基于計算機視覺的高速機器人芒果分選系統設計

白東升，李 康

(平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467000)

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基于計算機視覺的高速機器人芒果分選系統設計

白東升，李 康

(平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467000)

針對目前芒果的外觀品質分級采取人工方法所存在的不足，基于機器視覺、并聯機器人等先進技術，構建了用于芒果品質動態、實時檢測及分選的高速機器人系統，設計了芒果分揀的計算機視覺硬件系統，開發了高速分揀計算機視覺軟件系統。工作時，芒果輸送帶將芒果按機器人動作節拍輸送至圖像采集區域由工業相機采集圖像，識別系統對圖像信息進行特征提取，建立圖像特征與國家標準中的三級芒果的對應關系，將具有相應圖像特征的芒果其所處位置信息及其級別對應的位置信息，通過單片機控制系統輸送給高速分選機器人，從而完成芒果的高速分選。測試結果表明：高速分揀機器人系統可以高速、準確地完成芒果的分選工作。

芒果；水果分選；高速機器人；計算機視覺

0 引言

在我國農產品的水果產業中，芒果占據了較大比重，對采收后的芒果進行分級篩選，可增加芒果產品附加值、提高其市場競爭力和經濟效益[1]。

根據農業部標準，芒果可根據其內部品質和外部特征(如顏色、形狀、大小、表面缺陷和損傷等)分成三級。 傳統的芒果等級分選主要依靠人工，根據個人的自身經驗使用肉眼觀察來判別，分選準確度受個人的主觀經驗影響，人力視疲勞易導致分選不準確，并且有速度慢、勞動強度大、人力成本高、易發生二次污染和人為損傷等缺點，無法滿足市場的需求，影響其經濟效益[2]。

隨著計算機視覺技術、機器人技術的不斷成熟和機械制造技術的發展，基于計算機視覺的高速分揀系統，在水果的分選上的應用正在逐漸取代傳統的分選方法[3]，它主要運用圖像處理技術、神經網絡技術和機器人技術，根據相應的國標分級，通過控制系統控制機器人進行水果分選。 目前，已研究出了針對球形水果的實時控制系統樣機，對球形水果分選試驗的準確率高達94.6%。然而，針對形狀為扁平的類似芒果外觀的水果，其自動分選系統，尤其是高速分選機器人開發還處于摸索階段。

農業現代化的一個重要命題是農業機械化，而農業機器人技術可以反映出一個國家的農業機械化水平[4]。 農業機器人是現代農業發展出來的一種能夠部分代替人類勞動的智能化、精準化的機械設備，多面向嬌嫩性和復雜性的作業對象，以及非結構性的作業環境、特殊的使用對象，是現代農業生產中不可缺少的環節，也是未來農業發展的必然趨勢。

自1970年之后，發達國家紛紛啟動農業機器人的研發。我國在這方面的開發起步比較晚，目前已經取得了一定的進展，但是在操作精度、工作效率和智能化等方面仍然比較落后。

水果高速分揀機器人系統以計算機視覺為基礎，具有非接觸測量、可靠性高及柔性好等特點，適用于農產品無損高速的檢測分選[5]。基于此，本文開發出一種基于計算機視覺技術的芒果高速分選機器人系統設計，具有速度快、無損傷、設施較簡單等優點，可以較好地解決芒果的按級別自動分選問題。

1 設計原理

本計算機視覺芒果高速分選機器人由芒果輸送帶、計算機視覺識別系統、單片機控制系統、基于模糊控制和高速并聯自動化控制的高速機器人組成。其工作流程為：電機驅動輸送鏈輪，輸送帶首先將筐中的芒果按機器人動作節拍輸送通過圖像采集區，圖像采集區設置4個攝像頭，從4個方位采集芒果圖像信息，攝像動作由設置在輸送帶上方的光電傳感器觸發；獲得圖像后，圖像處理系統進行芒果圖像特征提取，提取結果由計算機識別系統進行識別，按照模型判斷芒果分屬等級，并對芒果進行空間定位，將等級判定結果和空間位置信息從串口發出；最后，單片機同步控制系統操縱機器人進行抓取和放置完成芒果的分級。

