賈超廣，肖海霞

1. 鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院（鄭州 451191）；2. 河南工程學院（鄭州 451191）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的快速提升，袋裝食品的日均消耗量逐年增多，包裝食品生產(chǎn)企業(yè)亟需生產(chǎn)設(shè)備的升級以提升生產(chǎn)效率[1-3]。包裝食品的傳統(tǒng)加工方式通常是利用人工進行食品分揀和歸類，這種生產(chǎn)方式不僅效率低下，而且勞動強度大。

隨著機器人技術(shù)、視覺技術(shù)、人工智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機器視覺技術(shù)在一些工作強度大、重復性高的工作崗位中被廣泛應(yīng)用，如在食品包裝分揀這一工作任務(wù)重、重復性高的領(lǐng)域，可以利用機器視覺自動分揀技術(shù)以提高分揀效率和準確率[4-7]。利用視覺系統(tǒng)對不同特征的食品進行快速實施鑒別、分級，機器人通過運動跟蹤控制，可以充分發(fā)揮機器視覺系統(tǒng)的高速檢測、高精度的優(yōu)點，通過機械手對食品進行分揀，不僅提高食品的分揀效率，同時也保障食品生產(chǎn)的衛(wèi)生安全。機器視覺系統(tǒng)主要由計算機、多軸運動控制器、CCD視覺系統(tǒng)、機械手等組成。CCD視覺系統(tǒng)通過攝取食品圖像，利用計算機圖像處理算法對食品進行分級和判斷，進而再控制并聯(lián)機器人進行動作實現(xiàn)食品的分級。

試驗利用包裝食品分揀為研究對象，將機器人技術(shù)和視覺技術(shù)相結(jié)合形成機器視覺包裝食品自動分揀系統(tǒng)，利用坐標轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)視覺坐標標定，設(shè)計系統(tǒng)軟件和硬件系統(tǒng)，并通過試驗驗證該系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 并聯(lián)機器人分揀系統(tǒng)

機器視覺的食品包裝碼垛機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機器視覺分揀系統(tǒng)主要包括并聯(lián)機器人、圖像采集卡、CCD相機、機械手及運動控制模塊。包裝食品通過傳送帶傳送到CCD攝像頭處，CCD相機迅速將攝取到圖像采集卡，計算機利用圖像處理算法對獲取的圖像進行預(yù)處理，并將處理結(jié)果傳送到控制器，控制器根據(jù)具體的處理結(jié)果對機器人發(fā)出相應(yīng)的命令。并聯(lián)機器人通過運動控制實現(xiàn)機器人的快速跟蹤定位并快速完成抓取分揀任務(wù)。

2 視覺系統(tǒng)標定

在機器視覺系統(tǒng)中，CCD相機標定是分揀系統(tǒng)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是分揀系統(tǒng)其他工作的基礎(chǔ)保證，直接影響后續(xù)分揀精度。相機標定是通過數(shù)學模型求出CCD相機內(nèi)外參數(shù)的一個過程，這些參數(shù)決定圖像像素與空間三維坐標的對應(yīng)關(guān)系[8-11]。世界坐標系統(tǒng)及相機坐標系如圖2所示。要將某個物體的世界坐標系轉(zhuǎn)換到圖像像素坐標系，基本需要完成剛體變換、透視投影、圖像離散等步驟，介紹如何實現(xiàn)機器視覺的快速標定。

圖1 機器視覺視覺檢測系統(tǒng)

圖2 各坐標系示意圖

利用平移和旋轉(zhuǎn)將世界坐標系轉(zhuǎn)換為相機坐標系，轉(zhuǎn)換數(shù)學模型為

為方便計算，將式（1）進行簡化處理。

式中：R為旋轉(zhuǎn)變換矩陣；T為平移變換矩陣。

若將式（1）用齊次坐標表示，則有

式中：旋轉(zhuǎn)變換矩陣R可分解為繞XW軸的旋轉(zhuǎn)矩陣α，繞YW軸的旋轉(zhuǎn)矩陣β以及繞ZW軸的旋轉(zhuǎn)矩陣γ，即滿足

綜上，可忽略角度α和β點的影響，那么式（4）可表示成式（5）的形式。

攝像機成像過程實質(zhì)上就是透視投影過程，要形成清晰的實像必須確保像距和焦距f相等。參考相似三角形之間關(guān)系，成像過程可描述為

攝像機成像平面得到投影后，要想將物理圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳送至計算機，必須對其進行離散化處理，就是從物理坐標系轉(zhuǎn)換到像素坐標系。上述過程可稱之為圖像離散化，可描述為

