高速机器人分拣系统机器视觉技术的研究
包装与食品机械2014年第32卷第1期
设计计算
高速机器人分拣系统机器视觉技术的研究
晏祖根，李
明，徐克非，孙小华，闫志鹏，孙智慧
(哈尔滨商业大学轻工学院，哈尔滨150028)
摘要：针对我国食品生产行业的实际需求，基于并联机器人、机器视觉等先进技术，构建了面向食品
生产包装的高速机器人分拣系统，研究了输送带上运动食品的机器视觉定位算法，设计了运动食品分级与定位的机器视觉硬件系统，基于专业图像处理软件Sherlock ，研发了自动分拣机器视觉软件系统，以提高我国食品生产效率、保证食品卫生、降低劳动强度。
关键词：机器视觉; 图像处理; 分拣; 并联机器人; 食品生产
中图分类号：TS206．5; TP391．41文献标志码：A 文章编号：1005－1295(2014) 01－0028－04doi ：10．3969/j．issn．1005－1295．2014．01．007
High-speed ＲobotAuto-sorting System Based on Machine Vision YAN Zu-gen ，LI Ming ，XU Ke-fei ，SUN Xiao-hua ，YAN Zhi-peng ，SUN Zi-hui （Light Industry College of Harbin University of Commerce ，Harbin 150028，China ）
Abstract ：In view of the actual demand of the food industry in China ，the high-speed parallel robot auto-sorting system is constructed．The machine vision positioning algorithm of the moving food on the conveyor belt is studied．The machine vision hardware system for food sorting and positioning is designed．Based on second-ary development for Sherlock in VC programming environment ，the machine vision software system is devel-oped．By applied the machine vision system ，it can improve the production efficiency and reduce the labor ’s intensity in our food and packaging industry．
Key words ：machine vision ；image processing ；auto-sort ；parallel robot ；food produce 随着经济发展和人民生活水平的提高，传统
产业的结构调整和升级已成为行业发展的共识。将机器视觉、机器人等先进技术引入传统的食品生产行业，改善自动化生产、保障食品加工过程安提高生产效率、降低劳动强度，已成为现全卫生、
代食品加工与包装行业的一种新型趋势。
机器视觉技术具有非接触测量、可靠性高、柔性好等特点，在工业自动化、视觉导航、虚拟现实等方面已获得广泛应用。机器视觉系统分为基于PC 的视觉系统和基于视觉传感器的视觉系统两大类。基于PC 的机器视觉系统的视觉检测全部
由PC 完成，检测速度受限。基于视觉传感器的机器视觉系统，由于视觉传感器将图像处理器、数I /O接口等高度集成，并提供专用视觉字摄像机、开发软件，因此可大大简化软件开发难度、缩短开发周期、提高识别速度和可靠性，具有更为广阔的应用前景1
［1－2］
。
高速并联机器人分拣系统
目前食品加工自动生产线上，多数采用人工
完成食品的检测、分级与分拣，既增大企业的人工
收稿日期：2013－12－23; 修稿日期：2013－12－31
基金项目：国家科技计划课题(2011BAD24B01) ; 黑龙江省研究生创新科研项目(YJSCX2011－159HLJ ) 作者简介：晏祖根(1973－) ，男，博士，副教授，研究方向为包装技术与包装机械自动化，通信地址:150028黑龙江哈尔滨市松北区学海
E-mail :yanzugen@126．com 。街1号哈尔滨商业大学轻工学院，
28
成本和管理成本，也增加二次污染的几率，还不能
