戴維明

（池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 安徽 池州 247000）

0 引言

包裝箱貼碼是產(chǎn)品不可或缺的一部分，不僅能保護(hù)產(chǎn)品，而且能提升產(chǎn)品附加值，塑造品牌形象。 但是目前傳統(tǒng)的手動(dòng)貼碼存在大量人工操作，且操作速度慢，生產(chǎn)效率低，因此需要加大人力投入，難以滿足大批量生產(chǎn)的需求。 此外傳統(tǒng)的手動(dòng)貼碼過(guò)程容易出現(xiàn)貼漏、貼重、貼歪等情況，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的不合格產(chǎn)品和質(zhì)量抽查的需求，增加了生產(chǎn)成本。 并且，手動(dòng)貼碼缺乏自動(dòng)檢測(cè)和糾錯(cuò)機(jī)制，無(wú)法避免人為失誤和漏檢，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性和質(zhì)量管控。 隨著信息化技術(shù)的不斷普及和發(fā)展，我國(guó)的制造業(yè)正面臨著一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇。 當(dāng)前形勢(shì)下，高新技術(shù)的應(yīng)用將為制造業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)新的變革和突破。 通過(guò)引進(jìn)和應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字化和自動(dòng)化制造技術(shù)，可以提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，并大幅降低生產(chǎn)成本，從而讓制造業(yè)更具競(jìng)爭(zhēng)力。 目前機(jī)器視覺(jué)和二維碼標(biāo)識(shí)技術(shù)在包裝行業(yè)已逐漸替代人工完成各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)，其具有執(zhí)行速度快、精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，可顯著提高產(chǎn)品包裝自動(dòng)化程度［1］。

本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)貼碼包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將綜合應(yīng)用多控制器、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)線智能化，利用包裝箱上關(guān)鍵信息將復(fù)雜多變的情況歸類處理，精益化企業(yè)生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線包裝精度和效率的雙重提升。

1 計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

1.1 機(jī)器視覺(jué)原理

計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)具有準(zhǔn)確度高、速度快、可靠性好、處理打擦邊球能力強(qiáng)以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為了許多企業(yè)和行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化的必要手段和技術(shù)支撐。 計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、圖像信息分析處理模塊和功能執(zhí)行模塊等部分組成。 在箱式貼碼包裝生產(chǎn)線上，圖像采集模塊主要由光源、智能相機(jī)、圖像采集卡等組成，完成箱體目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)采集；圖像信息分析處理模塊將接收到的圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算；功能執(zhí)行模塊接收控制信號(hào)后，由關(guān)節(jié)機(jī)器人完成貼標(biāo)及條碼識(shí)別等規(guī)定任務(wù)［2］。 見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)器視覺(jué)原理示意圖

1.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外都在不斷擴(kuò)大和深入。在國(guó)外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、安防等多個(gè)領(lǐng)域。 在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品檢測(cè)、自動(dòng)化生產(chǎn)等方面；在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于疾病診斷、醫(yī)療器械制造等方面；在安防領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)支持視頻監(jiān)控、人臉識(shí)別等功能。 2022 年，全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)120 億美元。 在國(guó)內(nèi)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展較為迅速。 在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于產(chǎn)品檢測(cè)、自動(dòng)化生產(chǎn)、智能制造等多個(gè)方面；在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、醫(yī)療器械制造等方面；在安防領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。 2022年，我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了135.8 億元，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)外機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入高速增長(zhǎng)階段。 未來(lái)，隨著新技術(shù)如深度學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理等的不斷進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，產(chǎn)業(yè)鏈也將進(jìn)一步完善。 同時(shí)，人工智能發(fā)展依賴于高質(zhì)量數(shù)據(jù)資源和領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)作，需要國(guó)際合作和社會(huì)各界的積極參與，促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)全球化的推進(jìn)。

1.3 機(jī)器視覺(jué)主要算法

目前機(jī)器視覺(jué)常用算法主要有：（1）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network，CNN）。 主要應(yīng)用于圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)等領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域最為流行的算法之一。 （2）支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）。 主要用于二分類和多分類問(wèn)題的解決，對(duì)于非線性問(wèn)題有良好的分類效果。 （3）決策樹(shù)（decision tree）。 通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建分類器，可以實(shí)現(xiàn)多分類和回歸問(wèn)題的解決。（4）隨機(jī)森林（random forest）。 是一種集成學(xué)習(xí)方法，通過(guò)多個(gè)決策樹(shù)的組合來(lái)提高分類準(zhǔn)確性。 （5）自適應(yīng)提升算法（adaptive boosting，AdaBoost）。 也是一種集成學(xué)習(xí)方法，它可以將多個(gè)弱分類器組合成一個(gè)強(qiáng)分類器。 除了上述算法，還有一些常用的傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如線性回歸、邏輯回歸、K 近鄰算法等。

