CN111389756A - 脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法 - Google Patents

脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法，属于脱水蔬菜生产过程的质量检测技术领域。本发明以计算机视觉与机器人技术为核心，配合全自动的上下料与分拣收集装置组成脱水蔬菜成品异物分拣流水线，该分拣流水线系统包括上料区、振动均布区、图像识别区、异物剔除区、成品收集区及检测与控制系统。本发明采用计算机视觉的方法替代人工肉眼挑选的方式，通过先进的视觉采样技术对产品进行均布后的图像采集，对采集后的图像进行预处理后结合深度学习算法对产品中的异物进行有效识别，进而依据识别定位信息采用多级机械臂抓取方式进行有效的异物剔除，从而取代人工的高强度手动操作，实现高效、低成本、无人化作业。

Description

脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法
技术领域
本发明涉及脱水蔬菜生产过程的质量检测技术领域，特别是指一种脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法。
背景技术
我国是世界上最主要的脱水蔬菜生产国和出口国，脱水蔬菜也是国内农产品出口的重要形式。随着需求量的不断攀升和海外市场的不断拓展，脱水蔬菜产品质量控制越来越受到重视。脱水蔬菜是新鲜蔬菜经运输环节到达生产企业后，经过清理、浸泡、清洗、灭菌、沥干、切制、护色、干燥、成型等工序后才能形成的最终产品，由于所有工序都是大规模的批量作业，难以对整个过程原材料中的杂质异物进行逐一挑选和分离。加之现有脱水蔬菜生产线工艺路线种类多、生产设备水平参差不齐，而且绝大部分环节都严重依赖人工操作，也会造成所生产的脱水蔬菜存在过程监控困难、产品质量不稳定等问题。在脱水蔬菜出厂前，尽管大部分企业广泛采用的色选机、重金属探测机等检测设备，但难以精确和全面地剔除产品中零星存在的杂质异物，几乎所有的产品在作为最终成品发货前都需要进行质量检测人员肉眼挑选的处理过程，以有效避免脱水蔬菜作为直接入口食品的安全性和可靠性。由于前序流水线的产量大，在人工质检环节尽管投入大量人员，人工质检工序还是制约生产效率提高的瓶颈环节，而且多数企业面临人力资源成本高、人员劳动强度大、分拣效果严重依赖人工水平、产品质量无法进行追溯等问题。
发明内容
本发明为解决脱水蔬菜生产过程中人工质检环节存在的问题，提供一种脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法，通过计算机视觉与机械臂动作的配合实现高效率、无人化脱水蔬菜产品的杂质异物自动识别与剔除控制。
本发明以计算机视觉与机器人技术为核心，配合全自动的上下料与分拣收集装置组成脱水蔬菜成品异物分拣流水线。采用计算机视觉的方法替代人工肉眼挑选的方式，通过先进的视觉采样技术对产品进行均布后的图像采集，对采集后的图像进行预处理后结合深度学习算法对产品中的异物进行有效识别，进而依据识别定位信息采用多级机械臂抓取方式进行有效的异物剔除，从而取代人工的高强度手动操作，实现高效、低成本、无人化作业。
本发明装置包括上料区、振动均布区、图像识别区、异物剔除区、成品收集区及检测与控制系统；上料区包括上料板及均布刮板，振动均布区包括振动器，图像识别区包括工业相机及相机支架，异物剔除区包括多组小型桁架式机械臂、真空抽管、抽气泵、机械臂支架，成品收集区包括下料板及收集桶，检测与控制系统包括中央控制单元，中央控制单元有图像捕捉功能、识别定位功能及节奏控制功能，其中，传送带安装在传送带支架上，传送带两侧设置侧挡板，上料板连接在传送带一端，均布刮板设置在传送带上，多组振动器按照传送带的运动方向依次安装在传送带下方，相机支架垂直于传送带竖直安装，固定于传送带两侧，工业相机安装在相机支架上部中间位置，桁架式机械臂通过机械臂支架固定在传送带两侧，桁架式机械臂底端与真空抽管末端相连，真空抽管连接总管，总管末端设置抽气泵和复检收集桶，传送带末端通过下料板连接收集桶。
其中，桁架式机械臂可以根据需要，采用并联机械臂替代。脱水蔬菜通过均布刮板时有可能产生挤压和重叠，也可能在局部位置出现密度分布不均和压实等现象。几组振动器按照传送带运动方向依次安装在流水线下方，通过逐次振动的作用是的来料脱水蔬菜能够进一步得到平铺和均匀分布，确保后续图像识别以及异物分拣过程的顺利进行。
