基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机

摘要

本发明涉及红枣自动化在线无损检测分级设备，尤其是一种基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机。包括机器视觉系统，其特点是：包括辊轮输送链板装置（2），在该辊轮输送链板装置（2）的进料端安装有上料斗（1），所述机器视觉系统的照明和CCD相机单元（5）安装在在该辊轮输送链板装置（2）上方；在该照明和CCD相机单元（5）后方的辊轮输送链板装置（2）一侧安装有若干分级输送通道（8），而在该辊轮输送链板装置（2）另一侧安装有执行机构，该执行机构与所述机器视觉系统的工业控制机（4）连接。本发明提供了一种基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机，可以对枣果大小、形状、颜色综合指标进行识别分级。

说明书

技术领域

本发明涉及红枣自动化在线无损检测分级设备，尤其是一种基于机器 视觉技术的红枣无损自动分级机。

背景技术

红枣的果实，即枣果为长椭球体，皮薄质脆易损伤，为了便于枣果贮 藏、包装及实现优质优价销售，其采摘后必须进行无损检测分级，即剔除 损伤、病变果，并按大小、形状、颜色等指标进行快速分级。当前果品采 后分级多采用机械式，少部分基于机器视觉技术的分级设备多针对大型果 品（苹果、柑橘等圆形果）开发，不适用于个体较小、形状椭球形的枣果。 因此实现枣果快速无损检测分级须突破多个关键技术问题：首先应把成堆 枣果自动分为一个个单体，并使其方向一致的排布在整理输送带上，送入 图像采集区域；摄像机安装在输送带上方，输送过程中应尽可能获取枣果 多表面信息，以对枣果品质进行准确判定，同时应保证摄像机在枣果输送 至合适位置时准确触发拍照；枣果外部综合品质及内部糖酸度等信息经工 控机软件分析处理后，产生分级命令控制执行机构把相应等级的枣果输送 至相应通道，分级机构动作应准确、快速、并能进行多通道分级。同时要 实现整个分级过程自动化完成，须设计灵敏度较高，抗干扰能力强的多传 感器控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机， 能够在无损伤的条件下实现对红枣的高速、自动分级。

一种基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机，包括机器视觉系统， 其特别之处在于：包括辊轮输送链板装置，在该辊轮输送链板装置的进料 端安装有上料斗，所述机器视觉系统的照明和CCD相机单元安装在在该 辊轮输送链板装置上方，从而能拍摄辊轮输送链板装置上的红枣图像；在 该照明和CCD相机单元后方的辊轮输送链板装置一侧安装有若干分级输 送通道，而在该辊轮输送链板装置另一侧安装有执行机构，该执行机构与 所述机器视觉系统的工业控制机连接，从而根据拍摄的图像将红枣送入相 应的分级输送通道。

其中机器视觉系统中的工业控制机与PLC连接，该PLC通过继电器 控制电路与执行机构连接。

其中执行机构包括通过管路连通的高压气源装置和喷气嘴。

其中辊轮输送链板装置上待分级红枣运行的一段由一个斜上升段和 一个水平段组成，所述照明和CCD相机单元安装在该水平段上方。

其中辊轮输送链板装置包括链传动机构，该链传动机构上设有两条平 行且同步运动的传动链，在该两条传动链之间安装有若干辊轴，每个辊轴 的两端均通过轴承安装在两条传动链上，从而使每个辊轴均能绕其轴自 转，另外在每个辊轴的中间均设有一个环状的凹槽，从而在相邻两个辊轴 之间形成一个与单个红枣尺寸相应的凹坑。

其中链传动机构的链轮依次通过传动机构、减速器和电机传动连接。

其中在链传动机构的至少一个链轮旁安装有接近开关或光电开关，该 接近开关或光电开关与机器视觉系统中的工业控制机连接。

其中在辊轮输送链板装置的斜上升段下方固定安装有一柔性搓动板， 该柔性搓动板的表面与该斜上升段处的辊轴接触，从而能带动辊轴自转； 而在辊轮输送链板装置的水平段下方也固定安装有一柔性搓动板，该柔性 搓动板的表面与该水平段处的辊轴接触，从而能带动辊轴自转。

