CN108438833A - 物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法，该物料姿态校正投放装置用于将物料投放到包装盒中，包括：料斗单元，用于输出物料；第一传送带，设置在料斗单元的下方，用于承载从料斗单元中输出的物料；气缸单元，用于推送物料；图像采集单元，设置在第一传送带上方，用于采集物料的图像；第二传送带，与第一传送带平行设置，用于承载包装盒，以承接物料；翻转排正单元，设置于第一传送带与第二传送带之间，根据图像采集单元的采集结果将物料转移至第二传送带并将朝向不符的物料翻转排正；以及控制单元，用于控制图像采集单元、气缸单元以及翻转排正单元的运行。本发明的物料姿态校正投放装置可提高装配效率。

Description

物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，特别涉及一种基于机器视觉检测的物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法。

背景技术

机器视觉技术是目前国内外正在深入研究与应用的技术，主要是基于光学图像识别。其关键性技术就是运用计算机或微处理器来模拟人的视觉功能，从摄像头采集到的图像数据中运用复杂的图像处理技术对图像进行分析理解，并作出相应的判断，控制不同的执行机构进行协同工作达到控制和检测的目的。

目前基于机器视觉技术的产品已经越来越普遍，随着工业自动化需求的不断加大，很多工厂都在试图做自动化改造以适应时代的发展。工厂在对产品进行包装和装配的时候往往对产品的放置顺序以及放置后产品的状态有一定要求，传统的方式都是采用人工进行，而人工进行的方式在效率和成本上有很大的不足，而且存在诸多不确定因素，这些都严重影响了企业的长期发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于机器视觉技术的物料姿态校正投放装置，改变老旧的人工物料装配法，实现流水线的自动化升级，提高装配效率。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种物料姿态校正投放装置，用于将物料投放到包装盒中，包括：

料斗单元，用于输出所述物料；

第一传送带，设置在所述料斗单元的下方，用于承载从所述料斗单元中输出的所述物料；

气缸单元，用于推送所述物料；

图像采集单元，设置在所述第一传送带上方，用于采集所述物料的图像；

第二传送带，与所述第一传送带平行设置，用于承载所述包装盒，以承接所述物料；

翻转排正单元，设置于所述第一传送带与所述第二传送带之间，根据所述图像采集单元的采集结果将所述物料转移至所述第二传送带并将朝向不符的所述物料翻转排正；以及

控制单元，用于控制所述图像采集单元、所述气缸单元以及所述翻转排正单元的运行。

在本发明的物料姿态校正投放装置的一个实施方式中，所述料斗单元包括料斗、设置在所述料斗的下部出口处的挡板以及控制所述挡板开闭的凸轮。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述料斗单元还包括光电检测开关，用于检测所述料斗的下部出口处是否存在所述物料。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述图像采集单元包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头位于所述第一传送带的传送方向的上方，所述第二摄像头位于所述第一传送带的传送方向的下方。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述翻转排正单元包括翻转组件和移位组件，所述翻转组件包括第一电机、与所述第一电机连接的第一齿轮以及与所述第一齿轮连接的夹具，所述移位组件包括第二电机以及与所述第二电机连接的第二齿轮。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述气缸单元包括设置在所述第一传送带上并位于所述料斗单元后的后大气缸，设置在所述第一传送带上方的上小气缸、上大气缸，设置在所述第一传送带一侧的左小气缸、左大气缸，以及设置在所述第一传送带另一侧的右小气缸，其中，所述后大气缸用于将所述物料向所述第一传送带的传送方向推送，所述上小气缸用于将经过所述后大气缸推送的所述物料打压至与所述夹具水平，所述左大气缸用于将经过所述上小气缸打压后的所述物料从所述第一传送带向所述翻转排正单元的方向推送，所述左小气缸用于在所述左大气缸作用后将所述物料压入所述夹具内，所述右小气缸用于将所述物料从所述夹具中推出至所述包装盒的上方，所述上大气缸用于将所述物料压入所述包装盒内。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述夹具具有一第一端口和一第二端口，所述第一端口的直径大于所述第二端口的直径，所述第一端口用于套住所述物料，所述第二端口用于使所述右小气缸的推杆穿过以将所述物料推出。

在本发明的物料姿态校正投放装置的另一个实施方式中，所述控制单元接收所述图像采集单元采集的图像，并根据圆柱形物料特征属性的识别方法进行特征提取和判定，从而控制所述气缸单元以及所述翻转排正单元的运行。

