OFweek工控網(wǎng)：對(duì)于許多新鮮農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)商和超市而言，貼價(jià)格和促銷(xiāo)標(biāo)簽占據(jù)了大量的人工勞動(dòng)和大量費(fèi)用支出。因此，許多用于為水果（如蘋(píng)果和桔子）貼標(biāo)簽的大批量生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)很多年。

但是，對(duì)于小批量產(chǎn)品，例如石榴或瓜類(lèi)，情況則有所不同。到目前為止，這類(lèi)產(chǎn)品外形的多樣性以及處理它們的復(fù)雜性，導(dǎo)致目前這些產(chǎn)品仍然由人工貼標(biāo)簽，隨后再進(jìn)行重包裝。

最近，英國(guó)Loop Technology公司開(kāi)發(fā)出了一種基于視覺(jué)的、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人系統(tǒng)，其能夠自動(dòng)為這類(lèi)產(chǎn)品貼標(biāo)簽。該系統(tǒng)使用3D相機(jī)識(shí)別在單元格內(nèi)移動(dòng)的產(chǎn)品、打印不同形狀和不同尺寸的標(biāo)簽，并使用一對(duì)工業(yè)機(jī)器人將標(biāo)簽貼到產(chǎn)品表面的特定位置上（見(jiàn)圖1）。

圖1：利用3D 飛行時(shí)間相機(jī)，Loop Technology公司開(kāi)發(fā)出了一套基于視覺(jué)的機(jī)器人產(chǎn)品貼標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)貼標(biāo)。

輸送機(jī)上的產(chǎn)品包裝箱首先經(jīng)過(guò)視覺(jué)工作站，在這里將對(duì)目標(biāo)水果進(jìn)行識(shí)別。隨后根據(jù)水果種類(lèi)打印標(biāo)簽，將浪費(fèi)降到最低程度，然后機(jī)器人優(yōu)化標(biāo)簽的取放，以實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行。兩臺(tái)機(jī)器人協(xié)作配合，將單個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽貼到水果上。

系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)貼標(biāo)系統(tǒng)由戴爾公司的一臺(tái)PC機(jī)控制，該P(yáng)C機(jī)配有Intel Core i7處理器，運(yùn)行人機(jī)界面（HMI）、機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器序列軟件。該P(yáng)C機(jī)與德國(guó)Beckoff公司的CX系列嵌入式PC聯(lián)接，提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制；德國(guó)Pilz公司的PLC用于監(jiān)控機(jī)器人單元周?chē)P(guān)鍵元件的狀態(tài)，例如急停按鈕和門(mén)鎖單元進(jìn)入機(jī)制。

一旦水果容器送入自動(dòng)貼標(biāo)系統(tǒng)，在Beckhoff公司的CX系列嵌入式PC的控制下，它們從輥筒輸送機(jī)移動(dòng)到驅(qū)動(dòng)傳送帶上。隨后，產(chǎn)品箱進(jìn)入視覺(jué)工作站中，在那里，新加坡Creative公司的Senz3D 飛行時(shí)間相機(jī)，利用調(diào)制紅外光源對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行照明，并捕獲反射光。相機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)USB 2.0接口傳輸?shù)蕉嗪薖C，PC對(duì)飛行時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，產(chǎn)生產(chǎn)品箱和下方傳送帶的3D點(diǎn)云。

3D數(shù)據(jù)至關(guān)重要，它用于使系統(tǒng)軟件得以確定產(chǎn)品表面上的點(diǎn)，讓機(jī)器人知道應(yīng)該在何處貼標(biāo)簽，但是高通、低通和縮放濾波器也用于由相機(jī)捕獲的三維數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生二維灰度圖像。然后，PC上運(yùn)行的美國(guó)康耐視公司的VisionPro軟件對(duì)圖像進(jìn)行分段，將在相機(jī)視場(chǎng)下經(jīng)過(guò)的各種類(lèi)型的新鮮產(chǎn)品區(qū)分開(kāi)來(lái)再識(shí)別。

當(dāng)物體移動(dòng)通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，圖像數(shù)據(jù)也用于產(chǎn)生物體的定位信息。要做到這一點(diǎn)，從圖像數(shù)據(jù)中提取各目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并使用Loop Technology公司開(kāi)發(fā)的三維校準(zhǔn)算法處理。這為每個(gè)物體提供了真實(shí)世界坐標(biāo)系下的三維表面數(shù)據(jù)。然后對(duì)表面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用戶(hù)定義的目標(biāo)參數(shù)用于計(jì)算三維空間中產(chǎn)品表面上的點(diǎn)，以及與其垂直的矢量，在該處機(jī)器人應(yīng)當(dāng)貼標(biāo)簽。

Loop Technology公司的定制機(jī)器人通信軟件，允許目標(biāo)數(shù)據(jù)在PC和一對(duì)機(jī)器人控制器之間傳輸。這些方式控制德國(guó)Kuka公司的兩臺(tái)KR6 R900 Agilus機(jī)器人，將標(biāo)簽貼在水果表面上的任何預(yù)定位置。機(jī)器人控制器通過(guò)使用兩臺(tái)編碼器，跟蹤輸送帶移動(dòng)，從而使得貼標(biāo)無(wú)需延緩整個(gè)流程。

