CN117160889A - 一种基于机器视觉的苹果分级装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的苹果分级装置及应用，属于水果分级装备技术领域。本发明提供一种基于机器视觉的苹果分级装置，与单片机连接，用于给苹果分级，包括依次连接的上料装置、翻转输送装置、分级执行装置，所述翻转输送装置上设置有检测室，所述上料装置和所述翻转输送装置之间由第一导果槽连接，所述翻转输送装置和所述分级执行装置之间由第二导果槽连接。本发明通过设置多级传动装置和图像识别检测设备的结合，能够全方位识别苹果的特征，并根据特征与数据库进行比对得到分级结果，最后再精确控制推杆进行分级归类，既节省了人力又提高了精准性，整个过程可以由单片机自动控制，自动化程度高，实用性强。

Description

一种基于机器视觉的苹果分级装置及应用

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的苹果分级装置及应用，属于水果分级装备技术领域。

背景技术

苹果在生长、采摘和运输的过程中容易产生病虫害、碰撞损伤等缺陷，品质受损，导致苹果难以正常出售的问题。因此，进行苹果的品质分级成为了苹果流入市场前的必经过程。

目前现有技术中，传统的水果分级设备大多是多通道分流的机械结构，其中，小型企业或民用设备都需要人工对苹果的品质等级进行判断，再通过机械结构来快速分类，相当于仅在分级判断后才实现了自动化，其主要的分级判断过程依旧依赖于人力；这类设备不仅分级标准单一、耗费人力成本较大，而且很难避免人为区分的错误，容易导致苹果分级失误造成市场影响；同时，机械式的分级方式极易造成苹果表面的磕碰伤，影响苹果外观质量。

而供给大型企业的设备虽然采用机器视觉、红外光谱技术等新型技术进行水果品质划分。但是这类机器占地面积大，设备结构复杂，造价相比较高，维修难度较大，也不适合小规模的散户使用。

除此之外，还有例如CN212468884U所公开的罗汉果分拣机，其虽然利用光敏电阻来区分罗汉果，但是仅限于罗汉果的大小分类，其他的品质特征无法识别；再有例如CN211217573U展示的小型果蔬气动分选机，虽然其利用传动组件和视觉箱的结合来区分水果等级，但由于其设置的是单一相机和红外传感，在识别过程中需要四个同步周期才能够完成全表面拍摄，这就使得识别单个苹果的时间过长，需要等待四个周期后再移动单一相机的位置再去摄取下一个苹果的信息，严重影响了分级效率，在实际操作过程中实用性较差，同时这种分选机也很难避免水果堆叠的情况对拍摄造成的影响，种种情况表明上述装置均不能实现高效、精准的苹果等级区分。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于机器视觉的苹果分级装置，与单片机连接，用于给苹果分级，包括依次连接的上料装置、翻转输送装置、分级执行装置，所述翻转输送装置上设置有检测室，所述上料装置和所述翻转输送装置之间由第一导果槽连接，所述翻转输送装置和所述分级执行装置之间由第二导果槽连接；

所述上料装置包括上料箱和与上料箱连接的第一传动组件，所述上料箱是能够放置苹果的箱式结构，所述第一传动组件沿苹果传送方向倾斜向上设置，所述第一传动组件的最高处还设置有与最高处的距离大于一个苹果高度的毛刷；

应当理解，毛刷用于阻挡堆叠在单个苹果上方的苹果，并且不会在阻挡击落的过程中对苹果表面造成硬性损伤。

所述翻转输送装置包括水平设置的第二传动组件，所述检测室覆盖在所述第二传动组件上方的部分位置，所述检测室为盒装结构且内壁沿苹果传送方向依次设置有第一光源、第一机械臂、第二机械臂、第二光源，所述第一机械臂和所述第二机械臂分别安装有第一摄像机和第二摄像机，所述第一光源和所述第一机械臂之间还设置有光电开关；

应当理解，第一机械臂和第二机械臂能够分别独立工作，分别控制第一摄像机和第二摄像机对奇数位序和偶数位序的苹果进行全方位的表面图像信息拍摄，在第一光源和第二光源的帮助下能够使得图像更为清晰、显示的苹果表面特征更加完整；另外，检测室内能够同一时间容纳至少两个苹果，两个摄像机分别对同一时间进入的苹果进行独立拍摄，互不干扰，大大地提高了识别效率。

