白東升，李 康

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(tǒng)設(shè)計

白東升，李 康

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

針對目前芒果的外觀品質(zhì)分級采取人工方法所存在的不足，基于機器視覺、并聯(lián)機器人等先進技術(shù)，構(gòu)建了用于芒果品質(zhì)動態(tài)、實時檢測及分選的高速機器人系統(tǒng)，設(shè)計了芒果分揀的計算機視覺硬件系統(tǒng)，開發(fā)了高速分揀計算機視覺軟件系統(tǒng)。工作時，芒果輸送帶將芒果按機器人動作節(jié)拍輸送至圖像采集區(qū)域由工業(yè)相機采集圖像，識別系統(tǒng)對圖像信息進行特征提取，建立圖像特征與國家標(biāo)準(zhǔn)中的三級芒果的對應(yīng)關(guān)系，將具有相應(yīng)圖像特征的芒果其所處位置信息及其級別對應(yīng)的位置信息，通過單片機控制系統(tǒng)輸送給高速分選機器人，從而完成芒果的高速分選。測試結(jié)果表明：高速分揀機器人系統(tǒng)可以高速、準(zhǔn)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(nóng)產(chǎn)品的水果產(chǎn)業(yè)中，芒果占據(jù)了較大比重，對采收后的芒果進行分級篩選，可增加芒果產(chǎn)品附加值、提高其市場競爭力和經(jīng)濟效益[1]。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，芒果可根據(jù)其內(nèi)部品質(zhì)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(tǒng)的芒果等級分選主要依靠人工，根據(jù)個人的自身經(jīng)驗使用肉眼觀察來判別，分選準(zhǔn)確度受個人的主觀經(jīng)驗影響，人力視疲勞易導(dǎo)致分選不準(zhǔn)確，并且有速度慢、勞動強度大、人力成本高、易發(fā)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(jīng)濟效益[2]。

隨著計算機視覺技術(shù)、機器人技術(shù)的不斷成熟和機械制造技術(shù)的發(fā)展，基于計算機視覺的高速分揀系統(tǒng)，在水果的分選上的應(yīng)用正在逐漸取代傳統(tǒng)的分選方法[3]，它主要運用圖像處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機器人技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的國標(biāo)分級，通過控制系統(tǒng)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(tǒng)樣機，對球形水果分選試驗的準(zhǔn)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(tǒng)，尤其是高速分選機器人開發(fā)還處于摸索階段。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要命題是農(nóng)業(yè)機械化，而農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)可以反映出一個國家的農(nóng)業(yè)機械化水平[4]。 農(nóng)業(yè)機器人是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展出來的一種能夠部分代替人類勞動的智能化、精準(zhǔn)化的機械設(shè)備，多面向嬌嫩性和復(fù)雜性的作業(yè)對象，以及非結(jié)構(gòu)性的作業(yè)環(huán)境、特殊的使用對象，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

自1970年之后，發(fā)達國家紛紛啟動農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)。我國在這方面的開發(fā)起步比較晚，目前已經(jīng)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(tǒng)以計算機視覺為基礎(chǔ)，具有非接觸測量、可靠性高及柔性好等特點，適用于農(nóng)產(chǎn)品無損高速的檢測分選[5]?；诖?，本文開發(fā)出一種基于計算機視覺技術(shù)的芒果高速分選機器人系統(tǒng)設(shè)計，具有速度快、無損傷、設(shè)施較簡單等優(yōu)點，可以較好地解決芒果的按級別自動分選問題。

1 設(shè)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(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、基于模糊控制和高速并聯(lián)自動化控制的高速機器人組成。其工作流程為：電機驅(qū)動輸送鏈輪，輸送帶首先將筐中的芒果按機器人動作節(jié)拍輸送通過圖像采集區(qū)，圖像采集區(qū)設(shè)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(shè)置在輸送帶上方的光電傳感器觸發(fā)；獲得圖像后，圖像處理系統(tǒng)進行芒果圖像特征提取，提取結(jié)果由計算機識別系統(tǒng)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(jié)果和空間位置信息從串口發(fā)出；最后，單片機同步控制系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)高速分選。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)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(fā)。Sherlock 軟件主要完成圖像處理，自主開發(fā)的程序主要實現(xiàn)視覺算法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲及輸入輸出等功能。非實時部分采用MFC進行開發(fā)，形成高速機器人分揀系統(tǒng)的機器視覺軟件。