另一方面，本发明还提供一种圆柱形物料特征属性的识别方法，用于对圆柱形物料的摄像图像进行分析得到该摄像图像与标准的匹配模版是否匹配，包括以下步骤：

局部自适应阈值边缘提取，通过对所述摄像图像的特定坐标区域进行卷积梯度值运算，然后使用中值滤波和加权平均法来实现自适应阈值的计算并实现所述物料的摄像图像的边缘提取；

边缘快速细化，使用并行快速细化算法实现对经过反复闭运算以消除所述摄像图像中存在的空洞后的二值化图像进行细化；

特征属性识别，系统正常工作前，先对选取的特征区域拍摄图像作为标准模板，再将工作时所拍摄到的图像与标准模版做基于灰度的直方图匹配运算得到最终的识别结果。

在本发明的识别方法的一个实施方式中，所述并行快速细化算法为Zhang并行快速细化算法。

本发明的物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法是于机器视觉技术，采用巧妙的机械设计方式，运用先进的图像处理技术配合气缸和电机实现联动，可非常迅速地实现对物料特征的提取和判定，在检测完毕后通过通讯接口向气缸和电机发出动作命令，达到精确放置物料的目的，极大地提高了整个流水线装配的效率，适用于各种圆柱状物料的装配。此外，本发明的物料姿态校正投放装置结构简单，专业性强，显示直观，易于操作，检测准确，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明的物料姿态校正投放装置的结构示意图；

图2是图1中翻转排正单元的翻转组件部分的放大示意图；

图3是本发明的圆柱形物料特征属性的识别方法中的局部自适应阈值边缘提取过程示意图；

图4是本发明的圆柱形物料特征属性的识别方法中的边缘快速细化的算法实现模版示意图；

图5A是特征属性识别中所拍摄到的图像；

图5B是特征属性识别中所拍摄到的图像转化而成的灰度直方图；

图6是本发明的物料姿态校正投放装置的工作流程示意图；

图7是本发明的物料姿态校正投放装置的控制单元的动作时序图；

图8是本发明的物料姿态校正投放装置的打样效果图。

其中，附图标记说明如下：

1：后大气缸

2：光电检测开关

3：料斗

4：挡板

5：凸轮

6：左小气缸

7：左大气缸

8：上小气缸

9：上大气缸

10：第一摄像头

11：模具

12：第一齿轮

13：右小气缸

14：夹具

15：第一传送带

16：包装盒

17：第二传送带

18：第一电机

19：第二电机

20：第二齿轮

21：第二摄像头

100：物料姿态校正投放装置

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。

图1为本发明的物料姿态校正投放装置的结构示意图，如图1所示，物料姿态校正投放装置100包括料斗单元、第一传送带15、气缸单元、图像采集单元、第二传送带17、翻转排正单元、控制单元(图中未示出)以及显示单元(图中未示出)。

料斗单元，用于输出物料，将物料一个一个地输送出来，所投放的物料优选为圆柱形的物料。料斗单元包括料斗3、挡板4和凸轮5，挡板4设置在料斗3下部出口处，用于阻挡物料从料斗3中落下，凸轮5设置在挡板4的旁边，用于控制挡板4的开闭。

为实现有序进料，料斗单元还可包括光电检测开关2，用于检测料斗3的下部出口处是否存在物料。下料电机在光电检测开关2的配合下控制凸轮5的运动，从而控制挡板4的动作。当光电检测开关2未检测到料斗3的下部出口处存在物料时，凸轮5旋转打开挡板4，物料通过料斗3的下部出口进入通道中从而落入第一传送带15之上；当光电检测开关2检测到料斗3的下部出口处存在物料时，凸轮5旋转关闭挡板4，将物料阻挡在挡板4的上方，使得料斗3的下部出口处已存在的物料顺利完成进料。

第一传送带15设置在料斗3的出口处的下方，用于承载从料斗3中输出的物料。

第二传送带17与第一传送带15平行设置，优选与第一传送带15水平，用于承载包装盒16，以承接物料。

图像采集单元设置在第一传送带15的上方，用于采集物料的图像，传送至控制单元后供使用者根据圆柱形物料特征属性的识别方法进行特征提取和判定。

图像采集单元包括第一摄像头21和第二摄像头10，第一摄像头21和第二摄像头10均位于第一传送带15之上，但第一摄像头21位于第一传送带15的传送方向的上方，用于对物料朝向进行采集，而第二摄像头10位于第一传送带15的传送方向的下方，用于对物料的位置进行采集。第一摄像头21和第二摄像头10均为微距摄像头。