上料区用来实现脱水蔬菜上料及对上料流量及形态进行预调整，脱水蔬菜通过上料板进入该分拣系统。
均布刮板根据不同品种的脱水蔬菜的外貌特征和分拣要求调整至相应位置，确保脱水蔬菜高度均匀的铺在传送带上。
工业相机固定在传送带垂直上方0.5m～0.8m处，并以等间隔时间方式进行图像捕获，工业相机根据传送带的速度调整拍照时间，并将图片传送给检测与控制系统。
中央控制单元是整套系统的核心；图像捕捉功能控制工业相机对传送带上的物料进行图像采集，并将获得的图片存储在中央控制单元硬盘中；识别定位功能对多获取的在线图片进行实时图像分析，确定可疑异物的有误及具体坐标位置；节奏控制功能负责完成传送带的移动速度控制、工业相机的拍摄速度控制、桁架式机械臂和真空抽管移动定位跟踪控制。
桁架式机械臂和真空抽管的移动定位跟踪信息由识别定位功能获得的可疑异物坐标与传送带上物料实际移动速度叠加后获取。
在抽气泵的作用下，多组桁架式机械臂和真空抽管相配合，可以实现抽取识别区指定位置的异物以确保没有漏捡。被抽取的异物通过真空抽管进入到可疑异物收集桶。没有问题的物料随传送带移动到系统末端，通过下料板进入到收集桶内。
控制该装置的方法，包括步骤如下：
S1：根据待处理脱水蔬菜的外形特征和质检要求，将均布刮板调整至对应位置；
S2：将经过前序工序处理后等待人工质检的脱水蔬菜由人工或直接相连接的传输带批量地进入上料板放入传送带，由传送带连续运送进入脱水蔬菜成品异物分拣流水线；
S3：在传送带的输送下，脱水蔬菜经过均布刮板后进入到振动区，多组振动器逐次振动，进一步将脱水蔬菜平铺和均匀分布，确保后续图像识别及异物分拣过程的顺利进行；
S4：通过振动的物料进入到图像识别区，顶部工业相机根据传送带运动速度连续拍照获取脱水蔬菜在传送带上的实时图片，并将图片传送给中央控制单元进行分析；
S5：中央控制单元上的启动在线图像识别与定位功能，根据所存储的异物特征和自学习模型对所获取的图片进行分析标注，发现疑似异常点后将坐标信息进行保存记录；
S6：经过图像识别区后的物料继续由传送带输送到异物剔除区，中央控制单元根据所存储的易物点坐标位置和传送带实际移动速度控制多组小型桁架式机械臂带动真空抽管对指定位置进行分拣剔除，将可疑异物抽取后存放在复检收集桶中，正常物料经由传送带继续向后输送，由下料板进入收集桶中等待封装。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明所提供的脱水蔬菜质检异物识别与分拣系统，针对蔬菜烘干脱水后需要人工集中对产品进行检查筛选产品中的杂质异物以及品相不合格部分工序存在的人工成本高、作业效率低、产品质量不稳定等问题，从无人化产品质量在线检测与自动异物提取等角度出发，采用图像采集设备和识别算法，结合连续动态的异物标注与定位技术，配合机械手对检测到需剔除的异物进行分离，由此能够替代人工操作，并提升工序生产效率，有效地提升脱水蔬菜产品质量。
附图说明
图1为本发明的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置的系统结构示意图；
图2为本发明的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置的主要结构与部件示意图；
图3为本发明的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置的控制信号功能示意图；
图4为本发明的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置的控制部分流程图。
其中：1-上料板，2-均布刮板，3-传送带，4-传送带支架，5-侧挡板，6-相机支架，7-工业相机，8-桁架式机械臂，9-真空抽管，10-总管，11-抽气泵，12-复检收集桶，13-收集桶，14-下料板，15-机械臂支架。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣的装置及控制方法。