分選機器人控制系統(tǒng)由主程序和分級控制子程序組成。工作時，單片機接收到結(jié)果及位置信號之后， 調(diào)用相應(yīng)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(tǒng)

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(chǎn)生一些如蟲傷、雹傷、裂傷、碰壓傷及霉斑等表面缺陷，缺陷區(qū)域的大小是評價芒果外觀品質(zhì)好壞的重要依據(jù)。NY/T 492-2002將芒果根據(jù)外觀缺陷分為三級。對應(yīng)地，根據(jù)芒果圖像特征提取，建立圖像特征模型，以區(qū)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(tǒng)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(yè)相機方式，使用工業(yè)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(fā)等特點，正日益廣泛地在工業(yè)自動化生產(chǎn)的場合得到推廣應(yīng)用。

本計算機視覺機器人分選系統(tǒng)選用基于千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)的面陣工業(yè)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(zhì)量控制等的專用機器視覺軟件Sherlock開發(fā)本機器視覺軟件系統(tǒng)。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(tǒng)工作時，首先由視覺系統(tǒng)對視場內(nèi)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(biāo)三級芒果的特征模型，通過系統(tǒng)分析和比對，確定該芒果的等級。

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 輸送帶

輸送帶由電機驅(qū)動輸送鏈輪帶動，節(jié)拍根據(jù)機器人節(jié)拍設(shè)定。通過調(diào)節(jié)片的開度控制芒果成單排輸送，最終使芒果按機器人節(jié)拍輸送到機器人操作平臺。

2.3.2 高速機器人設(shè)計

高速機器人分選系統(tǒng)由單片機指令控制。工業(yè)相機端采集輸送帶上的芒果圖像，經(jīng)Sherlock機器視覺軟和自主開發(fā)軟件判定，確定視場內(nèi)芒果的級別類屬，并獲取空間位置信息；再通過單片機驅(qū)動并聯(lián)機器人和握持器動作，將芒果送入相應(yīng)通道，進入相應(yīng)級別包裝箱，從而實現(xiàn)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(yīng)級別的芒果放入相應(yīng)通道。

2)工藝過程及系統(tǒng)布局。芒果分選機器人操作環(huán)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(nèi)判斷當(dāng)前芒果類別；

(2)抓起器能夠按照不同芒果大小自動調(diào)整，并且準(zhǔn)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(tǒng)可以進行靈活調(diào)整。

4)總體方案。高速分選機器人機械手包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和抓手?？紤]到芒果的外形，抓手設(shè)計為握持型。抓手的握持、旋轉(zhuǎn)和放置動作都是由驅(qū)動系統(tǒng)來完成的，旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)計算機視覺軟件系統(tǒng)做出的具體的芒果級別判定結(jié)果所指向的輸出角度確定。

采用外轉(zhuǎn)動副驅(qū)動和輕質(zhì)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(shè)置兩個抓手。

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

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗安排

為了測試設(shè)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(chǎn)小臺芒，進行計算機視覺高速機器人分選。

3.2 試驗結(jié)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(yè)人員進行觀察評定等級。每個芒果3人評定，3人評定結(jié)果一致則采納，任何一人的評定結(jié)果與另兩人不同則結(jié)果無效。將有效判定結(jié)果與高速分選機器人的分選結(jié)果進行比對，表明高速分選機器人分選結(jié)果準(zhǔn)確、偏差極小。

4 結(jié)論

設(shè)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(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)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(zhǔn)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(jīng)濟價值，值得推廣運用。

[1] 韋家少．世界芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況[J]．中國熱帶農(nóng)業(yè)，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(xué)，2006．

[3] 易中懿，胡志超．農(nóng)業(yè)機器人概況與發(fā)展[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(2)：390-393．

[4] 王輝，程雪，李玉霞．農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)用進展初探[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(tǒng)[J]．農(nóng)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(guān)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