專利名稱：水果品質(zhì)實時檢測和分級機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照物品的特性進行實時檢測和分級的機器人系統(tǒng)，尤其是指對準(zhǔn)球形水果或農(nóng)產(chǎn)品進行實時檢測和分級的機器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國是農(nóng)業(yè)大國，但是農(nóng)業(yè)產(chǎn)值很低，其中的一個主要原因就是由于我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化處理的水平太低，這極大地阻礙了我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)民收入的提高。在發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值中的絕大部分是農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)后處理中創(chuàng)造出來的，如美國有75％的農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)加工處理。而我國農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)后處理的水平卻很低，如水果生產(chǎn)在我國的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中占有很大的比重，從1993年開始，我國水果總量躍居世界第一位，而且種類多，品種豐富，同時水果也是我國重要的外貿(mào)出口物資。但是由于水果采后商品化處理不夠以至產(chǎn)品混等混級，良莠不齊，外銷果上不了國外高檔貨架，產(chǎn)品信譽低，在國際市場上競爭力弱，造成這些結(jié)果的原因之一就是由于檢測與分選手段的落后。國外農(nóng)產(chǎn)品按大小、形狀、色澤、損傷和缺陷等進行自動化分級和包裝后，其商品價值大大提高。而目前我國的大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品不經(jīng)處理就直接統(tǒng)貨上市，售價自然就很低，少量進行產(chǎn)后商品化處理的，其品質(zhì)檢測和分級通常也是由人來完成的，需要大量的勞動力，勞動強度大，同時這種主觀評定受到個人視力、顏色鑒別力、情緒、疲勞、光線等因素的影響，效率低，準(zhǔn)確性差。大小分級雖然可以依據(jù)大小和重量實現(xiàn)機械化分級，減輕了一些勞動強度，但是無法完成果形、色澤、果面缺陷和損傷等方面的檢測與分級。
用計算機視覺技術(shù)和機器人技術(shù)代替人進行農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測和分級具有不言而喻的優(yōu)越性。首先它能排除人的主觀因素的干擾，避免了因人而異的檢測結(jié)果；另外能完成人或機械式、光電式分選機難以勝任的工作，如壞損面積計算、著色面積計算等。不僅可提高精度，并可將人從繁重勞動中解放出來。近年來，隨著計算機視覺技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)已開始被應(yīng)用到水果的檢測與分級中，但目前主要還集中在對靜態(tài)水果的處理。國外雖已有能根據(jù)水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等外觀品質(zhì)指標(biāo)中的一個、兩個或最多三個指標(biāo)進行檢測和分級的設(shè)備，但還沒有能同時完成以上所有外觀品質(zhì)指標(biāo)檢測的設(shè)備；而且，現(xiàn)有設(shè)備中的水果輸送系統(tǒng)不能保證水果自動成單列輸送并快速均勻翻轉(zhuǎn)，只能使得計算機視覺系統(tǒng)獲得被檢測水果的部分表面的圖像信息，水果果面損傷或缺陷的漏檢率較高；另外，實時檢測和分級設(shè)備還存在檢測精度低、速度慢等問題。而在國內(nèi)，類似的檢測和分級設(shè)備至今還是空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于水果品質(zhì)實時檢測和分級的機器人系統(tǒng)，可以實現(xiàn)水果的快速、均勻的翻轉(zhuǎn)和自動成單列輸送，將水果以合適的且不斷變化的位置和姿態(tài)呈現(xiàn)在計算機視覺識別部件的視場內(nèi)，使計算機視覺識別部件能準(zhǔn)確、有效、全面地獲取被檢測對象的品質(zhì)特征信息，能同時完成水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等全部外觀品質(zhì)指標(biāo)的檢測，實現(xiàn)水果的實時檢測和分級。