翻转排正单元设置于第一传送带15与第二传送带17之间，根据图像采集单元的采集结果将物料转移至第二传送带17上并将朝向不符的物料翻转排正。

翻转排正单元包括翻转组件和移位组件，图2是图1中翻转排正单元的翻转组件部分的放大示意图，如图2所示，翻转组件包括第一电机18、与第一电机连接的第一齿轮12以及与第一齿轮连接的夹具14，用于将朝向与预定朝向不符的物料翻转排正；移位组件包括第二电机19以及与第二电机连接的第二齿轮20，用于转移排正后的物料。第一电机18和第二电机19均为步进电机，从而更好地控制第一齿轮12和第二齿轮20的运动。

气缸单元用于推送物料，其包括多个设置在第一传送带15四周的气缸，具体包括设置在第一传送带15上并位于料斗单元后的后大气缸1，设置在第一传送带15上方的上小气缸8、上大气缸9，设置在第一传送带15一侧(第一传送带15与第二传送带17相背的一侧)的左小气缸6、左大气缸7，以及设置在第一传送带15另一侧(第一传送带15与第二传送带17相同的一侧)的右小气缸13。

后大气缸1用于将物料向第一传送带15的传送方向推送，上小气缸8用于将经过后大气缸1推送的物料打压至与夹具14水平，左大气缸7用于将经过上小气缸8打压后的物料从第一传送带15向翻转排正单元的方向推送，左小气缸6用于在左大气缸7作用后将物料压入夹具14内，右小气缸用于将物料从夹具14中推出至包装盒16的上方，上大气缸9用于将物料压入包装盒16内，通过以上多个气缸所组成的气缸单元，可方便地将物料推送至预定的位置，从而实现自动装配。

如图2所示，夹具14呈漏斗状，具有一第一端口和一第二端口，第一端口的直径大于第二端口的直径，第一端口用于套住物料，第二端口用于使右小气缸13的推杆穿过以将物料推出。

控制单元用于控制图像采集单元、气缸单元和翻转排正单元的运行，具体而言，控制单元接收图像采集单元采集的图像，并利用特定的圆柱形物料特征属性的识别方法进行特征提取和判定，从而控制气缸单元以及翻转排正单元的运行，将物料调整成统一的朝向并在预定的时机装入包装盒内，其所用到的圆柱形物料特征属性的识别方法将在下文进行详细说明。

显示单元，和控制单元连接，用于显示和触摸输入相应的控制参数或控制指令。

下面结合图3和图4来说明圆柱形物料特征属性的识别方法的统计步骤过程，具体包括以下步骤：

步骤一，局部自适应阈值边缘提取，通过对摄像图像的特定坐标区域进行卷积梯度值运算，然后使用中值滤波和加权平均法来实现自适应阈值的计算并实现物料的摄像图像的边缘提取。

局部自适应阈值边缘提取通过对特定坐标区域进行卷积梯度值运算后，运用中值滤波和加权平均法实现自适应阈值的计算实现物料图像的边缘提取。传统的边缘提取办法是通过某个边缘提取算法运算后，尝试设定一个固定阈值实现二值化，这样处理虽然简单却会严重受到外在因素影响，不利于物料边缘提取。

为了实现阈值额自适应调整，在经过Sobel算子卷积运算后的图像中选取5*5区域，运用中值滤波求出区域中间值，次最小值，最小值，由于中值滤波的目的是将区域中心像素点用所选取窗口像素点的中值代替，故对于二值化阈值的选取更关注的是区域中值，次最小值，最小值像素点。将这3个值进行加权平均，并将此结果作为阈值，权值的选择随着离中心像素点的距离的变大而减小。此方法实现流程如图3所示。

步骤二，边缘快速细化，使用并行快速细化算法实现对经过反复闭运算以消除摄像图像中存在的空洞后的二值化图像进行细化。

物料成功边缘提取后，需进一步做边缘的细化，以Zhang并行快速细化算法实现对经过反复闭运算(消除图像中存在的空洞)后的二值化图像细化，设开辟的二维数组空间为imagebuf[640][480]，每点对应的坐标用Hx[640],Hy[480]表示。每次按顺序选取其中3行3列像元P1，P2……P9构成3*3区域，作为算法实现模板，如图4所示。

