬、高分別進(jìn)行測(cè)量，取三次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量結(jié)果

表2 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

圖6 萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量過(guò)程

圖7 自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

由表3 的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，最大誤差為-0.08mm，在系統(tǒng)最大允差要求范圍內(nèi)。采用機(jī)械臂和人工手持掃描儀對(duì)同一塊量塊進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，兩種不同方式的掃描結(jié)果幾乎一致。由此可知，掃描儀作為系統(tǒng)主要采集單元，是系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源，其測(cè)量準(zhǔn)確度滿足要求。

表3 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前商品過(guò)度包裝檢測(cè)面臨的問(wèn)題，采用三維掃描技術(shù)，結(jié)合六自由度機(jī)械臂自動(dòng)掃描技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了自動(dòng)化體積測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)硬件部分和軟件功能的詳細(xì)闡述，并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際使用需求，可實(shí)現(xiàn)商品軟包裝和不規(guī)則物體體積的高精度測(cè)量，同時(shí)具備商品過(guò)度包裝智能化識(shí)別的功能，可以更準(zhǔn)確、高效，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。自動(dòng)化體積測(cè)量系統(tǒng)的建成能有效解決市場(chǎng)監(jiān)管者在日常檢驗(yàn)過(guò)程中遇到檢測(cè)數(shù)據(jù)難獲取、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、判定結(jié)果慢等問(wèn)題，極大提高檢測(cè)人員工作效率和工作質(zhì)量。通過(guò)改變傳統(tǒng)的測(cè)量方式，給檢測(cè)人員提供更多檢測(cè)方案選擇，同時(shí)也在保障廣大消費(fèi)者利益、減少包裝材料浪費(fèi)、節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境等方面具備較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。