本文在箱體姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別上首先對(duì)Harris 算法對(duì)圖像特征進(jìn)行提取如邊緣、角點(diǎn)等，其次使用目標(biāo)檢測(cè)算法（single shot multiBox detector，SSD）確定圖像中是否存在指定的物體，最后可以使用SURF 特征點(diǎn)匹配的姿態(tài)估計(jì)算法確定箱體姿態(tài)。

2 自動(dòng)貼標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

貼標(biāo)系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)如圖2 所示，首先進(jìn)行產(chǎn)品取件，由取件人手持掌上電腦（personal digital assistant，PDA）根據(jù)銷貨單取件，區(qū)分不同訂單貨物。 取件人先掃一下銷貨單，再掃變頻器小條碼，通過(guò)企業(yè)資源計(jì)劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)直接把該變頻器綁定到銷貨單上，如掃的變頻器小條碼型號(hào)不對(duì)，PDA 直接報(bào)警提示。 并且人工隔一定間距把變頻器放置到流水線上的上料緩存區(qū)進(jìn)行人工上貨。 然后相機(jī)掃碼，采用頂面掃碼，識(shí)別小條碼后，發(fā)送給上位機(jī)，工控機(jī)接收到變頻器的小條碼后，發(fā)送給ERP 系統(tǒng)，再由ERP 系統(tǒng)返回取件，完成信息，和大條碼信息。

在變頻器型號(hào)后給打印機(jī)發(fā)送打印模板及信息，當(dāng)讀到可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的變頻器到位信號(hào)時(shí)，打印機(jī)開(kāi)始打印，同時(shí)工裝夾具伸出，固定住變頻器；在讀到PLC 的變頻器固定好信號(hào)時(shí)，相機(jī)開(kāi)始識(shí)別變頻器輪廓，判斷變頻器型號(hào)是否正確，再通過(guò)識(shí)別Mark 點(diǎn)完成導(dǎo)向作用，貼標(biāo)機(jī)器人開(kāi)始貼標(biāo)，最后識(shí)別貼標(biāo)的大條碼，判斷貼標(biāo)是否完成。 貼標(biāo)完成之后給PLC 發(fā)送貼標(biāo)完成信號(hào)，貼標(biāo)未完成則報(bào)警。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

貼標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括：工業(yè)計(jì)算機(jī)、工業(yè)相機(jī)、光源、視覺(jué)檢測(cè)模塊、打印貼標(biāo)機(jī)、傳送帶及人機(jī)交互界面等。 工業(yè)計(jì)算機(jī)是控制核心，用于接收反饋信息、生成控制指令、實(shí)時(shí)結(jié)果顯示等；工業(yè)相機(jī)主要用于圖像信息采集，通過(guò)高速拍攝，對(duì)生產(chǎn)線中的包裝進(jìn)行快速、精確的檢測(cè)和定位，從而識(shí)別應(yīng)貼碼的部分；光源則是為圖像唯一性和清晰度提供保證，以確保圖像的識(shí)別準(zhǔn)確性；視覺(jué)檢測(cè)模塊用于判斷當(dāng)前標(biāo)簽是否滿足工藝要求；打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)包括打印機(jī)和貼標(biāo)機(jī)，其中打印機(jī)用于打印標(biāo)簽，貼標(biāo)機(jī)負(fù)責(zé)將標(biāo)簽貼到指定位置；傳送帶則能夠?qū)a(chǎn)品從生產(chǎn)線輸入貼碼機(jī)中，從而提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和效率；人機(jī)操作界面主要是用于對(duì)貼碼機(jī)和圖像處理器進(jìn)行設(shè)置、管理、調(diào)度和監(jiān)控的，通過(guò)直觀化的交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)貼碼過(guò)程中的故障和異常進(jìn)行預(yù)警和糾錯(cuò)，從而保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率的最大化［3］。

3.2 主要模塊設(shè)計(jì)

視覺(jué)檢測(cè)模塊對(duì)貼標(biāo)位置的精確程度和貼標(biāo)效果的理想程度有直接的影響，其主要由圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、模板匹配等三部分組成。 首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)原圖像進(jìn)行灰度化和分割，得到二值圖像，再對(duì)二值圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，去除二值圖像中的噪聲。 然后再包裝箱進(jìn)行邊緣檢測(cè)，獲得其輪廓曲線，通過(guò)計(jì)算獲得貼標(biāo)面的偏轉(zhuǎn)角度、貼標(biāo)中心點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，為貼標(biāo)做好準(zhǔn)備。 最后，進(jìn)行模板匹配，在標(biāo)記結(jié)束后，采集標(biāo)記的圖像與模板相匹配，從而判斷標(biāo)記的定位是否正確，是否存在不完整、有無(wú)折疊和起皺等現(xiàn)象。 視覺(jué)檢測(cè)模塊處理流程如圖3 所示［4-6］。