以P5为中心像素点，按两步约束法实现，前景点值为0，背景点值为1。第一步约束条件为：

(1)P5为前景色(值为0)；

(2)除去中心元素，以P2，P1，P4，P7，P8，P9，P6，P3为序时，这些点的值由1->0变化的次数为1；

(3)P2||P6||P8＝1；

(4)P4||P6||P8＝1；

(5)P5的8邻域点中非1个数大于等于2小于等于6。

标记所要删除的点，待所有边界点扫描结束进行删除。第二步约束条件和第一步差别在于第三步和第四步，其它保持一致。

(3)P2||P4||P8＝1；

(4)P2||P4||P6＝1。

步骤三，特征属性识别，预先做一个特定的匹配模版，将摄像图像(如图5A所示)与该匹配模版做比较运算得到最终的相关系数。

在成功对物料边缘细化后，采用基于灰度值得模板匹配算法实现图像特征的判断，其操作过程通过系统正常工作前，先对选取的特征区域预先拍摄图像作为标准模板(匹配模板)，实时图像与匹配模板做匹配运算得到最终的识别结果，进而有效控制气缸和电机的动作。

灰度直方图是灰度级的函数，它表示图像中具有每种灰度级的像素的个数，反映图像中每种灰度出现的频率。灰度直方图的横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度级出现的频率，是图像最基本的统计特征。

图5B是特征属性识别中所拍摄到的图像转化而成的灰度直方图，下面结合图5B说明基于灰度值得模板匹配算法实现过程，具体包括以下步骤：

第一步，首先建立灰度直方图匹配模型。灰度化后的图像是8位的，即256级灰度，若记像素总数为n，灰度为r_k的像素数为n_k,则概率密度函数为：

则对应概率分布函数为：

第二步，大小为M×N的灰度图像f(x,y)的灰度直方图hist[0…L-1]可用如下计算获得：

初始化hist[k]＝0,k＝0,1,…L-1；

遍历所有的x＝0，1，…，M-1和y＝0，1，…，N-1，统计hist[f(x,y)]＝hist[f(x,y)]+1；

第三步，归一化：H[f(x,y)]＝hist[f(x,y)]/(M×N)。

本例中图5-a图像的灰度直方图如图5-b所示。

第四步，确定判断标准，给出最后识别结果。实际运行时，先计算出模板图像的灰度直方图，再用其和待匹配图像的灰度直方图进行比较。单纯采用数值做阈值带来的匹配不准确，本设计在采用自适应调整阈值的方法，即把每个灰度级的频率P乘以不同的系数得数N，再将对应灰度级频率加减N，求出允许的范围P-N～P+N，如果待匹配图像的灰度直方图的该灰度级的频率在此范围之内，则认为匹配成功。

图6是本发明的物料姿态校正投放装置的工作流程示意图，图7是本发明的物料姿态校正投放装置的控制单元的动作时序图。如图6和图7所示，利用本发明的物料姿态校正投放装置进行装配时，具体操作如下：

(1)初始上电：各机构处于就绪状态，传送带运行。

(2)将待装配物料装入料斗3中，无需注意物料的朝向问题。

(3)下料电机在光电检测开关2的配合下通过电机控制料斗3下端的凸轮5的动作，控制料斗出料口挡板4的动作，当光电检测开关2未检测到有物料时，凸轮5旋转打开挡板4，物料通过料斗3的出口进入向下的通道中。

(4)物料通过料斗3的通道落入模具11中，后大气缸1通气，推杆推出将模具11中的物料向前推送，使其处于上小气缸8的正下方，上小气缸8打压物料使其与夹具14水平，第一摄像头21进行物料朝向判断，若反向则由控制单元控制第一电机18带动第一齿轮12旋转180°角，完毕后左大气缸7将物料向右推进一段距离，左小气缸21跟进将物料压入夹具14内。

(5)夹具14夹紧物料后，等待包装盒16经过第二传送带17上的光电检测开关时被检测将信号发给控制单元后发出检测命令给第二电机19，该电机开始打转，此时第二摄像头10采集物料的图像，将该图像传送给控制单元运行上述的圆柱形物料特征属性的识别方法进行特征提取和判定，控制单元开始计时，当判定识别成功后，检测完毕，第二电机立即19停转，如果控制单元在设置时间内未能识别，强制第二电机19停转，继续接下来的步骤，右小气缸13的推杆将物料顶出(如图2)，使物料脱离夹具14，处于包装盒16正上方，当包装盒离开瞬间，另一侧光电检测开关会检测到包装盒16离开，此时上大气缸9会将物料压入包装盒16，所有的气缸在完成自己的动作后都会主动收回推杆。

以上实施例为本发明的物料姿态校正投放装置的一般电气动作过程，适用于各种圆柱体物料按特征属性进行装配的过程。

图8是本发明的物料姿态校正投放装置的打样效果图，如图8所示，采用本发明的物料姿态校正投放装置对12色油画棒进行自动识别和包装，可以实现1000盒/小时以上的在线油画棒识别及打料控制，单台机器排正率>99％的效果，系统运行稳定。