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下1)水果輸送翻轉(zhuǎn)部件包括雙錐式滾子、輸送鏈條、摩擦帶、輸送鏈輪、坡形板、水平小軸；雙錐式滾子通過水平小軸均勻地裝在輸送鏈條上，輸送鏈輪轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子能隨輸送鏈條向前運動，裝在雙錐式滾子下面的摩擦帶由另一電機驅(qū)動，雙錐式滾子就會在摩擦帶上繞水平小軸轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子兩側(cè)設(shè)有帶肋條的坡形板，坡形板的最低端略低于雙錐式滾子；2)計算機視覺識別部件包括攝像頭、光照箱、計算機、控制模塊、兩個位置傳感器，兩個位置傳感器安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件上，通過線路分別與計算機中的圖像采集卡和控制模塊相連，并提供每個水果的位置信息，光照箱安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件上方，攝像頭安裝在光照箱內(nèi)，經(jīng)線路與計算機內(nèi)的圖像采集卡相連，由位置傳感器提供的水果位置信息觸發(fā)計算機內(nèi)的圖像采集卡采集動態(tài)水果圖像，計算機通過并行口與控制模塊相連，控制模塊發(fā)出信號控制相應(yīng)的分級執(zhí)行機構(gòu)和分級驅(qū)動機構(gòu)將水果送到相應(yīng)的收集箱內(nèi)；3)水果自動分級部件包括分級鏈輪、分級鏈條、料斗軸、分級料斗、分級驅(qū)動機構(gòu)、不同級別的水果收集箱、水果的下落滑道、水果的分級輸出機構(gòu)；分級料斗通過料斗軸均勻地裝在分級鏈條上，分級鏈輪轉(zhuǎn)動，分級料斗能隨分級鏈條向前運動，控制模塊發(fā)出信號控制分級驅(qū)動機構(gòu)，分級料斗失穩(wěn)，水果沿裝在分級驅(qū)動機構(gòu)下的滑道經(jīng)分級輸出機構(gòu)至水果收集箱。
水果輸送翻轉(zhuǎn)部件的雙錐式滾子水果輸送翻轉(zhuǎn)裝置，使水果以一定速度向前自動成單列輸送，而且能使水果繞水平小軸自由轉(zhuǎn)動，從而保證檢測到水果整個表面。在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件的上方設(shè)置計算機視覺識別部件，可以保證準(zhǔn)確、有效、全面的獲取被檢測對象的圖像信息，并從中提取品質(zhì)特征信息。通過計算機視覺識別部件的智能識別，同時完成水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等全部外觀品質(zhì)指標(biāo)的檢測，綜合判斷每一水果的等級，并確定每個水果的位置信息，由計算機視覺識別部件的控制模塊將指令傳輸給自動分級部件，由自動分級部件根據(jù)水果分級的標(biāo)準(zhǔn)完成水果的分級。
本發(fā)明的有益效果是可以同時對快速運動的水果群體中提取有效的圖像信息，并進行矯正和分析處理，快速有效地完成對生產(chǎn)線上動態(tài)水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等全部外觀品質(zhì)指標(biāo)的檢測，并通過自動分級部件實現(xiàn)分級，提高水果品質(zhì)檢測與分級的自動化水平。應(yīng)用于實際生產(chǎn)后，可以提高我國水果在國際市場的競爭能力。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的水果輸送翻轉(zhuǎn)部件示意圖；圖3是圖2的剖視圖；圖4是本發(fā)明的自動分級部件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是分級輸出示意圖；圖7是控制模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1、水果輸送翻轉(zhuǎn)部件2、計算機視覺識別部件3、自動分級部件4、攝像頭5、光照箱6、計算機7、控制模塊8、分級執(zhí)行機構(gòu)9、位置傳感器10、雙錐式滾子11、水果12、輸送鏈條13、摩擦帶14、輸送鏈輪15、坡形板16、水平小軸17、分級鏈輪18、分級鏈條19、料斗軸20、分級料斗21、分級驅(qū)動機構(gòu)22、水果收集箱23、下落滑道24、分級輸出機構(gòu)具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明由水果輸送翻轉(zhuǎn)部件1，計算機視覺識別部件2和水果分級部件3組成。
