顆粒物包裝袋智能識別與擺正方法研究

摘

要：目前包裝流水線無法識別顆粒物包裝袋的位置，易導致包裝袋出現(xiàn)折疊、破損及泄漏等問題?，F(xiàn)采用圖像傳感器獲取流水線上包裝袋的圖像，對其先進行灰圖化、中值濾波、小波降噪處理，再進行圖像二值化處理，用Sobel算子提取包裝袋邊緣信息，得到包裝袋圖像的四個頂點與中心點坐標，并計算出包裝袋偏斜角度及偏移距離，由系統(tǒng)控制機械臂抓取包裝袋進行平移、旋轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)顆粒物包裝袋的智能識別與擺正。最后，成功研制出實驗樣機，實驗操作證明機器視覺技術(shù)可以解決包裝袋的智能識別問題，為包裝流水線的智能化系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：顆粒物包裝袋；識別；擺正；Sobel算子；機械臂

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引言機器視覺技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用于各種事物的檢查、測量和識別。比如，針對目前鋁塑泡罩藥品包裝檢測系統(tǒng)存在漏檢、誤檢等問題，提出了利用機器視覺技術(shù)對鋁塑泡罩藥品包裝是否達標進行檢測；采用機器視覺技術(shù)代替人眼，對方便面包裝內(nèi)是否有調(diào)料進行檢測；針對產(chǎn)品標簽是否存在誤貼、漏貼、貼歪等問題，研發(fā)了一款以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品標簽檢測設(shè)備；在藥品裝盒或者裝罐生產(chǎn)中，由于藥片尺寸較小，嚴重影響人員的計數(shù)準確性，為此，利用圖像處理技術(shù)來解決藥片計數(shù)難的問題；研發(fā)了一套基于機器視覺技術(shù)的瓦楞紙板自動計數(shù)設(shè)備，從而解決了瓦楞紙板數(shù)量難以統(tǒng)計的問題；利用智能相機及配套的視頻軟件In-Sight4.1.0，解決了在線生產(chǎn)的食鹽包裝袋容易折疊的問題。顆粒物包裝袋在流水線生產(chǎn)中，容易出現(xiàn)折疊、歪斜等問題，嚴重影響包裝袋的計數(shù)以及包裝袋的后續(xù)裝箱。然而，目前相關(guān)研究大多側(cè)重于盒裝、灌裝等包裝的識別與裝箱。因此，本文在上述研究背景下，針對顆粒物包裝袋的識別與擺正問題，將機器視覺技術(shù)與機械臂運動原理相結(jié)合，先智能識別包裝袋的位姿信息，再利用機械臂進行擺正操作，最后對實驗樣機進行研制，對顆粒物包裝袋進行擺正實驗。

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顆粒物包裝袋的識別與擺正系統(tǒng)顆粒物包裝袋的識別與擺正系統(tǒng)由電源模塊、光電檢測模塊、傳送帶裝置、上位機識別模塊、下位機控制器、機械臂擺正模塊等組成。其中，電源模塊由電源器（24V、5A）、降壓模塊、穩(wěn)壓模塊組成，為系統(tǒng)各個模塊提供合適、穩(wěn)定的電源。模擬的包裝袋流水線傳送帶裝置由皮帶、軸承、軸、滾筒、電機、電機驅(qū)動器等構(gòu)成。上位機識別模塊由CCD圖像傳感器和上位機組成，而機械臂擺正模塊主要由電機、真空管、驅(qū)動器、機械臂機械結(jié)構(gòu)等組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)通過光電檢測模塊檢測包裝袋到達的指定位置信息，并利用該信息來控制上位機識別模塊對包裝袋圖像進行識別，而上位機將識別的結(jié)果經(jīng)串口傳送給下位機控制系統(tǒng)。下位機讀取識別結(jié)果，并將其轉(zhuǎn)換為機械臂、傳送帶控制指令，以此實現(xiàn)顆粒物包裝袋的擺正操作。

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包裝袋空間位置變換顆粒物包裝袋經(jīng)過兩個光電傳感器下方時，下位機將控制機械臂抓取顆粒物包裝袋。機械臂對包裝袋進行擺正的過程中，由于傳送帶仍以原定速度進行傳輸操作，則機械臂通過旋轉(zhuǎn)操作將顆粒物包裝袋放至傳送帶原位置處。由于顆粒物包裝袋以任意位置進入到傳送帶，因此需對包裝袋空間位置進行變換。該系統(tǒng)將其空間位置轉(zhuǎn)換為坐標系空間，其處理思路為將原坐標系平移至包裝袋所處位置，包裝袋在平移后的坐標系下進行旋轉(zhuǎn)，再將坐標系平移回原始坐標系，即將顆粒物包裝袋從標準位置變換到初始位置，再變換到標準位置。包裝袋平移、旋轉(zhuǎn)如圖2所示。該系統(tǒng)當顆粒物包裝袋處于攝像頭正下方且無偏斜角度時建立坐標系X3OY3，當顆粒物包裝袋偏移，以任意位置進入攝像頭正下方時，以該包裝袋的中心建立坐標X4O′Y4。為了表示顆粒物包裝袋空間位置的變換關(guān)系，該系統(tǒng)取顆粒物包裝袋P點進行表示。設(shè)P點在原坐標（X3OY3）中的坐標為（x，y），而顆粒物包裝袋處于任意位置時，則原P點平移至P′，則P′在坐標系X4O′Y4中的坐標為（x1，y1）。設(shè)P平移至P′點的距離可用兩坐標系原點平移進行表示，則O′相對O點的X軸偏移量為a，Y軸的偏移量為b，則：