所述分级执行装置包括水平设置的第三传动组件、安装在第三传动组件上的多个托盘、垂直于第三传动组件且设置在第三传动组件一侧的多个向下倾斜的分流料道，所述第三传动组件另一侧设置有多个与分流料道的位置对应的推杆，每个所述分流料道连接一个标记有分级信息的果箱，每个所述托盘上方还设置有能够检测托盘内是否有苹果的传感器。

应当理解，所述推杆为气动推杆，能够精准地将苹果推入对应的分流料道，从而进入果箱被分级归类；而传感器可以是位置传感器或距离传感器，能够直接判断托盘内是否有苹果，避免推杆推空。

进一步地，所述第一传动组件和所述第二传动组件均是由链传动组件驱动连接的滚子组，所述滚子组是包括两个椭圆形侧板，两个所述椭圆形侧板之间连接有由多个滚子排列成的椭圆形传送带；每个所述滚子均安装有贯穿所述滚子的滚子轴，所述滚子轴伸出所述滚子两端并与两个椭圆形侧板的相对面上的限位槽配合连接；每个所述滚子的两端外圆周均设置为齿面；所述第二传动组件包括主轴、安装在主轴上的一个输出链轮和两个输入带轮、第二驱动电机，所述主轴设置在所述滚子构成的椭圆的焦点位置，所述第二驱动电机由链条连接驱动所述输出链轮，所述输出链轮能够在主轴的作用下带动两个所述输入带轮，两个所述输出链轮均安装有双面齿同步带且分别通过双面齿同步带连接啮合椭圆焦点附近的多个相邻滚子的两端齿面。

应当理解，所述第二驱动电机能够通过输出链轮、输入带轮、双面齿同步带驱动椭圆焦点附近的传动到与双面齿同步带啮合的多个滚子转动，而苹果在多个滚子上移动的时候也会不断进行翻转，这样也有利于在经过检测室时通过翻转使得摄像机拍摄到全方位的表面图像信息，提高了图像识别特征的数量和精确性。

在本发明的一种实施方式中，所述翻转输送装置沿苹果传送方向的两侧还设置有回流挡板，能够确保毛刷将苹果击落后使苹果回流至上料箱内。

进一步地，所述第三传动组件包括两个侧板、安装在两个侧板之间的两个固定轴、两个分别安装在两个固定轴的支撑链轮、安装在其中一个固定轴的主动链轮，所述主动链轮由第三驱动电机驱动，两个支撑链轮之间由链条传动连接，所述托盘通过支架安装在所述链条上；所述托盘与所述支架之间还连接有扭簧，所述扭簧两端分别插入所述托盘下部和所述支架上部；所述托盘的中心轴与所述固定轴垂直且所述扭簧处于压缩状态，如此设置可以在扭簧的预紧力作用下使得托盘的中心轴始终保持与固定轴垂直并且能够抵在侧板上，防止苹果落入托盘时托盘摇晃移位造成位置偏移，避免对后续推杆的精准推动造成影响。

在本发明的一种实施方式中，所述托盘还设置有网兜，优选的采用棉质网兜。

本发明还提供一种基于机器视觉的苹果分级装置在苹果分级处理过程的应用，包括如下步骤：

步骤一：通过单片机控制打开第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件和检测室；

步骤二：将苹果逐一放入上料箱，并依次通过第一传动组件、第一导果槽将苹果传送至第二传动组件，过程中通过毛刷将叠放在单个苹果上方的苹果阻挡击落，并使得被击落的苹果通过两侧的回流挡板回流至上料箱等待重新进入第一传动组件；

步骤三：通过第二传动组件将苹果送入检测室内部，光电开关会根据苹果经过光电开关的顺序来排列位序，随后通过单片机控制第一机械臂改变不同位姿并使用第一摄像机对奇数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第一光源会同步进行曝光；同时通过单片机控制第二机械臂改变不同位姿并使用第二摄像机对偶数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第二光源会同步进行曝光；

步骤四：第一摄像机和第二摄像机将拍摄到的图像传输给单片机进行图像特征分析，并与单片机存储的苹果特征关于品质等级的数据库进行比对，从而判断出对应的苹果的品质等级结果，并将判断结果传输至分级执行装置；

应当理解，此装置可检测的苹果特征包括果实直径、果实表面着红色面积、果锈、磕碰伤、霉变、炭疽等表面特征，这些特征均能够在对应的数据库中找到对应的品质等级。苹果的品质等级主要有特级果、一级果和二级果。例如对于红富士苹果来说，符合果实直径大于90mm、苹果表面红色或条红80％以上、果形端正、无磕碰伤、无霉变、无炭疽特征，其对应的品质等级是特级果。