其中柔性搓动板包括底板，在该底板表面覆盖有2-3cm厚的海绵层。

其中在分级输送通道的出料端还安装有果品自动化称重装箱系统，该 果品自动化称重装箱系统包括进给单元，在该进给单元的出口处安装有料 斗，在该料斗下方安装有称重传感器，并且在该料斗底部安装有活动底板， 在该活动底板下方还设有包装箱传送带，在该包装箱传送带上放置包装箱 处安装有定位开关；还包括控制单元，该控制单元分别与前述进给单元的 控制器、称重传感器、包装箱传送带的控制器和定位开关电连接；其中进 给单元由三条不同进给量的输送带组成，每个输送带的控制器均与所述控 制单元电连接，并且其中进给量最小的输送带每次进给一个果品。

其中活动底板铰接在料斗上，并且该活动底板还与翻转机构的活塞杆 连接从而能使底板旋转以打开或关闭料斗，该翻转机构采用气缸或油缸， 并且该翻转机构的控制器与所述控制单元电连接。

其中所有输送带均采用上坡运行布置，并而在输送带上安装有柔性挡 板，从而防止果品滑落，在料斗内表面上与果品接触处贴有柔性材料；在 包装箱传送带上安装有挡板，从而能带动包装箱一起同步运动；在料斗下 方均布有3个称重传感器，并且该3个称重传感器分别位于料斗的两侧和 中间位置；其中控制单元采用单片机或PLC，另外在称重传感器与料斗的 连接处安装有减震橡皮。

本发明提供了一种基于机器视觉技术的红枣无损自动分级机，可以将 成堆红枣中损伤、病害果予以剔除，并按照市场需求，对枣果大小、形状、 颜色综合指标进行识别分级。枣果品质信息由机器视觉检测完成，图像采 集应包括枣果多个表面的特征，品质识别分析由相应的工控机软件完成， 并由工控机程序控制执行机构快速分级。分级过程自动化程度高，各环节 衔接紧密，分级准确率高且对红枣无损伤。本发明是一种基于机器视觉检 测技术的枣果快速无损自动化分级设备，能够实现红枣自动化、快速无损、 内外品质多指标检测分级。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明中辊轮输送链板装置（2）的局部结构示意图；

附图3为本发明的逻辑原理框图；

附图4为本发明中果品自动化称重装箱系统的结构示意图；

附图5为本发明中果品自动化称重装箱系统的俯视图；

附图6为本发明中果品自动化称重装箱系统控制单元的主控制流程 图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明是一种基于机器视觉技术的红枣无损自动 分级机，包括机器视觉系统，还包括辊轮输送链板装置2，在该辊轮输送 链板装置2的进料端安装有上料斗1，机器视觉系统的照明和CCD相机单 元5安装在在该辊轮输送链板装置2上方，从而能拍摄辊轮输送链板装置 2上的红枣图像；在该照明和CCD相机单元5后方的辊轮输送链板装置2 一侧安装有若干分级输送通道8，而在该辊轮输送链板装置2另一侧安装 有执行机构，该执行机构与所述机器视觉系统的工业控制机4连接，从而 根据拍摄的图像将红枣吹入相应的分级输送通道8。

其中机器视觉系统包括照明和CCD相机单元5、视频采集卡、工业控 制机4（即工控机），其中的工业控制机4与PLC连接，该PLC通过继电 器控制电路与执行机构连接。执行机构采用气动执行机构，包括通过管路 连通的高压气源装置6和喷气嘴7，该高压气源装置6的控制器与继电器 控制电路连接。

