基于機器視覺的食品碼垛機器人控制系統設計

劉彩霞，楊春

1. 包頭職業技術學院（包頭 014030）；2. 包頭北方創業有限責任公司（包頭 014032）

隨著計算機技術和自動化控制技術的快速發展，碼垛機器人自動控制技術實現飛速發展[1-3]。食品包裝碼垛機器人便是將規則物品按照一定的形式整齊、自動地碼放在固定區域中，以便實現產品的搬運、存儲、裝卸及運輸等物料活動[4-6]。碼垛機器人因其具有工作效率高、生產成本低及占用空間小等優點，在食品包裝企業中被廣泛使用。

在食品生產企業中使用的碼垛機器人，只能對規則形狀的食品包裝箱進行簡單的搬運，并不能根據箱體尺寸、形狀及不同產品等不同特征的產品做出適當判斷完成碼垛，其智能化程度較低。中國生產企業正在處于工業化轉型、生產線升級換代的關鍵時期，傳統的碼垛機器人無法滿足競爭日趨激烈的生產企業的實際生產想需求。

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

為了提高碼垛機器人智能化程度，提高碼垛效率，在碼垛機器人中引入視覺識別技術，詳細介紹視覺圖像采集技術。試驗結果表明，該控制系統能夠100%實現視覺檢測，并進行分類識別碼放。

1 碼垛機器人視覺檢測系統

基于機器視覺的食品碼垛機器人系統如圖1所示。碼垛機器人視覺檢測系統主要包括四軸碼垛機器人、圖像采集卡、CCD相機、機械抓手、傳送帶、運動控制模塊等。產品通過傳送帶傳送到機器人末端停放處，機器人末端CCD相機迅速采集圖像并將圖像傳送到圖像采集卡中，計算機通過圖像濾波、圖像分割等一些列圖像預處理后，將處理結果傳送到控制器中，控制器根據處理結果對機器人發出相應運動指令。碼垛機器人通過運動控制模塊控制四軸實現同步運動控制，通過機器人外圍傳感器信號實現末端抓手的碼放。

2 視覺檢測系統關鍵技術

2.1 CCD相機標定

CCD相機標定的主要目的是將空間坐標系轉化為立體圖像坐標系，通過像素變換可以得到像素坐標和世界坐標之間的映射。CCD相機坐標與世界坐標的數學模型為：

式中：R3×3=(Rx, Ry, Rz)為CCD相機的旋轉矩陣，T3×1=(Rx, Ry, Rz)T為CCD相機平移向量，(XW, YW, ZW, 1)為定點在世界坐標系下的向量，(Xc, Yc, Zc, 1)為定點在CCD相機坐標系下的向量CCD相機坐標系坐標(Oc, Xc, Yc,Zc)。

通過映射處理后，可得物理坐標(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算量，去掉不相關信息保留圖像中的關鍵信息。

定義函數 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，可先進行高斯低通濾波，然后再使用拉普拉斯算子實現邊緣檢測，具體可表示為：

式中：f(x, y)為圖像；G(x, y)為高斯函數，具體可描述為：

對式（7）進行變換，可得表達式：

對式（8）進行二階偏導運算，可得：

式（9）就是高斯-拉普拉斯算子，可記作LoG算子。

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

圖2 軟件流程圖

3 試驗分析

為了驗證設計的機器視覺的食品碼垛機器人能夠識別不同物品完成相應位置碼放，以某型號碼垛機器人為研究對象搭建了試驗系統，該試驗系統主要包括碼垛機器人、傳送帶、CCD相機以及圖像采集處理系統等。機器人根據視覺檢測系統完成不同物品的碼放，碼放結果如圖3所示。

圖3 試驗結果

為檢測系統效率，對傳送帶速度通過變頻進行速度調節，以驗證機器人在不同傳送帶速度下的碼放效率和碼放準確性，試驗結果如表1所示。試驗過程中，傳送帶速度分別在80，100和150 mm/s速度下進行檢驗碼放準確率，由試驗數據可以看出，誤抓率為0，漏抓率為小于0.2%。由此結果可以看出，設計的食品碼垛機器人能夠對不同型號的產品進行分類分揀，其準確率完全能夠滿足生產要求。

表1 試驗結果

4 結語

食品包裝物品的分揀和碼放作為食品加工生產企業中非常重要的一個環節，傳統的碼垛機器人不能根據產品外觀信息、大小尺寸等進行分類。為解決傳統分揀碼垛機器人的的局限性，設計一款基于機器視覺的食品碼垛機器人控制系統，通過機器人末端CCD攝像機對產品進行圖像采集，并介紹相關攝像機標定方法，對采集到的圖像進行邊緣處理，提升機器人檢測準確率和效率。試驗數據表明，基于機器視覺的碼垛機器人控制系統擁有較高檢測效率和準確率，大大提升了企業生產效率。