保证100%的生产合格率。针对我国食品包装行基于机器视觉、机器业的发展现状与实际需求，
人、运动控制等先进技术，构建了面向食品生产包装的高速机器人分装系统，如图1所示。机器人
运动控制器、并联机器分装系统主要由工控机、
人、夹持器和基于工业相机的机器视觉系统组成
。
机器人分拣时，首先通过工业相机采集输送
带位置A 处的食品图像，利用专用机器视觉软件对所采集图像分析处理，提取食品的边缘特征，确
即食品定该食品的特征点A 和绕该点的转角θ，的位置和姿态；经过Δt 的延迟后，驱动并联机器
人及末端夹持器至位置A' 处抓取食品，并按工艺XYZ 原坐标系O-要求放置到相应位置。图2中，点O 位于并联机器人静平台中心，在输送带上的
XYZ 原点P 位投影为O' ，OO' =H ；坐标系P-于工业相机的镜头平面，在输送带上的投影为
P' ；平面O'-XZ 与P'-XZ 的间距为L ，输送带宽度为W 、输送速度为v 。
食品由位置A 传送至位置A' ，传送距离S 为：
S =v Δt
（1）
由于采用面阵工业相机为视觉传感器，运动食品的偏移距离Δx 、Δy 可通过图像标定来获XYZ 的坐标值为：取，则位置A' 在坐标系O-y =－L －Δy +S =－L －Δy +v Δt
图1高速并联机器人自动分装系统
机器人分装系统采用上、下位机的控制体系。
上位的工控机利用工业相机，采集输入皮带上的运动食品图像，采用机器视觉算法，对运动食品进行自动分级、定位与跟踪；再通过下位的运动控制器，驱动并联机器人和夹持器动作，将食品按要求
［3－4］
。实现食品的自动分拣与分装送入包装箱，2
机器视觉定位算法
机器人自动分装原理如图2、图3所示
。
33．1
{
x =－Δx
z =－H
（2）
机器视觉软件系统设计总体设计
机器视觉系统的图像采集主要有两种方式，一种方式利用图像采集卡采集图像，另一种利用工业相机采集图像。采用工业相机的方式，具有信号质量好、传输快、方便二次开发等特点，在工业自动化生产的场合日益广泛推广应用。项目采用机器视觉系统确定输送带上规则食品的特征点与转角，其主要设计因素是图像处理的实时性。项目选用DALSA 公司生产的Genie
GEN3-M640x 面阵工业相机，系列CＲ-该相机基于千兆以太网通信协议开发，黑白成像、分辨率
640ˑ 480、GigE-帧/行频64fps 、像元尺寸7．4μm 、Vision 数据接口。
图2
机器视觉系统定位原理图
机器视觉软件的开发可采用全自主开发、利用专用机器视觉软件二次开发等方式。采用全自主开发的方式，开发工作量大、周期长、可靠性较低。工业自动化生产场合多采用专用机器视觉软件二次开发的方式。项目选用DALSA 公司的专用机器视觉软件Sherlock 开发项目机器视觉软件系统。
Sherlock 是DALSA 公司基于Windows 环境开发的一款专门用于检测、包装、搜索和质量控制
29
图3运动物品的机械视觉俯视模型
等的先进视觉软件，具有图像处理运算、几何运算、测量和分析等大量高性能机器视觉算法，拥有易于二次开发。功能齐全的图形化用户界面，3．2机器视觉软件开发
项目基于VC 开发环境，对Sherlock 软件进行
形成并联机器人分拣系统的机器视觉软二次开发，
件，软件框图如图4所示。基于VC 自主开发的程序
数据转换与存储、输入输出、视主要完成人机界面、
觉算法等功能，嵌入的Sherlock 软件主要完成图像边缘提取、图像增强、测量分析等功能选择、
［5－7］
m_Engine．CreateInstance （CLSID_Engine）；m_Engine －＞EngInitialize （）；∥后台运行
Sherlock ；
m_pEvents=new CEngEventSink （this ）；m_pEvents－＞AddＲef（）。
（4）在工程对话框中链接Sherlock 所采集的图像：
I_ENG_EＲＲOＲnＲet=m_Engine－＞Inv-Load （" Simple0．ivs" ）；
m _Display．ConnectEngine （m _Engine －＞GetEngineObj （））；
m_Display．ConnectImgWindow （" imgA" ）；∥载入Sherlock 采集图像Simple0．ivs 。
（5）在工程对话框中对Sherlock 所采集图像进行分析处理，如特征提取、视觉算法、数据转换、数据传输、数据储存等，实现运动食品的自动分级、定位与追踪。（6）完成机器视觉处理后，退出后台运行的Sherlock ：
m_Engine－＞InvModeSet （I _EXE _MODE _HALT ）；∥退出线程；