辊轮输送链板装置2上待分级红枣运行的一段由一个斜上升段和一个 水平段组成，所述照明和CCD相机单元5安装在该水平段上方，而喷气 嘴7和分级输送通道8分别安装在该水平段的两侧。另外在辊轮输送链板 装置2的斜上升段下方固定安装有一柔性搓动板3，其底板为刚性材质， 刚性表面固定有2-3cm的海绵层，该柔性搓动板3的表面与该斜上升段处 的辊轴11接触，从而能带动辊轴11自转；而在辊轮输送链板装置2的水 平下方也固定安装有一柔性搓动板3，该柔性搓动板3的表面与该斜上升 段处的辊轴11接触，从而能带动辊轴11自转。

其中辊轮输送链板装置2包括链传动机构，该链传动机构上设有两条 平行且同步运动的传动链12，在该两条传动链12之间安装有若干辊轴11， 每个辊轴11的两端均通过轴承安装在两条传动链12上，从而使每个辊轴 11均能绕其轴自转，另外在每个辊轴11的中间均设有一个环状的凹槽， 从而在相邻两个辊轴11之间形成一个与单个红枣尺寸相应的凹坑，凹坑大 体为椭圆形，长轴方向3-4cm，最大处间距1cm左右。

链传动机构的链轮依次通过传动机构、减速器与电机10传动连接。 另外在链传动机构的至少一个链轮旁安装有接近开关或光电开关9，该接 近开关或光电开关9与机器视觉系统中的工业控制机4连接。

本发明的工作原理是：

采摘的鲜枣果堆积在上料斗1，辊轴11固定于输送链上形成输送链板， 枣果随辊轮输送链板装置2向上提升过程中，大量堆积在输送链板上，辊 轴11自身有一定弧度，任意两辊轴11之间形成一个凹坑，凹坑大小仅能 使一颗枣果稳定定位；输送链板的斜上升段有一定合适角度，角度约 30-40°，可使稳定定位的枣果随输送链板传送，非稳定位置的枣果向下滑 落。

在辊轮输送链板装置2的斜上升段和水平段下面装有柔性搓动板3， 与辊轮产生摩擦，使其在运行过程中不断旋转，辊轮又搓动枣果，部分枣 果在旋转过程中逐渐稳定于链板两辊轮间势能最低位置，因两辊轮凹坑弧 间仅能容纳一颗枣果稳定定位，其它稳定性较差的枣果沿输送链板斜面向 下滚落，重新寻找稳定位置。稳定定位的枣果排布方向一致，随输送链板 进入图像采集区，图像采集区辊轮下方同样安装有柔性搓动板3，搓动辊 轴转动的同时，辊轮摩擦力使枣果在输送过程中不断旋转，使CCD相机 可多次拍摄同一枣果的不同表面，图像信息送入工控机，经软件分析后， 即可得到枣果的表面大小、形状、损伤等信息。最后利用信息融合技术得 到枣果外部综合品质等级，送给气动式分级执行机构。

例如单独以枣果表面是否有损伤为例进行分类，具体以损伤≤1处并 且损伤面积≤2mm²为标准，超过该标准的定为不合格产品，判定应进入 不合格产品分级通道，反之则判定进入合格产品的分级通道。

当枣果运送至相应等级通道时，喷气嘴7把枣果吹送入相应的分级输 送通道8完成分级。

辊轮输送链板装置2采用传动链12（即链条）驱动，在链轮轴上安装 感应链轮和传感器，将传动链12的运动信息传送至工控机，传动链12每 走过一个链节传感器计数触发一次，触发信号可控制CCD相机进行图像 采集，计数结果用于控制气动式分级执行机构在相应等级位置通道处产生 分级动作。由于照明和CCD相机单元5与喷气嘴7之间有一定的距离， 因此工控机得出图像数字处理结果暂存于工控机缓存，当红枣输送到相应 等级分级位置时，传感器计数完成，释放控制信号完成分级执行动作。