步骤五：苹果离开检测室后会继续在第二传动组件上移动一段距离，接着通过第二导果槽依次进入第三传动组件上的托盘，当传感器检测到托盘内有苹果时会进行信号反馈，然后通过单片机控制对应的推杆将每个位序的苹果精准推入对应的分流料道，苹果通过分流料道进入对应的果箱。

本发明的有益效果：

1、本发明通过设置多级传动装置和图像识别检测设备的结合，能够全方位识别苹果的特征，并根据特征与数据库进行比对得到分级结果，最后再精确控制推杆进行分级归类，既节省了人力又提高了精准性，整个过程可以由单片机自动控制，自动化程度高，实用性强。

2、本发明设置带有齿面的特殊滚子，利用内部的链传动组件进行传动，使得苹果能够不断进行滚动传动，也利于苹果流畅的翻转滚动；相比于苹果自身带动滚子旋转的传统方式，本发明通过链传动组件保持滚子时刻旋转能够防止因苹果中途卡位导致滚子停止旋转、滚动传输中止的情况，提高了安全性，减小了风险。

3、本发明设置有能够容纳至少两个苹果的检测室，并配备两个独立机械臂和摄像机进行图像采集，实现了同一时间对多个苹果进行检测，大大提高了效率，防止检测室内的苹果滞留时间过程造成后续的苹果堆积堵塞。

4、本发明通过设置扭簧提高了托盘的稳定性，进一步提高了苹果分级的精确性。

5、本发明通过各组件之间的垂直设置形成直角回转式结构，大大节约了设备占地面积，提高了设备效益，紧凑的结构也避免了苹果长距离的传动，减小了对苹果的损伤。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中整体结构示意图。

图2为本发明一种实施方式中上料装置的结构示意图。

图3为本发明一种实施方式中翻转输送装置的整体结构示意图。

图4为本发明一种实施方式中翻转输送装置的传动结构示意图。

图5为本发明一种实施方式中分级执行装置的结构示意图。

图6为本发明一种实施方式中托盘与第三传动组件连接部分的结构示意图。

图7为本发明一种实施方式中检测室的结构俯视图。

图中，1、上料装置；101、第一驱动电机；102、第一传动组件；103、毛刷；104、上料箱；105、回流挡板；

2、翻转输送装置；201、第二驱动电机；202、第二传动组件；203、同步带轮；204、双面齿形同步带；205、滚子；206、滚子轴；207、限位槽；208、输出链轮；209、输入带轮；210、主轴；

3、检测室；301、第一摄像机；302、第一机械臂；303、第二摄像机；304、第二机械臂；

4、分级执行装置；401、第三驱动电机；402、第三传动组件；403、托盘；404、网兜；405、扭簧；406、托盘连接杆；407、支架；408、侧板；409、推杆；410、分流料道；411、果箱；412、传感器；

5、第一导果槽；

6、第二导果槽。

具体实施方式

实施例1

如图1-图7所示，本发明提供一种基于机器视觉的苹果分级装置，与单片机连接，用于给苹果分级，包括依次连接的上料装置1、翻转输送装置2、分级执行装置4，所述翻转输送装置2上设置有检测室3，所述上料装置1和所述翻转输送装置2之间由第一导果槽5连接，所述翻转输送装置2和所述分级执行装置4之间由第二导果槽6连接。

所述上料装置1包括上料箱104和与上料箱104连接的第一传动组件102，第一传动组件102由第一驱动电机101驱动，所述上料箱104是能够放置苹果的箱式结构，所述第一传动组件102沿苹果传送方向倾斜向上设置，所述第一传动组件102的最高处还设置有与最高处的距离大于一个苹果高度的毛刷103；

所述翻转输送装置2包括水平设置的第二传动组件202，第二传动组件202由第二驱动电机201驱动，所述检测室3覆盖在所述第二传动组件202上方的部分位置，所述检测室3为盒装结构且内壁沿苹果传送方向依次设置有第一光源、第一机械臂302、第二机械臂304、第二光源，所述第一机械臂302和所述第二机械臂304分别安装有第一摄像机301和第二摄像机303，所述第一光源和所述第一机械臂302之间还设置有光电开关。

所述分级执行装置4包括水平设置的第三传动组件402、安装在第三传动组件402上的多个托盘403、垂直于第三传动组件402且设置在第三传动组件402一侧的多个向下倾斜的分流料道410，所述第三传动组件402另一侧设置有多个与分流料道410的位置对应的推杆409，每个所述分流料道410连接一个标记有分级信息的果箱411，每个所述托盘403上方还设置有能够检测托盘403内是否有苹果的传感器412。