如圖1、圖2、圖3所示，水果輸送翻轉(zhuǎn)部件1包括雙錐式滾子10、輸送鏈條12、摩擦帶13、輸送鏈輪14、坡形板15、水平小軸16；雙錐式滾子10通過水平小軸16均勻地裝在輸送鏈條12上，輸送鏈輪14轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子10能隨輸送鏈條12向前運動，裝在雙錐式滾子10下面的摩擦帶13由另一電機驅(qū)動，當(dāng)兩者具有速度差時，雙錐式滾子10就會在摩擦帶13上繞水平小軸16轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子10兩側(cè)設(shè)有帶肋條的坡形板15，坡形板15的最低端略高于雙錐式滾子10。當(dāng)水果11進入該裝置后，由于雙錐式滾子10本身的斜度，水果能自動進入每一對雙錐式滾子10的中間，與四個錐筒同時接觸，坡形板15的作用是保證水果在輸送過程中，水果能自動單個成列進入每對雙錐式滾子10中，在一對雙錐式滾子10的作用下，以既向前輸送又同時翻轉(zhuǎn)的運動方式進入計算機視覺識別系統(tǒng)，水果輸送翻轉(zhuǎn)部件的輸送和翻轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)生產(chǎn)線工作的需要進行調(diào)整。
如圖1所示，計算機視覺識別部件2包括攝像頭4、光照箱5、計算機6、控制模塊7、兩個位置傳感器9，兩個位置傳感器9安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件1上，通過線路分別與計算機6中的圖像采集卡和控制模塊7相連，并提供每個水果的位置信息，光照箱5安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件1上方，攝像頭4安裝在光照箱5內(nèi)，經(jīng)線路與計算機6內(nèi)的圖像采集卡相連，由位置傳感器提供的水果位置信息觸發(fā)計算機內(nèi)的圖像采集卡采集動態(tài)水果圖像，計算機6通過并行口與控制模塊7相連，控制模塊7發(fā)出信號控制相應(yīng)的分級執(zhí)行機構(gòu)8和分級驅(qū)動機構(gòu)21將水果11送到相應(yīng)的收集箱22內(nèi)。計算機6里安裝適合動態(tài)圖像快速處理的圖像分析處理軟件。光照箱4通過選取合適的光源頻譜和空間位置，使整個視場內(nèi)的光照均勻一致，并可根據(jù)不同的識別對象進行調(diào)節(jié)。攝像頭4安裝在光照箱5內(nèi)，通過調(diào)整位置，使之可以獲得多個水果的圖像信息，圖像處理分析軟件對在視場內(nèi)的每個水果的形狀、大小、色澤、表皮光潔度、表面缺陷、損傷等外觀品質(zhì)特征進行提取、分析和判斷，確定該水果的按國家標(biāo)準(zhǔn)分類的等級。位置傳感器9用于確定水果位置的信息。
如圖4、圖5、圖6所示，水果自動分級部件3包括分級鏈輪17、分級鏈條18、料斗軸19、分級料斗20、分級驅(qū)動機構(gòu)21、不同級別的水果收集箱22、水果的下落滑道23、水果的分級輸出機構(gòu)24；分級料斗20通過料斗軸19均勻地裝在分級鏈條18上，分級鏈輪17轉(zhuǎn)動，分級料斗20能隨分級鏈條18向前運動。當(dāng)帶有位置信息的水果輸送到對應(yīng)級別的水果收集箱22的位置時，由計算機視覺識別部件的控制模塊7發(fā)給的分級驅(qū)動機構(gòu)21的位置信號驅(qū)動分級驅(qū)動機構(gòu)21，使該分級料斗20失穩(wěn)，水果在對應(yīng)的分級口沿下落滑道23落下，并通過分級輸出機構(gòu)24輸送到水果收集箱22中，實現(xiàn)水果的分級。
圖7是控制模塊7的示意圖，控制模塊7由研華嵌入式主板PCM-3346N、電子盤、觸摸屏和基于PC104擴展總線的48通道輸入輸出模塊PCM-3724等組成。電子盤通過主板上的專用接口與主板連接，觸摸屏通過RS232C串行口與主板連接，數(shù)字輸入輸出模塊通過PC1104總線與主板連接，水果等級和位置信息通過串行接RS232C接入主板。
PCM-3346N采用低功耗GX1-300MHz CPU，工作溫度-20℃～+85℃，支持CompactFlash，并具有看門狗電路，性能穩(wěn)定，適合工業(yè)控制的需要。電子盤采用Sandisk公司的128M CF卡，通過輸入主板PCM-3346N上的專用接口與主板連接，用于存儲嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。觸摸屏用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，設(shè)置工作參數(shù)、輸入啟動和停止等控制指令，采用AccuTouch公司104R/IP65型，通過RS232C串行接口與主板PCM-3346N連接。數(shù)字輸入輸出模塊PCM-3724具有中斷觸發(fā)功能，通過PC/104總線與PCM-3346N主板連接，用于采集設(shè)備工作狀態(tài)信息和控制自動分級部件中的分級執(zhí)行機構(gòu)。
控制模塊7的主要功能是接收水果的位置信息和等級信息，并對分級執(zhí)行機構(gòu)8發(fā)出控制信號。分級開始后，當(dāng)一個水果經(jīng)過位置傳感器9和計算機視覺識別部件2后，就具有了該水果的位置信息和等級信息，水果的位置和等級信息通過串行接口RS232C進入PCM-3346N主板，當(dāng)該水果到對應(yīng)分級口位置時，PCM-3346N主板通過PC104總線向48通道輸入輸出模塊PCM-3724發(fā)出信號，由48通道輸入輸出模塊PCM-3724控制相應(yīng)的分級執(zhí)行機構(gòu)8和分級驅(qū)動機構(gòu)21，使水果落入相應(yīng)等級的水果收集箱22內(nèi)。此外控制模塊還具有水果分級流程控制、分級系統(tǒng)中設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控和控制系統(tǒng)快速復(fù)位等功能。