基于計算機視覺的芒果分選高速機器人中的計算機要同時進行圖像采集、發出指令兩個動作，相互之間易形成干擾，降低工作效率。本系統在計算機和分選機器人之間增加單片機，可以接收計算機的指令，且不影響圖像處理，從而實現高速分選。

2 軟硬件設計

2.1 軟件設計

本項目軟件分為實時和非實時兩部分，實時部分以Sherlock嵌入Visual C++6.0進行開發。Sherlock 軟件主要完成圖像處理，自主開發的程序主要實現視覺算法、數據轉換與存儲及輸入輸出等功能。非實時部分采用MFC進行開發，形成高速機器人分揀系統的機器視覺軟件。

分選機器人控制系統由主程序和分級控制子程序組成。工作時，單片機接收到結果及位置信號之后， 調用相應子程序啟動機器人進行芒果分選。

2.2 計算機視覺識別系統

受自然條件及采摘、運輸、保存等過程中外力的影響，芒果表面不可避免地會產生一些如蟲傷、雹傷、裂傷、碰壓傷及霉斑等表面缺陷，缺陷區域的大小是評價芒果外觀品質好壞的重要依據。NY/T 492-2002將芒果根據外觀缺陷分為三級。對應地，根據芒果圖像特征提取，建立圖像特征模型，以區分不同等級的芒果。

工作時，輸送帶將芒果輸送到圖像采集視場后，系統即可獲取芒果圖像。從圖像采集卡采集和相機采集兩種圖像采集方式中選擇了工業相機方式，使用工業相機采集圖像，具有圖像傳輸速度快、圖像清晰度好、方便二次開發等特點，正日益廣泛地在工業自動化生產的場合得到推廣應用。

本計算機視覺機器人分選系統選用基于千兆以太網通信協議開發的面陣工業相機，黑白成像，適用于計算機視覺處理。

選用專門用于檢測、搜索和質量控制等的專用機器視覺軟件Sherlock開發本機器視覺軟件系統。該軟件能進行圖像處理運算、幾何運算及測量分析等大量高性能機器視覺算法，足以匹配高速機器人的性能。

計算機視覺識別系統工作時，首先由視覺系統對視場內芒果的外部特征(如顏色、形狀、大小、表面缺陷和損傷等)進行特征提取，建立國標三級芒果的特征模型，通過系統分析和比對，確定該芒果的等級。

2.3 硬件設計

2.3.1 輸送帶

輸送帶由電機驅動輸送鏈輪帶動，節拍根據機器人節拍設定。通過調節片的開度控制芒果成單排輸送，最終使芒果按機器人節拍輸送到機器人操作平臺。

2.3.2 高速機器人設計

高速機器人分選系統由單片機指令控制。工業相機端采集輸送帶上的芒果圖像，經Sherlock機器視覺軟和自主開發軟件判定，確定視場內芒果的級別類屬，并獲取空間位置信息；再通過單片機驅動并聯機器人和握持器動作，將芒果送入相應通道，進入相應級別包裝箱，從而實現芒果的自動分選與分裝。

1)芒果分選機器人要解決的問題：

(1)對通過計算機視覺采集端的芒果快速判斷級別類屬；

(2)快速將相應級別的芒果放入相應通道。

2)工藝過程及系統布局。芒果分選機器人操作環境主要包括芒果入口輸送帶及分選輸送帶，芒果入口輸送帶為塑封條運行路徑。分級輸送帶是紙箱輸送帶。

3)對自動分選高速機器人的要求：

(1)能夠在0.2s內判斷當前芒果類別；

(2)抓起器能夠按照不同芒果大小自動調整，并且準確定位；

(3)抓起器必須安全、可靠、不對芒果造成任何損傷；

(4)在更換不同類別芒果時，機器人控制系統可以進行靈活調整。

4)總體方案。高速分選機器人機械手包括控制系統、驅動系統和抓手。考慮到芒果的外形，抓手設計為握持型。抓手的握持、旋轉和放置動作都是由驅動系統來完成的，旋轉角度根據計算機視覺軟件系統做出的具體的芒果級別判定結果所指向的輸出角度確定。

