摘要：食品加工企業(yè)加工的食品種類眾多、差異較大，從而導(dǎo)致食品分揀較為困難。為提高食品分揀效率、提升食品加工設(shè)備的自動化程度，以并聯(lián)機器人和機器視覺為基礎(chǔ)，設(shè)計一種機器視覺的食品快速自動分揀系統(tǒng)。通過CCD工業(yè)相機和圖像采集卡對食品圖像進(jìn)行采集處理，處理后的圖像將信息輸出并控制并聯(lián)機器人進(jìn)行動作，在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對分揀系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。結(jié)果表明，該分揀系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同食品的快速分揀，大幅提升食品分揀效率，降低工人勞動強度。

　　關(guān)鍵詞：食品加工；分揀；并聯(lián)機器人；機器視覺
 

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

　　傳統(tǒng)的食品分揀通常通過人工進(jìn)行分揀，但人工分揀通常效率低、勞動強度大，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。因此有必要開發(fā)一套自動、智能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于提高企業(yè)自動化程度、提升企業(yè)生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。
 

　　機器視覺分揀技術(shù)是利用計算機攝像技術(shù)模擬人眼的視覺，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，并通過獲取的信息做出判斷，進(jìn)而再控制機械結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品挑出?；跈C器視覺的食品分揀系統(tǒng)主要由圖像采集設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、機器人及人機界面等眾多系統(tǒng)共同組成。將機器人、機器視覺等智能控制技術(shù)引入到現(xiàn)代食品加工生產(chǎn)中，利用機器視覺對食品進(jìn)行實時檢測和分揀，利用機器人的高速性可以顯著提高食品分揀效率，降低工人勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
 

　　在并聯(lián)機器人中引入機器視覺檢測技術(shù)，通過機器視覺圖像處理技術(shù)實現(xiàn)并聯(lián)機器人的智能自動控制，通過并聯(lián)機器人將不同食品進(jìn)行分揀。試驗數(shù)據(jù)表明，機器視覺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 自動分揀系統(tǒng)
 

　　機器人分揀系統(tǒng)組成原理如圖1所示。機器視覺并聯(lián)機器人分揀系統(tǒng)主要包括并聯(lián)機器人、工業(yè)計算機、CCD工業(yè)相機、圖像采集卡、運動控制卡、抓手等。以工控機作為系統(tǒng)的上位機，利用CCD工業(yè)相機采集傳送帶上方的食品圖像；通過圖像處理，對食品進(jìn)行定位、跟蹤、抓取。運動控制器作為下位機，利用運動控制卡實現(xiàn)并聯(lián)機器人的多軸控制，通過并聯(lián)機器人實現(xiàn)食品的抓取、分裝。

圖1 機器人分揀系統(tǒng)組成原理

　　1.1 并聯(lián)機器人系統(tǒng)

　　并聯(lián)機器人系統(tǒng)主要由機器人本體結(jié)構(gòu)、機器人抓手、示教手操器及各伺服驅(qū)動電機等構(gòu)成。機器人末端抓手主要通過啟動吸盤吸取或氣動抓手，通過抓手完成食品的抓取。
 

　　1.2 機器視覺系統(tǒng)

　　通過工業(yè)CCD相機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算機系統(tǒng)中，計算機系統(tǒng)利用圖像處理算法，對獲取的圖像進(jìn)行處理，根據(jù)處理的結(jié)果對機器人發(fā)送相應(yīng)的動作指令。
 

　　2 分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計
 

　　機器視覺的食品快速自動分揀系統(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。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，光線的強弱直接影響采集圖像的質(zhì)量，而光電技術(shù)主要是CCD相機鏡頭的選用，在CCD相機鏡頭選擇上盡量保證鏡頭最高分辨率的光線與照明波長CCD接收的波長相匹配。圖像采集卡是高速圖像處理中必不可少的元件，采集卡將相機獲取的圖像傳送到處理器中，處理進(jìn)一步對圖像進(jìn)行一系列處理。并聯(lián)機器人驅(qū)動系統(tǒng)主要是針對伺服電機，伺服電機對位置和速度的控制較準(zhǔn)確，通過伺服驅(qū)動技術(shù)可以實現(xiàn)機器人的快速運動和快速定位。機器視覺分揀系統(tǒng)硬件主要包括光源、CCD相機、圖像采集卡、伺服電機等，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

　　對于光源的選擇需要綜合考慮，如光照強度、均勻度、光源壽命等，通過光源使得食品外部特征盡可能圖像出來，便于區(qū)分待測物品和背景。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，使用壽命較長且耗電量較低，發(fā)熱較小、照明均勻。

       2.2 CCD相機

 

　　相機選擇時不僅需要考慮其工作性能是否能夠滿足檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求，還要兼顧其數(shù)據(jù)傳輸過程中是否對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相機選型過程中綜合考慮分辨率、圖像傳輸速度、曝光時間及接口形式等。試驗選擇方誠公司型號IK145M-15CCD機，相機具體參數(shù)如表1所示。

 

　　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算機處理器中，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PCI接口與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，相機接口采用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)計是整個系統(tǒng)軟件程序編寫的必要準(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)計方法，分揀系統(tǒng)軟件主要分為主模塊、機器視覺模塊、圖像處理模塊及并聯(lián)機器人運動控制模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 

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

 

　　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，機器上視覺袋裝食品分揀軟件具體流程為：

　　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，如計時器及各種數(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)寫入已經(jīng)清零的數(shù)據(jù)寄存器中，完成開機準(zhǔn)備工作并調(diào)用開機模塊程序。

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

　　3）經(jīng)過視覺圖像處理后對并聯(lián)機器人發(fā)出動作指令，機器人開始規(guī)劃最佳運動路徑，控制器開始調(diào)用運動控制程序，通過運動控制模塊驅(qū)動機器人各手臂運動完成袋裝食品的分揀任務(wù)。

圖5　機器視覺分揀系統(tǒng)軟件架構(gòu)
 

　　4 試驗分析
 

　　為驗證機器視覺袋裝食品快速自動分揀系統(tǒng)的有效性，搭建分揀系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證。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系統(tǒng)中，機器人通過視覺系統(tǒng)控制方案對袋裝食品進(jìn)行分揀，機器人分揀過程如圖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。

 

　　圖6 機器人分揀過程

　　通過統(tǒng)計，單臺機器視覺機器人分揀系統(tǒng)平均每分鐘可實現(xiàn)120包的抓取速度，能夠達(dá)到每臺單獨抓取110包的產(chǎn)能指標(biāo)要求。
 

　　5 結(jié)語

　　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)機器人與機器視覺系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計一種基于機器視覺的分揀系統(tǒng)。分揀系統(tǒng)的總體設(shè)計主要包括分揀系統(tǒng)的工藝流程分析、控制系統(tǒng)硬件平臺的搭建，并在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上詳細(xì)對分揀系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，通過模塊設(shè)計方法，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)計目標(biāo)，提高食品生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度。