如图1所示，该装置包括上料区、振动均布区、图像识别区、异物剔除区、成品收集区及检测与控制系统；上料区包括上料板1及均布刮板2，振动均布区包括振动器，图像识别区包括工业相机7及相机支架6，异物剔除区包括多组小型桁架式机械臂8、真空抽管9、抽气泵11、机械臂支架15，成品收集区包括下料板14及收集桶13，检测与控制系统包括中央控制单元，中央控制单元有图像捕捉功能、识别定位功能及节奏控制功能，其中，传送带3安装在传送带支架4上，传送带3两侧设置侧挡板5，上料板1与前序烘干传送带相连接，均布刮板2设置在传送带3上，振动器按照传送带3的运动方向依次安装在流水线下方，相机支架6垂直于传送带3竖直安装，固定于传送带3两侧，工业相机7安装在相机支架6上部中间位置，桁架式机械臂8通过机械臂支架15固定在流水线两侧，桁架式机械臂8底端与真空抽管9末端相连，多组桁架式机械臂8与真空抽管9依次安装在流水线运动方向上。
上料区用来实现脱水蔬菜上料及对上料流量及形态进行预调整，脱水蔬菜通过上料板1进入该分拣系统。
均布刮板2根据不同品种的脱水蔬菜的外貌特征和分拣要求调整至相应位置，确保脱水蔬菜高度均匀的铺在传送带3上。
工业相机7固定在传送带垂直上方0.5m～0.8m处，并以等间隔时间方式进行图像捕获，工业相机7根据传送带3的速度调整拍照时间，并将图片传送给检测与控制系统。
中央控制单元是整套系统的核心；图像捕捉功能控制工业相机7对传送带3上的物料进行图像采集，并将获得的图片存储在中央控制单元硬盘中；识别定位功能对多获取的在线图片进行实时图像分析，确定可疑异物的有误及具体坐标位置；节奏控制功能负责完成传送带3的移动速度控制、工业相机7的拍摄速度控制、桁架式机械臂8和真空抽管9移动定位跟踪控制。
桁架式机械臂8和真空抽管9的移动定位跟踪信息由识别定位功能获得的可疑异物坐标与传送带3上物料实际移动速度叠加后获取。
如图2所示，显示了并联桁架式机械臂8、工业相机7和装载待分拣物体的传送带3装置，在图1中位于图像识别区和异物剔除区，脱水蔬菜质检异物的分拣以桁架式机器人为主体，由一套视觉系统提供识别与定位信息。桁架式机器人由机械臂本体、机器人控制柜、示教编程器和驱动各关节运动的伺服交流系统。考虑脱水蔬菜及其中异物的体积、重量因素，本项目的分拣动作不采用机械臂夹取方式，而是设计由机械臂末端带动气动吸管定位，通过吸管吸取传送带上的异物。视觉系统包含了硬件和软件两部分，硬件部分主要由支架将工业相机固定在传送带垂直上方0.5m～0.8m处，并以等间隔时间方式进行图像捕获。软件部分在中央处理单元中实现，工业相机所获取的实时图片传输并存储于中央处理单元，经过图片处理后采用基于样本库和自学习功能的算法进行识别分析，判断当前图像中的是否存在可疑异物，若存在则将图像中的各个物体的类别以及位置信息进行记录，并通过传送带速度计算得到分拣剔除位置，控制机器臂的末端来执行相应分拣动作。
图3所示为控制系统功能示意图，中央控制单元主要由识别功能、分拣功能以及辅助功能单元组成。其中，识别功能单元包括根据传送带实际输送物料速度进行工业相机控制，以及根据样本库和自学习算法对实时图片进行识别分析和定位。分拣功能单元包括机械臂定位、吸取动作控制，主要依据前述识别定位的结果控制桁架式机械臂和真空吸管完成对可疑坐标点的剔除动作。辅助功能单元包括传送带速度控制、上料板控制、振动区控制和下料收集控制。在整个系统工作过程中，中央控制单元会根据不同脱水蔬菜物料的种类、体积大小、成品质量要求等因素，通过识别功能单元获取到的数据对分拣功能单元和辅助功能单元进行控制，实现对传送带速度、振动器振幅和机械臂异物剔除的动态调节，使脱水蔬菜成品异物分拣流水线能够满足连续、快速、高效的质检要求。
图4所示为控制部分流程图，描述的是该装置工作时的控制流程，具体步骤如下：
(1)：启动实时分析与分拣系统；
(2)：启动传送带电机；
(3)：物料从外部经上料板进入到传送带上；
(4)：物料通过预先设定的均布刮板，使物料平整有序进入振动区；
(5)：多组振动器依次振动物料，使物料均匀分布；
(6)：工业相机根据传送带速度，按等时间间隔拍照，照片传输给图像分析系统；
(7)：图像分析系统根据系统模型，对照片进行异常点标注；
(8)：若发现异常点，系统控制机械臂和真空抽管将异常点物料剔除，存放在异常收集桶中；
(9)：正常物料经下料板进入到收集桶；
(10)：判断传送带上是否还有物料，若没有，则执行步骤11，否则执行步骤4；
(11)：关闭系统，结束异物检测和剔除。
由上述控制流程可以看出，本发明提供的脱水蔬菜质检异物识别与分拣系统，预期能够为企业大幅度提升异物分拣工序的生产状况，整体识别与分拣异物精度较人工方式得到提升，具有一定的实际意义。