圖3 軟件開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

3.3 貼標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)貼標(biāo)功能設(shè)計(jì)上，要達(dá)到當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)指定位置后，系統(tǒng)控制光源打開(kāi)并拍照，拍照完成后，系統(tǒng)識(shí)別條形碼，并把條碼發(fā)送至ERP，ERP 系統(tǒng)判定該條碼是否正常，是否是該訂單所屬條碼，并返回該條碼對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽信息給設(shè)備系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)簽信息生成標(biāo)簽，系統(tǒng)把生成的標(biāo)簽發(fā)送至打印機(jī)，并打印出標(biāo)簽。 待皮帶線停止后，系統(tǒng)再次拍照，系統(tǒng)根據(jù)算法處理圖像信息，得到貼標(biāo)位置及角度，通過(guò)已標(biāo)定的參數(shù)生成機(jī)器人實(shí)際坐標(biāo)，待打印機(jī)打印完畢后，機(jī)器人取走打印標(biāo)簽，將標(biāo)簽貼到系統(tǒng)計(jì)算出的位置，待機(jī)器人返回原點(diǎn)后，再次拍照，確認(rèn)貼碼是否成功，完成后當(dāng)前產(chǎn)品放行。 在拍照完成同時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)變頻器選擇相對(duì)應(yīng)的外包紙箱，并把類型發(fā)送給開(kāi)箱機(jī)器人，機(jī)器人將對(duì)于的紙箱抓取，開(kāi)箱，并放至流水線，待紙箱行走至貼標(biāo)位置后，紙箱貼標(biāo)線相機(jī)開(kāi)始拍照，并計(jì)算貼標(biāo)位置，讓貼標(biāo)機(jī)器人開(kāi)始貼標(biāo)至完成放行。 貼標(biāo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 貼標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將待貼標(biāo)產(chǎn)品放在傳送帶上，光電傳感器檢測(cè)到產(chǎn)品之后，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照，將圖片傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；上位機(jī)對(duì)圖片進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的控制指令；根據(jù)指令，運(yùn)動(dòng)控制模塊控制末端執(zhí)行器進(jìn)行打印和貼標(biāo)操作；完成操作后，工業(yè)相機(jī)再次對(duì)貼標(biāo)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，如果不合格則重新進(jìn)行貼標(biāo)操作，合格則進(jìn)行下一步操作。

3.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)又為工程內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和工廠外部網(wǎng)絡(luò)（詳見(jiàn)圖5）。 內(nèi)網(wǎng)包括操作技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，操作技術(shù)網(wǎng)絡(luò)主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、控制器、監(jiān)控設(shè)備等部件的控制，而信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)則包括制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)、ERP、客戶管理系統(tǒng)等系統(tǒng)并與互聯(lián)網(wǎng)相連接。外部網(wǎng)絡(luò)則采用云計(jì)算方式，用于工業(yè)企業(yè)上下游、企業(yè)與用戶以及智能產(chǎn)品的連接，即工業(yè)云平臺(tái)［7-9］。

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.5 視覺(jué)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)軟件是檢測(cè)系統(tǒng)中的智能部分，也是最核心的部分，對(duì)調(diào)試檢測(cè)程序的時(shí)間、檢測(cè)操作的性能等都有著重要影響。 本文的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于VM 算法開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)是?？禉C(jī)器人自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器視覺(jué)軟件，致力于為客戶提供箱體貼碼視覺(jué)檢測(cè)的算法工具，能滿足視覺(jué)定位以及信息識(shí)別等機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。 設(shè)計(jì)好的軟件頁(yè)面不僅需要美觀、易用，還需要實(shí)現(xiàn)良好的交互和反饋功能，軟件功能主要包括監(jiān)控畫(huà)面、控制畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面等。 其中，監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)過(guò)程中的圖像信息；控制畫(huà)面可以讓操作員對(duì)機(jī)器視覺(jué)模塊進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，使其更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需要；報(bào)警畫(huà)面可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障和異常，幫助操作員進(jìn)行處理和糾正。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)箱式自動(dòng)貼標(biāo)自動(dòng)化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)實(shí)現(xiàn)貼標(biāo)設(shè)備的包裝工序高度不依賴人工，通過(guò)全自動(dòng)載具將產(chǎn)品送至各個(gè)工站進(jìn)行上料、貼碼等流水線操作，以期更高效快捷處理訂單的產(chǎn)品賦碼、打包發(fā)貨，提高產(chǎn)品整體生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。 對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、降低人力成本和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要參考價(jià)值。