综上所述，本发明的物料姿态校正投放装置及圆柱形物料特征属性的识别方法是于机器视觉技术，采用巧妙的机械设计方式，运用先进的图像处理技术配合气缸和电机实现联动，可非常迅速地实现对物料特征的提取和判定，在检测完毕后通过通讯接口向气缸和电机发出动作命令，达到精确放置物料的目的，极大地提高了整个流水线装配的效率，适用于各种圆柱状物料的装配。此外，本发明的物料姿态校正投放装置结构简单，专业性强，显示直观，易于操作，检测准确，提高了工作效率。

本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种物料姿态校正投放装置，用于将物料投放到包装盒中，其特征在于，包括：

料斗单元，用于输出所述物料；

第一传送带，设置在所述料斗单元的下方，用于承载从所述料斗单元中输出的所述物料；

气缸单元，用于推送所述物料；

图像采集单元，设置在所述第一传送带上方，用于采集所述物料的图像；

第二传送带，与所述第一传送带平行设置，用于承载所述包装盒，以承接所述物料；

翻转排正单元，设置于所述第一传送带与所述第二传送带之间，根据所述图像采集单元的采集结果将所述物料转移至所述第二传送带并将朝向不符的所述物料翻转排正；以及

控制单元，用于控制所述图像采集单元、所述气缸单元以及所述翻转排正单元的运行。

2.根据权利要求1所述的物料姿态校正投放装置，其中所述料斗单元包括料斗、设置在所述料斗的下部出口处的挡板以及控制所述挡板开闭的凸轮。

3.根据权利要求2所述的物料姿态校正投放装置，其中所述料斗单元还包括光电检测开关，用于检测所述料斗的下部出口处是否存在所述物料。

4.根据权利要求1所述的物料姿态校正投放装置，其中所述图像采集单元包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头位于所述第一传送带的传送方向的上方，所述第二摄像头位于所述第一传送带的传送方向的下方。

5.根据权利要求1所述的物料姿态校正投放装置，其中所述翻转排正单元包括翻转组件和移位组件，所述翻转组件包括第一电机、与所述第一电机连接的第一齿轮以及与所述第一齿轮连接的夹具，所述移位组件包括第二电机以及与所述第二电机连接的第二齿轮。

6.根据权利要求5所述的物料姿态校正投放装置，其中所述气缸单元包括设置在所述第一传送带上并位于所述料斗单元后的后大气缸，设置在所述第一传送带上方的上小气缸、上大气缸，设置在所述第一传送带一侧的左小气缸、左大气缸，以及设置在所述第一传送带另一侧的右小气缸，

其中，所述后大气缸用于将所述物料向所述第一传送带的传送方向推送，所述上小气缸用于将经过所述后大气缸推送的所述物料打压至与所述夹具水平，所述左大气缸用于将经过所述上小气缸打压后的所述物料从所述第一传送带向所述翻转排正单元的方向推送，所述左小气缸用于在所述左大气缸作用后将所述物料压入所述夹具内，所述右小气缸用于将所述物料从所述夹具中推出至所述包装盒的上方，所述上大气缸用于将所述物料压入所述包装盒内。

7.根据权利要求6所述的物料姿态校正投放装置，其中所述夹具具有一第一端口和一第二端口，所述第一端口的直径大于所述第二端口的直径，所述第一端口用于套住所述物料，所述第二端口用于使所述右小气缸的推杆穿过以将所述物料推出。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的物料姿态校正投放装置，其中所述控制单元接收所述图像采集单元采集的图像，并根据圆柱形物料特征属性的识别方法进行特征提取和判定，从而控制所述气缸单元以及所述翻转排正单元的运行。

9.一种圆柱形物料特征属性的识别方法，用于对圆柱形物料的摄像图像进行分析得到该摄像图像与标准的匹配模版是否匹配，包括以下步骤：

局部自适应阈值边缘提取，通过对所述摄像图像的特定坐标区域进行卷积梯度值运算，然后使用中值滤波和加权平均法来实现自适应阈值的计算并实现所述物料的摄像图像的边缘提取；

边缘快速细化，使用并行快速细化算法实现对经过反复闭运算以消除所述摄像图像中存在的空洞后的二值化图像进行细化；

特征属性识别，系统正常工作前，先对选取的特征区域拍摄图像作为标准模板，再将工作时所拍摄到的图像与所述标准模板做基于灰度的直方图匹配运算得到最终的识别结果。

10.根据权利要求9所述的圆柱形物料特征属性的识别方法，其中所述并行快速细化算法为Zhang并行快速细化算法。