田志華 李成群

摘 要：迅速發(fā)展的機(jī)器視覺(jué)和計(jì)算機(jī)軟件等，為發(fā)展機(jī)器人技術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和提供了必要的社會(huì)環(huán)境。與此同時(shí)，“中國(guó)制造2025”、“工業(yè)4.0”等提出不僅為工業(yè)社會(huì)未來(lái)發(fā)展指明了方向，也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)在自動(dòng)化方面的水平提升，并推動(dòng)生產(chǎn)基地的進(jìn)一步智能化、人性化，達(dá)到更高的生產(chǎn)效率。在此過(guò)程中，機(jī)器人作為一個(gè)“執(zhí)行者”是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過(guò)程中極為關(guān)鍵的角色。自動(dòng)化工業(yè)中，流水生產(chǎn)線包括上下料、分揀、包裝、碼垛、搬運(yùn)等重要環(huán)節(jié)。在這些環(huán)節(jié)中分揀作業(yè)的重要性不言而喻。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)分析;藥品分揀;自動(dòng)化

一、藥品分揀系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)各部分的組成及功能

（一）視覺(jué)系統(tǒng)

作為組成機(jī)器人分揀系統(tǒng)關(guān)鍵部分的視覺(jué)系統(tǒng)，通常涵蓋圖像采集卡、CCD、圖像處理軟硬件系統(tǒng)以及光源等。目標(biāo)物可能會(huì)產(chǎn)生陰影，光源可以對(duì)其起到消除作用，攝像機(jī)在進(jìn)行相應(yīng)圖像采集時(shí)可以避免圖像質(zhì)量受到影響;本文是在操作器末端安裝攝像機(jī)，因此其拍攝目標(biāo)物時(shí)與傳送帶互相垂直，便于俯視圖的獲取;圖像采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信號(hào)從模擬向數(shù)字類型的轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的處理也就能夠通過(guò)圖像處理軟件進(jìn)行[10]。

（二）控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、控制器、控制軟件以及執(zhí)行器，系統(tǒng)基于對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)指令信息的接收來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分揀機(jī)器人動(dòng)作執(zhí)行的控制。將選擇的控制器作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制形式中運(yùn)用較為普遍的可以歸類為三種：IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡形式、PLC控制形式和單片機(jī)控制形式。這些控制方式有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，因此，控制形式的選擇要結(jié)合實(shí)際運(yùn)用中的具體情況進(jìn)行，本文選取的系統(tǒng)采用IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡，PC機(jī)使用TPC12A1型計(jì)算機(jī)控制卡型號(hào)是PCI1040。

（三）機(jī)器人本體及工作平臺(tái)

機(jī)器人作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要功能是抓取目標(biāo)物。筆者在本文研究的KUKA-KR 6 700 sixx有著自由度為6的機(jī)器人本體，其操作更為簡(jiǎn)單便捷，有著較高的運(yùn)動(dòng)精度和較為廣泛的作用范圍。

（二）工件分揀的總體方案

機(jī)器人工件分揀是否成功極大程度上取決于機(jī)器人視覺(jué)分揀方案的選擇是否合理。在這一系統(tǒng)中，安裝相機(jī)的位置、數(shù)量、采用的圖像處理算法極為關(guān)鍵。分揀結(jié)果可能由于方案的差異而有所不同，所以在確保分揀正確性的基礎(chǔ)上，有必要適當(dāng)簡(jiǎn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)其時(shí)效性的提升。同時(shí)，相機(jī)數(shù)量是雙目視覺(jué)系統(tǒng)和單目視覺(jué)系統(tǒng)的定義標(biāo)準(zhǔn)。后者在二維平面視覺(jué)中應(yīng)用較多，應(yīng)用場(chǎng)合最多的就是機(jī)器人足球賽以及平面分揀工件等。前者的應(yīng)用場(chǎng)合則更多的是重建場(chǎng)景、工業(yè)檢測(cè)以及測(cè)距三維場(chǎng)景等。筆者基于深度的固定，選擇后者，能夠有效識(shí)別、跟蹤平面上的各種工件，相較于雙目視覺(jué)系統(tǒng)而言，程序更為簡(jiǎn)單，能夠?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)時(shí)性提供保障。

（三）圖像采集系統(tǒng)的硬件組成

（1）光源

照明和光源的選取，這決定了是否可以精確無(wú)誤的測(cè)驗(yàn)與檢查出藥粒的合格性，其也是對(duì)圖像進(jìn)行處理與計(jì)算的重要環(huán)節(jié)，若想極大的精簡(jiǎn)之后圖像處理的計(jì)算方法，那么其選擇的圖像就需要是一幅質(zhì)量極優(yōu)的圖像[12]。在現(xiàn)實(shí)生活的運(yùn)用里，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度與亮度是光源起到的關(guān)鍵作用：由于當(dāng)光源亮度較弱時(shí)，其產(chǎn)生的對(duì)比度不顯著，引起噪聲的出現(xiàn)概率也隨之提高，為了強(qiáng)調(diào)出被檢測(cè)物的特征，因此需要增大對(duì)比度，如此，感興趣的物體特點(diǎn)能夠與背景進(jìn)行顯著的區(qū)別，同時(shí)恰當(dāng)?shù)倪x取光源可以增強(qiáng)之后圖像處理的質(zhì)量，使對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)的繁雜過(guò)程得到簡(jiǎn)化，讓之后圖像處理的過(guò)程既節(jié)省時(shí)間又省去不必要的麻煩。物體的某些陰影會(huì)致使在測(cè)驗(yàn)與檢查時(shí)，把陰影邊緣錯(cuò)誤的當(dāng)作是物體邊緣;另外，在某些時(shí)刻下，后續(xù)圖像處理會(huì)由于光源照射的均勻效果而產(chǎn)生一定的困難與挑戰(zhàn)[13]。

