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、提升食品加工設備的自動化程度，以并聯(lián)機器人和機器視覺為基礎，設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)機器人進行動作，在硬件結構基礎上對分揀系統(tǒng)軟件進行設計。結果表明，該分揀系統(tǒng)能夠實現(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)通常同時生產多種食品，如餅干、糖果等，在初期的食品生產中機械設備生產效率較高，而后續(xù)包裝機械往往生產力較弱，因此需要通過分流裝置對食品進行分流，同時對不同食品及外觀質量進行分揀。
 

　　傳統(tǒng)的食品分揀通常通過人工進行分揀，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)的經濟效益和產品質量。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)生產效率、提高產品質量具有現(xiàn)實意義。
 

　　機器視覺分揀技術是利用計算機攝像技術模擬人眼的視覺，將圖像采集到圖像處理系統(tǒng)中，圖像處理系統(tǒng)將分析圖像中的關鍵信息，并通過獲取的信息做出判斷，進而再控制機械結構將產品挑出。基于機器視覺的食品分揀系統(tǒng)主要由圖像采集設備、光學系統(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引入到現(xiàn)代食品加工生產中，利用機器視覺對食品進行實時檢測和分揀，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，提高產品質量。
 

　　在并聯(lián)機器人中引入機器視覺檢測技術，通過機器視覺圖像處理技術實現(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行分揀。試驗數據表明，機器視覺的袋裝食品分揀系統(tǒng)能夠快速地將食品進行分揀，大幅提升食品加工企業(yè)生產效率。
 

　　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構、機器人抓手、示教手操器及各伺服驅動電機等構成。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，對獲取的圖像進行處理，根據處理的結果對機器人發(fā)送相應的動作指令。
 

　　2 分揀系統(tǒng)硬件設計
 

　　機器視覺的食品快速自動分揀系統(tǒng)是一種多技術相結合的智能分揀方式，涉及光源照明技術、圖像采集技術、多軸同步控制技術等。光源照明技術作為圖像采集系統(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量，而光電技術主要是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，處理進一步對圖像進行一系列處理。并聯(lián)機器人驅動系統(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確，通過伺服驅動技術可以實現(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，硬件結構如圖2所示。

圖2 分揀系統(tǒng)硬件結構

　　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)的設計要求，還要兼顧其數據傳輸過程中是否對系統(tǒng)產生影響。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公司生產的PCI-1426圖像采集卡，該采集卡通過PCI接口與計算機進行數據交互，相機接口采用Camera Link標準，該接口傳輸速度快，可以進行高速圖像采集，采集卡如圖3所示。

圖3 圖像采集卡

　　3 分揀系統(tǒng)軟件
 

　　合理的軟件架構設計是整個系統(tǒng)軟件程序編寫的必要準備，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)結構如圖4所示。
 

圖4 軟件系統(tǒng)結構
 

　　程序的主模塊主要負責各子程序的調用及與上位機的通信，調試模塊主要完成系統(tǒng)參數配置、機器人原點搜索、傳送帶速度設定；視覺模塊主要是完成食品圖像采集，經過圖像處理后得到袋裝食品坐標位置信息，通過坐標轉換得到機械手需要運動到目標位置；處理模塊主要完成食品目標跟蹤、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。

 

　　根據袋裝食品生產流程以及控制系統(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，程序進行初始化處理，將數據進行初始化，如計時器及各種數據寄存器，調用部分參數設置模塊，將初始化參數寫入已經清零的數據寄存器中，完成開機準備工作并調用開機模塊程序。

　　2）視覺模塊程序采用不斷循環(huán)的方式，當袋裝食品進入到相機視線相機對食品進行拍照，拍照后圖像經過圖像采集卡傳送到計算機中并由坐標轉換程序將其轉換為機械手末端坐標系下的數據。

　　3）經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，控制器開始調用運動控制程序，通過運動控制模塊驅動機器人各手臂運動完成袋裝食品的分揀任務。

圖5　機器視覺分揀系統(tǒng)軟件架構
 

　　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傳送帶傳送速度進行設定。分揀系統(tǒng)指標要求如表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，能夠達到每臺單獨抓取110包的產能指標要求。
 

　　5 結語

　　為提高袋裝食品分揀分裝速度、提高生產企業(yè)生產效率、提升企業(yè)經濟效益，將并聯(lián)機器人與機器視覺系統(tǒng)相結合，設計一種基于機器視覺的分揀系統(tǒng)。分揀系統(tǒng)的總體設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，并在硬件結構基礎上詳細對分揀系統(tǒng)軟件進行設計，通過模塊設計方法，大幅提高分揀系統(tǒng)軟件可讀性及可編程性。結果表明，該袋裝智能分揀系統(tǒng)能完成既定設計目標，提高食品生產效率，降低工人勞動強度。