對于不同的水果，需要有不同的檢測速度，水果輸送翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以與自動分級系統(tǒng)進行同步的調(diào)整，而計算機視覺識別部件的圖像采樣頻率也根據(jù)速度變化進行自動調(diào)整。
權(quán)利要求
1.水果品質(zhì)實時檢測和分級機器人系統(tǒng)，其特征在于它包括1)水果輸送翻轉(zhuǎn)部件(1)包括雙錐式滾子(10)、輸送鏈條(12)、摩擦帶(13)、輸送鏈輪(14)、坡形板(15)、水平小軸(16)；雙錐式滾子(10)通過水平小軸(16)均勻地裝在輸送鏈條(12)上，輸送鏈輪(14)轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子(10)能隨輸送鏈條(12)向前運動，裝在雙錐式滾子(10)下面的摩擦帶(13)由另一電機驅(qū)動，雙錐式滾子(10)就會在摩擦帶(13)上繞水平小軸(16)轉(zhuǎn)動，雙錐式滾子(10)兩側(cè)設(shè)有帶肋條的坡形板(15)，坡形板(15)的最低端略低于雙錐式滾子(10)；2)計算機視覺識別部件(2)包括攝像頭(4)、光照箱(5)、計算機(6)、控制模塊(7)、兩個位置傳感器(9)；兩個位置傳感器(9)安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件(1)上，通過線路分別與計算機(6)中的圖像采集卡和控制模塊(7)相連，并提供每個水果的位置信息，光照箱(5)安裝在水果輸送翻轉(zhuǎn)部件(1)上方，攝像頭(4)安裝在光照箱(5)內(nèi)，經(jīng)線路與計算機(6)內(nèi)的圖像采集卡相連，由位置傳感器(9)提供的水果位置信息觸發(fā)計算機(6)內(nèi)的圖像采集卡采集動態(tài)水果圖像，計算機(6)通過并行口與控制模塊(7)相連，控制模塊(7)發(fā)出信號控制相應(yīng)的分級執(zhí)行機構(gòu)(8)和分級驅(qū)動機構(gòu)(21)將水果(11)送到相應(yīng)的收集箱(22)內(nèi)；3)自動分級部件(3)包括分級鏈輪(17)、分級鏈條(18)、料斗軸(19)、分級料斗(20)、分級驅(qū)動機構(gòu)(21)、不同級別的水果收集箱(22)、水果的下落滑道(23)、水果的分級輸出機構(gòu)(24)；分級料斗(20)通過料斗軸(19)均勻地裝在分級鏈條(18)上，分級鏈輪(17)轉(zhuǎn)動，分級料斗(20)能隨分級鏈條(18)向前運動，控制模塊(7)發(fā)出信號控制分級驅(qū)動機構(gòu)(21)，分級料斗(20)失穩(wěn)，水果(11)沿裝在分級驅(qū)動機構(gòu)(21)下的滑道(23)經(jīng)分級輸出機構(gòu)(24)至水果收集箱(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水果品質(zhì)實時檢測和分級機器人系統(tǒng)，其特征在于所說的控制模塊(7)由研華嵌入式主板PCM-3346N、電子盤為Sandisk公司的CF卡、觸摸屏和基于PC104擴展總線的48通道輸入輸出模塊PCM-3724；電子盤通過主板上的專用接口與主板連接，觸摸屏通過RS232C串行口與主板連接，數(shù)字輸入輸出模塊通過PC/104總線與主板連接，水果等級和位置信息通過串行接RS232C接入主板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水果品質(zhì)實時檢測和分級機器人系統(tǒng)。它是由水果輸送翻轉(zhuǎn)部件、計算機視覺識別部件、自動分級部件組成。水果輸送翻轉(zhuǎn)部件的雙錐式滾子，使水果自動成單行排列，并在以一定速度向前輸送的同時，又繞水平小軸均勻轉(zhuǎn)動，從而保證計算機視覺識別部件獲得水果整個表面的品質(zhì)信息。通過計算機視覺識別部件的識別，同時完成水果的形狀、大小、色澤、表皮光滑度、果面缺陷和損傷等全部外觀品質(zhì)指標(biāo)的檢測，綜合判斷每一水果的等級，并確定其位置信息，由計算機視覺識別部件的控制模塊將指令傳輸給自動分級部件，控制水果在對應(yīng)的分級口自動落入水果收集箱中，它能快速有效地實現(xiàn)對生產(chǎn)線上的動態(tài)水果的實時檢測和分級，提高水果品質(zhì)檢測與分級的自動化水平。
文檔編號B07C5/00GK1394699SQ0213637
公開日2003年2月5日 申請日期2002年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月3日
發(fā)明者應(yīng)義斌, 蔣煥煜, 王劍平, 饒秀勤, 徐惠榮 申請人:浙江大學(xué)