所述推杆409为气动推杆，能够精准地将苹果推入对应的分流料道410，从而进入果箱411被分级归类；而传感器412是距离传感器，能够直接通过测量距离判断托盘403内是否有苹果，避免推杆409推空。

进一步地，所述第一传动组件102和所述第二传动组件202均是由链传动组件驱动连接的滚子组。例如第二传动组件202的所述滚子组是包括两个椭圆形侧板，两个所述椭圆形侧板之间连接有由多个滚子205排列成的椭圆形传送带；每个所述滚子205均安装有贯穿所述滚子的滚子轴206，所述滚子轴206伸出所述滚子205两端并与两个椭圆形侧板的相对面上的限位槽207配合连接；第一传动组件102也是这样的结构。

每个所述滚子205的两端外圆周均设置为齿面；所述第二传动组件202包括主轴210、安装在主轴210上的一个输出链轮208和两个输入带轮209、第一驱动电机101，所述主轴210设置在所述滚子205构成的椭圆的焦点位置，所述第二驱动电机201由链条连接驱动所述输出链轮208，所述输出链轮208能够在主轴210的作用下带动两个所述输入带轮209，两个所述输出链轮208均安装有双面齿同步带204且分别通过双面齿同步带204连接啮合椭圆焦点附近的多个相邻滚子205的两端齿面。

所述翻转输送装置2沿苹果传送方向的两侧还设置有回流挡板105，能够确保毛刷将苹果击落后使苹果回流至上料箱内。

进一步地，所述第三传动组件402包括两个侧板、安装在两个侧板408之间的两个固定轴、两个分别安装在两个固定轴的支撑链轮、安装在其中一个固定轴的主动链轮，所述主动链轮由第三驱动电机401驱动，两个支撑链轮之间由链条传动连接，所述托盘403通过支架407安装在所述链条上；所述托盘403与所述支架407之间还连接有扭簧405，所述扭簧405两端分别插入所述托盘403下部和所述支架407上部；所述托盘403的中心轴与所述固定轴垂直且所述扭簧405处于压缩状态，如此设置可以在扭簧405的预紧力作用下使得托盘403的中心轴始终保持与固定轴垂直并且能够抵在侧板408上。

所述托盘还设置有网兜404，优选的采用棉质网兜。

实施例2

本发明还提供一种基于机器视觉的苹果分级装置在苹果分级处理过程的应用，包括如下步骤：

步骤一：通过单片机控制打开第一传动组件102、第二传动组件202、第三传动组件402和检测室3；

步骤二：将苹果放入上料箱104，并依次通过第一传动组件102、第一导果槽5将苹果传送至第二传动组件202，过程中通过毛刷103将叠放在单个苹果上方的苹果阻挡击落，并使得被击落的苹果通过两侧的回流挡板105回流至上料箱104等待重新进入第一传动组件；

步骤三：通过第二传动组件202将苹果送入检测室3内部，光电开关会根据苹果经过光电开关的顺序来排列位序，随后通过单片机控制第一机械臂302改变不同位姿并使用第一摄像机301对奇数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第一光源会同步进行曝光；同时通过单片机控制第二机械臂304改变不同位姿并使用第二摄像机303对偶数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第二光源会同步进行曝光；

步骤四：第一摄像机301和第二摄像机303将拍摄到的图像传输给单片机进行图像特征分析，并与单片机存储的苹果特征关于品质等级的数据库进行比对，从而判断出对应的苹果的品质等级结果，并将判断结果传输至分级执行装置；

此装置可检测的苹果特征包括果实直径、果实表面着红色面积、果锈、磕碰伤、霉变、炭疽等表面特征，这些特征均能够在对应的数据库中找到对应的品质等级。苹果的品质等级主要有特级果、一级果和二级果。例如对于红富士苹果来说，符合果实直径大于90mm、苹果表面红色或条红80％以上、果形端正、无磕碰伤、无霉变、无炭疽特征，其对应的品质等级是特级果。

步骤五：苹果离开检测室3后会继续在第二传动组件上移动一段距离，接着通过第二导果槽6依次进入第三传动组件402上的托盘403，当传感器412检测到托盘内有苹果时会进行信号反馈，然后通过单片机控制对应的推杆将每个位序的苹果精准推入对应的分流料道410，苹果通过分流料道410进入对应的果箱411。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的苹果分级装置，与单片机连接，用于给苹果分级，其特征在于，包括依次连接的上料装置、翻转输送装置、分级执行装置，所述翻转输送装置上设置有检测室，所述上料装置和所述翻转输送装置之间由第一导果槽连接，所述翻转输送装置和所述分级执行装置之间由第二导果槽连接；