m_Engine－＞EngTerminate （）；∥退出Sherlock 。
。
图4机器视觉软件框图
3．3典型食品的图像处理算法
以识别心形巧克力为例，机器视觉软件开发步骤如下：
（1）首先，建立基于MFC 的工程项目，在工程中添加DLL 文件，完成VC 工程与Sherlock 的连接：#import" C ：\\Sherlock\Bin\IpeEngCtrl．dll" 。
（2）在工程对话框中添加IpeDspCtrl 控件，如并添加相应变量m_Display。IpeDspCtrl 图5所示，
VC 二次开发工具，控件为Sherlock 开发的VB 、界VC 编程环境接收Sherlock 面友好，主要用于VB 、
所采集图像
。
并联机器人自动分装的食品大多具有比较规则的外形，可通过图像采集、边缘提取、图像增强及特征分析等，提取待分拣食品的特征。对圆形食品，提取食品的中心点即可；对于非圆形食品，可提取其特征点及相应转角。
例如，对图5所示的巧克力食品，可先利用Sherlock 的图像选择、边缘提取、图像增强等功能，确定巧克力的边缘曲线；再通过所开发的机器视觉软件，确定边缘曲线的中心点A 、拐点B 和旋转角θ，如图6所示，从而确定巧克力的位置与姿态，以驱动并联机器人及夹持器对食品进行分拣
。
图5IpeDspCtrl 控件
图6
（3）为保证机器视觉软件的实时运行，建立
后台运行的与Sherlock 相链接的类m_Engine：30
巧克力食品的特征提取算法
——王亚妮，一种青核桃去皮机的设计与试验研究—卢军党，王维，田智辉，贺功民，曹京兰
18．
4结束语
［2］许德群，肖衡．我国包装与食品机械发展现状及趋
J ］．包装与食品机械，2011，29（5）：47－50．势［
［3］朱作付，徐超，葛红美．机器视觉技术在包装领域的
J ］．包装工程，2010，31（3）：24－26．应用［
［4］陈厚忠，朱小中．易开盖成品高速视觉检验机器的
J ］．包装与食品机械，2011，29（1）：32－34．开发［
［5］方隽，张乐年，郑启旺．机器视觉在烟条外包装检测
．机械制造与自动化，2009，38系统中的应用［J ］（5）：35－27．
［6］田大鹏．触觉反馈遥操作机器人关键控制技术的发
J ］．机电工程，2013，30（9）：1042－1050．展现状［
［7］曾麟，王耀南，肖方良，等．基于机器视觉的全自动
J ］．仪表技术与传感器，2010（3）：22智能包装系统［－24．
引入机器视觉、机器人等先进技术，提高行业
工艺和技术水平，已成为现代食品加工与包装行业的一种发展趋势。文中针对我国食品生产行业的实际需求，设计了运动食品自动分级与定位的机器视觉硬件系统，基于Sherlock 的二次开发，研发了机器视觉软件系统，可为高速并联机器人自动分拣系统的研发提供研究基础。
参考文献：
［1］晏祖根，王立权，孙智慧．面向食品生产的高速自动
．包装工程，2009，30（7）：16－分拣系统的研究［J ］
信息
2014年CIGＲ世界大会将在北京举行
第18届国际农业与生物系统工程大会（CIGＲ）将于2014年9月16日－19日在中国北京举行。我分会与中国农业工程学会农产品加工及贮藏工程分会共同承办第六分会场，该分会场致力于采后农产品处理的机械加工、基本原理和
探讨如何促进采后农产品加工在预处技术应用，
理、保存、处理、保管和质量控制等方面的最新科
技发展和技术传播。
欢迎国内食品加工业、食品和包装机械、农产品加工行业领域的广大科技工作者、学会会员和相关领域的高校师生积极踊跃网上投稿、注册参加2014年CIGＲ世界大会。
12
会议时间与地点
2014年9月16日 19 日，北京国家会议中心。
会议主题
——提升人类生活品质。农业与生物系统工程—3注册费用
注册类型普通代表学生
2014年2014年6月5月31日1日及前注册22001300
以后注册28001600
现场注册28001600
4预注册费用交纳
参会代表可通过银行或邮局汇款交纳。银行账户如下：
开户行：中国银行安苑路支行账户5
户：[1**********]4
名：中国农业机械化科学研究院说明
（1）提前交纳注册费的人员，请务必邮件通知大会秘书处，在邮件中注明汇款方式、汇出时间及汇款联扫描件，并写清开具发票的单位全称。
（2）大会报到时，凭身份证到会务组领取注册费发票。
6
联系方式
中国机械工程学会包装与食品工程分会中国农业机械学会农副产品加工机械分会吕为乔联系人：韩清华、电地邮
话：010－64882509
址：北京市德胜门外北沙滩一号82号
信箱编：100083
31