以矩陣的形式表示：

因此，空間P點旋轉(zhuǎn)到P′，可以將其分成3個步驟來完成：（1）將坐標系X3OY3變成X4O′Y4；（2）將點P順時針旋轉(zhuǎn)θ角（類似于顆粒物包裝袋旋轉(zhuǎn)）；（3）將坐標系X4O′Y4平移回原坐標系X3OY3，該變換過程用如下變換矩陣表示。式（3）變換后的結(jié)果為：

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包裝袋圖像采集及算法處理3.1

包裝袋圖像采集常用的圖像傳感器有COMS攝像頭和CCD攝像頭。其中，COMS攝像頭成像質(zhì)量較差、分辨率低，易受外界環(huán)境干擾；而CCD攝像頭能夠保持信號在傳輸過程中不失真，不容易出現(xiàn)壞點現(xiàn)象。因此，該系統(tǒng)選用CCD圖像傳感器。上位機發(fā)送指令，操作CCD圖像傳感器拍攝包裝袋照片，再讀取CCD圖像傳感器所拍攝的圖片信息，之后保存顆粒物包裝袋圖片，最后發(fā)送關(guān)閉攝像頭的指令。3.2

圖像處理與信息提取圖像采集獲得了顆粒物包裝袋的全彩圖片，將其轉(zhuǎn)換為雙精度圖像，經(jīng)過灰圖化處理后，再采用小波除噪、中值濾波的方法提高圖像質(zhì)量，獲得包裝袋圖像的數(shù)字矩陣表示形式，再進一步用雙三次插值及Sobel算子方法對圖像進行邊緣提取，獲取顆粒物包裝袋的邊緣信息，即圖2所示A′、B′、C′、D′四個點的坐標。包裝袋在傳送帶運輸中的位置是隨機放置的，因此必須獲取包裝袋偏斜角度及偏移距離。在獲得包裝袋邊緣信息后，提取包裝袋圖像的四個頂點坐標，然后利用A′與B′、C′與D′的坐標分別求出A′B′與C′D′兩條直線的方程，而兩條直線的交點為顆粒物包裝袋的幾何中心，再進一步計算包裝袋偏斜角度及偏移距離，其具體算法思路如下：（1）通過搜索找出二值圖像BW1數(shù)組中值為1的元素，并分別生成元素行、列下的數(shù)組row、col。原設(shè)定的坐標系的原點坐標為（row/2，col/2）。（2）利用最大、最小函數(shù)，求出包裝袋頂點坐標。其中，xa=min（col），xc=max（col），yd=min（row），yb=max（row）；利用所求的xa、xc、yd、yb的值求ya、yc、xb、xd，可得，ya=max（find（BW1（:，xa）==1）），yc=min（find（BW1（:，xc）==1）），xb=min（find（BW1（yb，:）==1）），xd=min（find（BW1（yd，:）==1））。（3）利用包裝袋四個頂點的坐標，求解包裝袋的幾何中心坐標。直線AC的方程為：直線BD的方程為：包裝袋幾何中心為直線AC與BD的交點，因此，將兩個直線方程聯(lián)立求解可得包裝袋的幾何中心坐標，即（xo，yo）。（4）求顆粒物包裝袋偏移的距離。設(shè)定原坐標系的原點坐標為（row/2，col/2），而在（3）中求得的包裝袋幾何中心點的坐標為（xo，yo）。因此，顆粒物包裝袋偏移設(shè)定坐標系中心的距離為然后利用偏移距離對包裝袋進行平移操作。（6）包裝袋偏斜方向判斷。獲取包裝袋偏斜角度之后，對二值化圖像進行旋轉(zhuǎn)處理，并按旋轉(zhuǎn)處理后的結(jié)果重復上述操作進行驗證，同時對包裝袋的標識點進行提取及判斷。

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樣機研制與實驗驗證4.1

樣機研制為了檢驗上述方法應(yīng)用于顆粒物包裝袋識別與擺正的可行性，我們研制了一套用于顆粒物包裝袋流水生產(chǎn)線的模擬樣機。樣機主要由傳送帶裝置、機械臂擺正模塊、上位機識別模塊、直流電機驅(qū)動器、光電檢測模塊等組成。光電檢測模塊檢測包裝袋到達指定位置的信息，控制傳送帶傳輸速度及攝像頭工作的開啟，上位機讀取圖像傳感器拍攝的照片，經(jīng)過上位機識別處理，將包裝袋位姿信息經(jīng)串口發(fā)給下位機控制器，控制器控制機械臂擺正裝置對顆粒物包裝袋進行擺正操作。模擬樣機如圖3所示。4.2

實驗驗試驗樣機制作完成后，需對任意位置的顆粒物包裝袋進行識別實驗。將顆粒物包裝袋放置在偏離設(shè)定坐標系原點的地方，開啟系統(tǒng)電源，傳送帶將包裝袋運輸至光電傳感器、圖像傳感器可檢測的范圍內(nèi)。圖像傳感器將拍攝的包裝袋圖像傳輸給上位機，上位機識別的原圖如圖4（a）所示，原圖經(jīng)灰圖化、濾波、邊緣提取，得到包裝袋的二值化圖像。再利用矩陣變換及圖像幾何變換函數(shù)，對顆粒物包裝袋圖像進行旋轉(zhuǎn)和平移操作，其處理結(jié)