所述上料装置包括上料箱和与上料箱连接的第一传动组件，所述上料箱是能够放置苹果的箱式结构，所述第一传动组件沿苹果传送方向倾斜向上设置，所述第一传动组件的最高处还设置有与最高处的距离大于一个苹果高度的毛刷；

所述翻转输送装置包括水平设置的第二传动组件，所述检测室覆盖在所述第二传动组件上方的部分位置，所述检测室为盒装结构且内壁沿苹果传送方向依次设置有第一光源、第一机械臂、第二机械臂、第二光源，所述第一机械臂和所述第二机械臂分别安装有第一摄像机和第二摄像机，所述第一光源和所述第一机械臂之间还设置有光电开关；

所述分级执行装置包括水平设置的第三传动组件、安装在第三传动组件上的多个托盘、垂直于第三传动组件且设置在第三传动组件一侧的多个向下倾斜的分流料道，所述第三传动组件另一侧设置有多个与分流料道的位置对应的推杆，每个所述分流料道连接一个标记有分级信息的果箱，每个所述托盘上方还设置有能够检测托盘内是否有苹果的传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述第一传动组件和所述第二传动组件均是由链传动组件驱动连接的滚子组，所述滚子组是包括两个椭圆形侧板，两个所述椭圆形侧板之间连接有由多个滚子排列成的椭圆形传送带。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，每个所述滚子均安装有贯穿所述滚子的滚子轴，所述滚子轴伸出所述滚子两端并与两个椭圆形侧板的相对面上的限位槽配合连接；每个所述滚子的两端外圆周均设置为齿面；

所述第二传动组件包括主轴、安装在主轴上的一个输出链轮和两个输入带轮、第二驱动电机，所述主轴设置在所述滚子构成的椭圆的焦点位置，所述第二驱动电机由链条连接驱动所述输出链轮，所述输出链轮能够在主轴的作用下带动两个所述输入带轮，两个所述输出链轮均安装有双面齿同步带且分别通过双面齿同步带连接啮合椭圆焦点附近的多个相邻滚子的两端齿面。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述翻转输送装置沿苹果传送方向的两侧还设置有回流挡板。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述第三传动组件包括两个侧板、安装在两个侧板之间的两个固定轴、两个分别安装在两个固定轴的支撑链轮、安装在其中一个固定轴的主动链轮，所述主动链轮由第三驱动电机驱动，两个支撑链轮之间由链条传动连接，所述托盘通过支架安装在所述链条上。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述托盘与所述支架之间还连接有扭簧，所述扭簧两端分别插入所述托盘下部和所述支架上部。

7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述托盘的中心轴与所述固定轴垂直且所述扭簧处于压缩状态。

8.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置，其特征在于，所述托盘还设置有网兜。

9.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的苹果分级装置在苹果分级处理过程的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过单片机控制打开第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件和检测室；

步骤二：将苹果逐一放入上料箱，并依次通过第一传动组件、第一导果槽将苹果传送至第二传动组件，过程中通过毛刷将叠放在单个苹果上方的苹果阻挡击落，并使得被击落的苹果通过两侧的回流挡板回流至上料箱等待重新进入第一传动组件；

步骤三：通过第二传动组件将苹果送入检测室内部，光电开关会根据苹果经过光电开关的顺序来排列位序，随后通过单片机控制第一机械臂改变不同位姿并使用第一摄像机对奇数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第一光源会同步进行曝光；同时通过单片机控制第二机械臂改变不同位姿并使用第二摄像机对偶数位序的苹果进行不同角度的图像拍摄，过程中第二光源会同步进行曝光；

步骤四：第一摄像机和第二摄像机将拍摄到的图像传输给单片机进行图像特征分析，并与单片机存储的苹果特征关于品质等级的数据库进行比对，从而判断出对应的苹果的品质等级结果，并将判断结果传输至分级执行装置；

步骤五：苹果离开检测室后会继续在第二传动组件上移动一段距离，接着通过第二导果槽依次进入第三传动组件上的托盘，当传感器检测到托盘内有苹果时会进行信号反馈，然后通过单片机控制对应的推杆将每个位序的苹果精准推入对应的分流料道，苹果通过分流料道进入对应的果箱。