式中：dx為x方向上單位像素的物理尺寸；dy為y方向上單位像素的物理尺寸。

由式（5）～（7）聯(lián)合可以得到圖像坐標系和世界坐標系之間的變換關(guān)系，即

在實際包裝過程中，物料的厚度與豎直平移坐標相比可以忽略不計，因此可認為物料高度一直為0。如果只關(guān)心物料在世界坐標系下的XW和YW坐標，那么式（8）可以簡化為

式中：k1=f/dx，k2=f/dy，b1=fTx/dx+u0Tz，b2=fTy/dy+v0Tz。如果物料缺失或物料不全，則可根據(jù)標定結(jié)果得到填充位置世界坐標，并將坐標發(fā)送給機器人，機器人得到坐標后抓取物料填充到相應(yīng)位置。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

食品分揀系統(tǒng)工作流程如圖3所示。系統(tǒng)完成初始化后，工件運動到相機相應(yīng)位置時，相機拍照信號被觸發(fā)進行拍照，相機將圖像傳送到計算機中，計算機根據(jù)圖像處理算法對其進行一系列處理。通過視覺標定坐標轉(zhuǎn)換，可將坐標傳輸給控制器，控制器根據(jù)目標位置并結(jié)合末端對應(yīng)起點的坐標及并聯(lián)機器人軌跡形式進行相應(yīng)的機器人路徑規(guī)劃，多軸運動控制器再利用多點直線插補方法進行位置的逆運算，并將運算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器，當需要調(diào)用這些數(shù)據(jù)時可隨時將其調(diào)用。

圖3 食品分揀系統(tǒng)

機器視覺的食品包裝系統(tǒng)上位機采用Track-MAN軟件進行開發(fā)，該開發(fā)軟件采用C#語言進行開發(fā)，如圖4為上位機軟件架構(gòu)。通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、指令下發(fā)、故障顯示等，其主要功能包括配置監(jiān)控、系統(tǒng)配置、事件日志和權(quán)限管理。

圖4 上位機軟件架構(gòu)

4 試驗分析

為驗證設(shè)計的機器視覺的食品包裝分揀系統(tǒng)的有效性，開展相關(guān)試驗研究。供料傳送帶將袋裝食品向前輸送，機器人根據(jù)食品位置實施抓取。傳送帶每分鐘可以傳送100包袋裝小食品，袋裝食品之間的間隔根據(jù)傳送帶的速度進行設(shè)定，按要求將袋裝食品放在紙箱中，裝滿后下一個箱子到位。機器視覺食品包裝分揀試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 機器視覺分揀系統(tǒng)

通過上位機對試驗數(shù)據(jù)進行采集，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每分鐘120包食品的快速分揀，且能夠?qū)⑹称钒凑疹A(yù)定位置進行擺放，完全滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)語

以袋裝食品分揀為研究對象，為解決傳統(tǒng)袋裝食品加工分揀勞動強度大、自動化程度低的問題，結(jié)合機器人控制技術(shù)及視覺圖像識別技術(shù)，設(shè)計一種機器視覺的食品包裝快速分揀系統(tǒng)。通過機器視覺坐標標定完成物體的定位跟蹤，并針對該系統(tǒng)的軟件部分進行設(shè)計。結(jié)果表明，該機器視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每分鐘120包食品的快速分揀，完全滿足設(shè)計需求。該系統(tǒng)可大幅提高食品加工企業(yè)的生產(chǎn)效率，有效降低工人勞動強度。