如图4、5、6所示，本发明还包括果品自动化称重装箱系统，包括进 给单元1，该进给单元1由三条不同进给量的输送带组成，并且每个输送 带的控制器均与控制单元电连接。所有输送带均采用上坡运行布置，并而 在输送带上安装有柔性挡板，从而防止果品滑落，并且进给量最小的输送 带每次进给一个果品。

在该进给单元1的出口处安装有料斗3，在该料斗3下方安装有称重 传感器2，具体是在料斗3下方均布有3个称重传感器2，即该3个称重 传感器2的一端固定而另一端共同将料斗3支撑起来，并且该3个称重传 感器2分别位于料斗3的两侧和中间共3个位置处。

并且在该料斗3底部安装有活动底板5，具体是该活动底板5铰接在 料斗3上，并且该活动底板5还与翻转机构4的活塞杆连接从而能使底板 旋转从而打开或关闭料斗3，该翻转机构4采用气缸或油缸，并且该翻转 机构4的控制器与所述控制单元电连接。

在该活动底板5下方还设有包装箱传送带8，在该包装箱传送带8上 放置包装箱6处安装有定位开关7；还包括控制单元，该控制单元分别与 前述进给单元1的控制器、称重传感器2、定位开关7和包装箱传送带8 的控制器电连接。控制单元采用单片机或PLC等实现，另外在称重传感器 2与料斗3的连接处安装有减震橡皮。

其中在料斗3内表面上与果品接触处贴有柔性材料，如软硅胶、高密 度海绵等。在包装箱传送带8上安装有挡板，从而能带动包装箱6一起同 步运动。

本发明中三条输送带装载果品量不同，并各有一套传动系统，其运行 受各自控制器单独控制，如图2所示，从上到下第三条（第三通道）输送 量最大，第一条（第一通道）输送量次之，中间的第二条（第二通道）输 送量最小，每次进给量仅为1个果品。另外将三个称重传感器2分别安装 在料斗3的三个不同侧面上，对称重传感器2载荷进行合理分配，确保对 料斗3支撑的稳定性，同时考虑到机构动作对称重传感器2的冲击，在称 重传感器2与料斗3的连接处采用橡皮作减震处理。

三个称重传感器2分别对来自不同输送带的果品按照实际需要送出信 号，以保证后续执行机构的动作。当果品进入料斗3后，通过气缸的动作， 使料斗3下方的活动底板5打开卸料。为了防止果品在落入料斗3时碰伤， 在料斗3内侧表面壁设计了环保材质的缓冲材料，从而较好地保证了果品 的完整无损。包装箱传送带8采用链输送，链板上每隔一段距离安装一排 挡板，可推动包装箱6与输送链同步运行。

本发明中果品自动化称重装箱系统的工作原理是：

三条输送带的进料端均与同一个分级输送通道8的出料端连通，三条 输送带均将果品送入由三个称重传感器2支撑的料斗3，料斗3底部为可 以转动启、闭的受控活动底板5，活动底板5下出口正对包装箱6，当料 斗3重量达到额定量时，三个称重传感器2触发信号（料斗3由三个重量 传感器共同支撑，因此三个传感器值相加后才是整个料斗3的重量），由 控制单元发出指令使活动底板5翻转，果品下落进入包装箱6内。

以红枣为例，根据装箱重量要求，当料斗3内红枣重量达到额定称重 量的90%之前，三条输送带同时工作，当达到额定称重量的90%时，最大 量的一条输送带停止工作，超过额定称重量99%以后，中等输送量的一条 输送带也停止工作，仅输送量最小的一条输送带工作，其每次进给量为1 个红枣，因此可以控制装箱重量误差在1个红枣的重量以内。

其中包装箱6的运行由称重传感器2设定值与定位开关7联合控制，当空 的包装箱6输送至正对料斗3的活动底板5位置时，定位开关7断开，包 装箱传送带8停止运行；当料斗3重量达到设定值时开始计时，计时过程 中料斗3内的果品落入包装箱6，装箱时间为5s，计时完成，包装箱传送 带8带动装满果品的包装箱6再次开始运行。