基于機(jī)器視覺的食品碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉彩霞，楊春

1. 包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院（包頭 014030）；2. 包頭北方創(chuàng)業(yè)有限責(zé)任公司（包頭 014032）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展，碼垛機(jī)器人自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展[1-3]。食品包裝碼垛機(jī)器人便是將規(guī)則物品按照一定的形式整齊、自動地碼放在固定區(qū)域中，以便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的搬運(yùn)、存儲、裝卸及運(yùn)輸?shù)任锪匣顒覽4-6]。碼垛機(jī)器人因其具有工作效率高、生產(chǎn)成本低及占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，在食品包裝企業(yè)中被廣泛使用。

在食品生產(chǎn)企業(yè)中使用的碼垛機(jī)器人，只能對規(guī)則形狀的食品包裝箱進(jìn)行簡單的搬運(yùn)，并不能根據(jù)箱體尺寸、形狀及不同產(chǎn)品等不同特征的產(chǎn)品做出適當(dāng)判斷完成碼垛，其智能化程度較低。中國生產(chǎn)企業(yè)正在處于工業(yè)化轉(zhuǎn)型、生產(chǎn)線升級換代的關(guān)鍵時期，傳統(tǒng)的碼垛機(jī)器人無法滿足競爭日趨激烈的生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)想需求。

機(jī)器人視覺技術(shù)就是機(jī)器人能夠通過安裝在末端的圖像采集傳感器，將圖像中的信息進(jìn)行提取，如產(chǎn)品的形狀、二維碼、條形碼等信息進(jìn)行采集判斷，通過控制器中的核心程序控制機(jī)器人做出不同的動作[7-9]。

為了提高碼垛機(jī)器人智能化程度，提高碼垛效率，在碼垛機(jī)器人中引入視覺識別技術(shù)，詳細(xì)介紹視覺圖像采集技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠100%實(shí)現(xiàn)視覺檢測，并進(jìn)行分類識別碼放。

1 碼垛機(jī)器人視覺檢測系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺的食品碼垛機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。碼垛機(jī)器人視覺檢測系統(tǒng)主要包括四軸碼垛機(jī)器人、圖像采集卡、CCD相機(jī)、機(jī)械抓手、傳送帶、運(yùn)動控制模塊等。產(chǎn)品通過傳送帶傳送到機(jī)器人末端停放處，機(jī)器人末端CCD相機(jī)迅速采集圖像并將圖像傳送到圖像采集卡中，計(jì)算機(jī)通過圖像濾波、圖像分割等一些列圖像預(yù)處理后，將處理結(jié)果傳送到控制器中，控制器根據(jù)處理結(jié)果對機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)運(yùn)動指令。碼垛機(jī)器人通過運(yùn)動控制模塊控制四軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動控制，通過機(jī)器人外圍傳感器信號實(shí)現(xiàn)末端抓手的碼放。

2 視覺檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 CCD相機(jī)標(biāo)定

CCD相機(jī)標(biāo)定的主要目的是將空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為立體圖像坐標(biāo)系，通過像素變換可以得到像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的映射。CCD相機(jī)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：R3×3=(Rx, Ry, Rz)為CCD相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣，T3×1=(Rx, Ry, Rz)T為CCD相機(jī)平移向量，(XW, YW, ZW, 1)為定點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的向量，(Xc, Yc, Zc, 1)為定點(diǎn)在CCD相機(jī)坐標(biāo)系下的向量CCD相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)(Oc, Xc, Yc,Zc)。

通過映射處理后，可得物理坐標(biāo)(Xu, Yu)為：

式中：f 為焦距。

2.2 邊緣檢測

為提高圖像分辨效率，通常需要通過邊緣檢測方式減小圖像計(jì)算量，去掉不相關(guān)信息保留圖像中的關(guān)鍵信息。

定義函數(shù) f (x, y)的二階微分為：

那么對于二維離散圖像f (i, j)，其二階偏微分可近似表示為：

為解決拉普拉斯算子所存在問題，可先進(jìn)行高斯低通濾波，然后再使用拉普拉斯算子實(shí)現(xiàn)邊緣檢測，具體可表示為：

式中：f(x, y)為圖像；G(x, y)為高斯函數(shù)，具體可描述為：

對式（7）進(jìn)行變換，可得表達(dá)式：

對式（8）進(jìn)行二階偏導(dǎo)運(yùn)算，可得：

式（9）就是高斯-拉普拉斯算子，可記作LoG算子。

為提高食品碼垛機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)的高效性，對軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，整個系統(tǒng)采用程序加載模塊、程序初始化模塊、中斷模塊及圖像處理算法，機(jī)器視覺采集系統(tǒng)的整體流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺的食品碼垛機(jī)器人能夠識別不同物品完成相應(yīng)位置碼放，以某型號碼垛機(jī)器人為研究對象搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括碼垛機(jī)器人、傳送帶、CCD相機(jī)以及圖像采集處理系統(tǒng)等。機(jī)器人根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)完成不同物品的碼放，碼放結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

為檢測系統(tǒng)效率，對傳送帶速度通過變頻進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，以驗(yàn)證機(jī)器人在不同傳送帶速度下的碼放效率和碼放準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)過程中，傳送帶速度分別在80，100和150 mm/s速度下進(jìn)行檢驗(yàn)碼放準(zhǔn)確率，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，誤抓率為0，漏抓率為小于0.2%。由此結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的食品碼垛機(jī)器人能夠?qū)Σ煌吞柕漠a(chǎn)品進(jìn)行分類分揀，其準(zhǔn)確率完全能夠滿足生產(chǎn)要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

食品包裝物品的分揀和碼放作為食品加工生產(chǎn)企業(yè)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的碼垛機(jī)器人不能根據(jù)產(chǎn)品外觀信息、大小尺寸等進(jìn)行分類。為解決傳統(tǒng)分揀碼垛機(jī)器人的的局限性，設(shè)計(jì)一款基于機(jī)器視覺的食品碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過機(jī)器人末端CCD攝像機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行圖像采集，并介紹相關(guān)攝像機(jī)標(biāo)定方法，對采集到的圖像進(jìn)行邊緣處理，提升機(jī)器人檢測準(zhǔn)確率和效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于機(jī)器視覺的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)擁有較高檢測效率和準(zhǔn)確率，大大提升了企業(yè)生產(chǎn)效率。