采用外轉動副驅動和輕質桿平行四邊形支鏈，可獲得很高的速度和加速度。一個高速芒果分選機器人設置兩個抓手。

針對機器人的抓取—放置操作任務，以速度曲線修正梯形加速度模式(S型)作為運動規律，分別對關節坐標空間和直角坐標空間對握持器和主動臂進行軌跡規劃。

3 試驗與結果

3.1 試驗安排

為了測試設計的芒果分選高速機器人的性能，通過芒果的分選試驗，對機器人的芒果分選工作的有效性和速率進行測試。試驗選用海南產小臺芒，進行計算機視覺高速機器人分選。

3.2 試驗結果

試驗表明：高速分選機器人的分選速度為20 000個果/h。對所分選出來的芒果隨機抽取部分樣品，由專業人員進行觀察評定等級。每個芒果3人評定，3人評定結果一致則采納，任何一人的評定結果與另兩人不同則結果無效。將有效判定結果與高速分選機器人的分選結果進行比對，表明高速分選機器人分選結果準確、偏差極小。

4 結論

設計了基于計算機視覺的芒果高速分選機器人，通過計算機視覺軟件識別系統和機器人控制系統的構建，實現了芒果的高速自動分選。試驗表明： 該分選機器人識別、分選準確，效率高，有助于提高芒果的附加值，改善勞動條件，在我國具有重要的經濟價值，值得推廣運用。

[1] 韋家少．世界芒果產業發展概況[J]．中國熱帶農業，2005(5):22-25．

[2 ] 張立華．基于計算機視覺的芒果表面缺陷檢測方法研究[D]．南寧：廣西大學，2006．

[3] 易中懿，胡志超．農業機器人概況與發展[J]．江蘇農業科學，2010(2)：390-393．

[4] 王輝，程雪，李玉霞．農業機器人應用進展初探[J]．安徽農業科學，2009，37(16)：7674-7675．

[5] 許紅玉．張東興．基于計算機視覺的水果分選機實時控制系統[J]．農機化研究，2006(8)；104-105,108．

A High Speed Robot System Based on Computer Vision for Mango Sorting

Bai Dongsheng, Li Kang

(Pingdingshan Industrial Vocational and Technical College, Pingdingshan 467000, China)

A Aiming at the shortage of the manual mango sorting, A high-speed robot system combined dynamic, real-time detection and sorting Mango based on machine vision, parallel robots and other advanced technology.A hardware system for mango sorting by computer vision is designed, and a high speed sorting computer vision system was developed, which consists of conveyor belt, computer vision recognition system, MCU control system,parallel automatic control of high speed robot based on fuzzy control and high-speed. The mango conveying belt will works rhythmically according to robot motion beat and transport Mango to the image acquisition area by industrial camera image acquisition, recognition system treat image information for feature extraction, and established the corresponding relationship between the image features and the national standard of mango. The result and the location information is transported through the MCU control systemto the high speed sorting robot, thus completing the mango high-speed sorting. mango sorting experiment show that the high speed sorting robot system based on computer vision can sort mango with high speed and accuracy.

mango; fruit sorting; high speed robot; computer vision

2016-06-13

河南省科技攻關項目(20140131)

白東升(1981-)，男，河南泌陽人，講師，碩士， (E-mail)baidongsheng0601@163.com。

李 康(1984-)，男，河南平頂山人，碩士。

S226.5；TP242

A

1003-188X(2017)08-0231-03