（四）系統(tǒng)通訊方案

上位機(jī)部分是本系統(tǒng)的最后數(shù)據(jù)處理，所以每個(gè)子系統(tǒng)的最后數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)上位機(jī)展開(kāi)發(fā)送和接收。在數(shù)據(jù)傳送的階段里，每個(gè)子系統(tǒng)選擇的通信模式都有極大的不同，總計(jì)有3類模式。第一，在控制開(kāi)關(guān)時(shí)運(yùn)用的I/O通訊，其用作灌裝時(shí)的閥門操作;第二，RS-232通訊模式，在對(duì)光源的調(diào)整時(shí)使用;第三，從上文可知，GigE Vision網(wǎng)線通訊主要作用是負(fù)責(zé)傳送圖像采集卡和相機(jī)相互間的信息，擁有極高的傳輸速率，這在工業(yè)檢測(cè)里迅速收集圖像資料起到關(guān)鍵的作用[19-21]。

I/O通訊：對(duì)電磁閥門的操縱是此部分的主要運(yùn)用方面，經(jīng)由PCI-P8R8的控制板卡展開(kāi)工作進(jìn)程。這是八路繼電器輸出卡，屬于一類八路分離的數(shù)字量輸進(jìn)，可以積極的對(duì)輸進(jìn)信號(hào)展開(kāi)分離保護(hù)，確保浮動(dòng)電壓對(duì)主機(jī)產(chǎn)生的不良作用。經(jīng)由操縱對(duì)應(yīng)的輸出通道的開(kāi)光情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥門的掌控，從而做出迅速的反應(yīng)，在此進(jìn)程里對(duì)回應(yīng)時(shí)間的規(guī)定極為嚴(yán)格，通常都在1至2個(gè)毫秒之內(nèi)。

RS-232通訊：屬于計(jì)算機(jī)其中一個(gè)的通訊連接口，美國(guó)電子工業(yè)組織于1970年就規(guī)定了有關(guān)的條例，同時(shí)對(duì)其展開(kāi)了反復(fù)的修訂，是運(yùn)用極其普遍的接口通訊。在本系統(tǒng)里對(duì)光源展開(kāi)操縱也就是選擇此種模式，因?yàn)楣庠凑瓶貙?duì)時(shí)間回應(yīng)并未作出有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定，所以此通訊模式能夠達(dá)到需要[21-24]。

GigE Vision通訊：當(dāng)今，在工業(yè)數(shù)字相機(jī)里取得迅速進(jìn)步的是千兆網(wǎng)，即GigE，另外在數(shù)字接口的使用里極其廣泛，大體上能夠?qū)崿F(xiàn)整體代替模擬機(jī)器的相機(jī)接口。它擁有的較強(qiáng)技術(shù)靈巧性通常表現(xiàn)為相機(jī)多個(gè)功能、寬帶與線材的長(zhǎng)短等方面，而為了實(shí)現(xiàn)供電，其能夠利用以太網(wǎng)開(kāi)展工作，也就是經(jīng)由數(shù)據(jù)線取得電力。在運(yùn)用一根線材達(dá)到供電要求的時(shí)候展開(kāi)數(shù)據(jù)的傳送，從而節(jié)省了所要采購(gòu)與安裝的零件，進(jìn)一步可以省下花費(fèi)。千兆網(wǎng)的關(guān)鍵通訊協(xié)議是GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)，另外還涵蓋了更加準(zhǔn)確的時(shí)間協(xié)議，讓組件的時(shí)間可以精確到納秒，進(jìn)一步達(dá)到同步時(shí)間設(shè)定的目的[25-27]。

二、藥品圖像處理技術(shù)研究

（一）藥品圖像預(yù)處理

增強(qiáng)圖像質(zhì)量，提升圖像的信噪比，增加、清除干擾或促進(jìn)部分對(duì)后續(xù)處理起到關(guān)鍵影響的圖像細(xì)節(jié)資料等，這是預(yù)處理的最終目標(biāo)。后續(xù)圖像處理工作能否取得最優(yōu)成果，這很大程度上由圖像預(yù)處理質(zhì)量的優(yōu)良所決定。

（二）藥品圖像邊緣檢測(cè)

早期對(duì)藥品圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí)使用的經(jīng)典算子主要有一階導(dǎo)數(shù)法以及二階導(dǎo)數(shù)法兩種，發(fā)展至今又出現(xiàn)了新的藥品圖像邊緣檢測(cè)方法。

綜上所述，在Canny檢測(cè)前進(jìn)行平滑操作能降低高斯噪音對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生的干擾，針對(duì)檢測(cè)操作時(shí)誤將噪音視作目標(biāo)物的情況對(duì)算法進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。這種檢測(cè)算法適用的范圍比較窄這是由于它的定位高度精確特性同時(shí)也促使它更容易出現(xiàn)目標(biāo)物的判斷失誤，以及漏捕了某些正確的目標(biāo)信息。這在圖像的檢測(cè)中是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題，canny的算法經(jīng)過(guò)改進(jìn)后其對(duì)噪音的抑制能力以及對(duì)藥粒缺陷的判斷力都有明顯提升。

三、結(jié)束語(yǔ)

本論文基于對(duì)學(xué)界已有的經(jīng)驗(yàn)成果展開(kāi)分析研究，尋找其中的空白和不足，根據(jù)相關(guān)行業(yè)藥品分揀工作的需要，確立研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，設(shè)計(jì)更為有效的藥品分揀方案，最后得出如下結(jié)論。

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