以上所述是本发明的优选实施方式，其中的桁架式机械臂环节也可以由并联机器人取代，不影响本发明的正常实施，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：包括上料区、振动均布区、图像识别区、异物剔除区、成品收集区及检测与控制系统；上料区包括上料板(1)及均布刮板(2)，振动均布区包括振动器，图像识别区包括工业相机(7)及相机支架(6)，异物剔除区包括不少于一组桁架式机械臂(8)、真空抽管(9)、抽气泵(11)、机械臂支架(15)，成品收集区包括下料板(14)及收集桶(13)，检测与控制系统包括中央控制单元，其中，传送带(3)安装在传送带支架(4)上，传送带(3)两侧设置侧挡板(5)，上料板(1)连接在传送带(3)一端，均布刮板(2)设置在传送带(3)上，振动器按照传送带(3)的运动方向依次安装在传送带下方，相机支架(6)垂直于传送带(3)竖直固定安装于传送带(3)两侧，工业相机(7)安装在相机支架(6)上部中间位置，桁架式机械臂(8)通过机械臂支架(15)固定在传送带两侧，桁架式机械臂(8)底端与真空抽管(9)末端相连，真空抽管(9)连接总管(10)，总管(10)末端设置抽气泵(11)和复检收集桶(12)，传送带(3)末端通过下料板(14)连接收集桶(13)。
2.根据权利要求1所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：所述异物剔除区的桁架式机械臂(8)能够更换为并联机械臂。
3.根据权利要求1所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：所述均布刮板(2)根据不同品种的脱水蔬菜的外貌特征和分拣要求调整至相应位置，确保脱水蔬菜高度均匀的铺在传送带(3)上。
4.根据权利要求1所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：所述工业相机(7)固定在传送带垂直上方0.5m～0.8m处，并以等间隔时间方式进行图像捕获，工业相机(7)根据传送带(3)的速度调整拍照时间间隔，并将图片传送给检测与控制系统。
5.根据权利要求1所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：所述中央控制单元对工业相机(7)采集的图像进行识别分析，并控制传送带(3)的移动速度、工业相机(7)的拍摄速度、桁架式机械臂(8)和真空抽管(9)的移动定位。
6.根据权利要求5所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置，其特征在于：所述桁架式机械臂(8)和真空抽管(9)的移动定位跟踪信息由中央控制单元的识别定位功能获得的可疑异物坐标与传送带(3)上物料实际移动速度叠加后获取。
7.控制权利要求1所述的脱水蔬菜产品质检异物识别与分拣装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：根据待处理脱水蔬菜的外形特征和质检要求，将均布刮板(2)调整至对应位置；
S2：将经过前序工序处理后等待人工质检的脱水蔬菜由人工或直接相连接的传输带批量地经上料板(1)进入传送带(3)；
S3：在传送带的输送下，脱水蔬菜经过均布刮板(2)后进入到振动区，多组振动器逐次振动，进一步将脱水蔬菜平铺和均匀分布，确保后续图像识别及异物分拣过程的顺利进行；
S4：通过振动的物料进入到图像识别区，顶部工业相机(7)根据传送带(3)运动速度连续拍照获取脱水蔬菜在传送带(3)上的实时图片，并将图片传送给中央控制单元进行分析；
S5：中央控制单元启动在线图像识别与定位功能，根据所存储的异物特征和自学习模型对所获取的图片进行分析标注，发现疑似异常点后将坐标信息进行保存记录；
S6：经过图像识别区后的物料继续由传送带(3)输送到异物剔除区，中央控制单元根据所存储的异物点坐标位置和传送带(3)实际移动速度控制多组小型桁架式机械臂(8)带动真空抽管(9)对指定位置进行分拣剔除，将可疑异物抽取后存放在复检收集桶(12)中，正常物料经由传送带(3)继续向后输送，由下料板(14)进入收集桶(13)中等待封装。
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