3D分析

通過(guò)使用英特爾支持的感知計(jì)算技術(shù)，Senz3D主要是針對(duì)手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用。這樣，基于相機(jī)的系統(tǒng)對(duì)手、臉，以及此應(yīng)用中的瓜類(lèi)表面反應(yīng)良好。然而，感知計(jì)算是基于場(chǎng)景中的相對(duì)變化，而機(jī)器人定位需要真實(shí)世界坐標(biāo)系中的精確三維數(shù)據(jù)。

因此，通過(guò)相機(jī)獲得的深度數(shù)據(jù)不是立即有用的，因?yàn)閿?shù)據(jù)不是在真實(shí)世界坐標(biāo)系中，因此不能用于定位機(jī)器人。使該問(wèn)題更復(fù)雜的，是透鏡畸變和飛行失真（圖像外圍的物體顯得更遠(yuǎn)）效應(yīng)開(kāi)始發(fā)揮作用，當(dāng)直接呈現(xiàn)時(shí)場(chǎng)景具有翹曲曲率。

為了克服上述問(wèn)題，Loop Technology公司采用由精密加工的塊構(gòu)建的3D棋盤(pán)，開(kāi)發(fā)了3D校準(zhǔn)程序。使用已知的塊寬度、高度和深度，可以對(duì)原始數(shù)據(jù)中的各種失真計(jì)算出修正變換，并在笛卡爾空間產(chǎn)生新的點(diǎn)云。

水果的缺陷也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，使得裂痕和峰值出現(xiàn)在并不存在的地方。為了消除這種情況，在計(jì)算機(jī)器人的位置前采用表面映射算法，以平滑這些缺陷，并為機(jī)器人建立可靠的目標(biāo)位置。

表示產(chǎn)品上一張或多張標(biāo)簽需要貼放的位置的三維坐標(biāo)，通過(guò)以太網(wǎng)接口傳送到機(jī)器人控制器。當(dāng)一盒農(nóng)產(chǎn)品在機(jī)器人的操作范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)器人臂端部的兩臺(tái)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，從兩臺(tái)標(biāo)簽打印機(jī)挑出標(biāo)簽，并貼到產(chǎn)品表面（見(jiàn)圖2）。完全標(biāo)記好的產(chǎn)品隨后經(jīng)輥式輸送機(jī)離開(kāi)。

圖2：當(dāng)一盒農(nóng)產(chǎn)品在機(jī)器人的操作范圍內(nèi)時(shí)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行器從兩臺(tái)標(biāo)簽打印機(jī)挑出標(biāo)簽，并貼到產(chǎn)品表面上。

訓(xùn)練方法

該機(jī)器能夠標(biāo)記多樣化的產(chǎn)品。雖然有許多工業(yè)貼標(biāo)機(jī)已經(jīng)能夠提供更快的吞吐量，但是它們的應(yīng)用只局限于特定的產(chǎn)品類(lèi)型。Loop Technology公司的機(jī)器可以通過(guò)觸摸按鈕選擇，就可以切換成面向不同的產(chǎn)品，如從為鱷梨貼標(biāo)切換到為西瓜貼標(biāo)，因此是面向低產(chǎn)量和季節(jié)性水果的理想選擇。

用戶(hù)看不見(jiàn)該系統(tǒng)的復(fù)雜性，接觸到的只是簡(jiǎn)單的軟件界面，可用于訓(xùn)練系統(tǒng)來(lái)識(shí)別新產(chǎn)品。使用基于瀏覽器的設(shè)置界面，甚至當(dāng)機(jī)器在操作過(guò)程中，一個(gè)新產(chǎn)品也可以加入到可被識(shí)別的產(chǎn)品列表中。訓(xùn)練要求單獨(dú)的樣品放置在輸送機(jī)上，并由相機(jī)成像。

一旦圖像被捕獲后，用戶(hù)可以設(shè)置深度閾值，以便樣品從傳送帶和任何包裝中清晰地突出，之后系統(tǒng)自動(dòng)訓(xùn)練來(lái)識(shí)別產(chǎn)品（見(jiàn)圖3）。要做到這一點(diǎn)，用Blob分析算法識(shí)別包含樣品的點(diǎn)云區(qū)域。然后，該數(shù)據(jù)被分析和量化，以產(chǎn)生獨(dú)特的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。

圖3：一旦輸送機(jī)上的產(chǎn)品圖像已經(jīng)由相機(jī)捕獲，用戶(hù)可以設(shè)置深度閾值，以便樣品從傳送帶和任何包裝中清晰地突出。經(jīng)過(guò)這樣的流程，系統(tǒng)被訓(xùn)練來(lái)識(shí)別產(chǎn)品。

設(shè)置界面還允許用戶(hù)創(chuàng)建可以由機(jī)器人末端執(zhí)行器貼在產(chǎn)品上的標(biāo)簽的類(lèi)型和尺寸庫(kù)。此外，標(biāo)簽的圖像可以導(dǎo)入到該系統(tǒng)，以使得操作人員能夠在系統(tǒng)顯示器上看到標(biāo)簽的特性。

需要貼到產(chǎn)品上的標(biāo)簽數(shù)量和位置，也經(jīng)由軟件設(shè)置接口控制。雖然標(biāo)簽通常貼到產(chǎn)品的中心，但是多張標(biāo)簽的位置可以稍加移動(dòng)。為確定所選擇的標(biāo)簽的位置，拖放界面允許選擇標(biāo)簽，并拖拽到屏幕上產(chǎn)品模型的表面，放在所需的位置處。

然后，標(biāo)簽信息作為系統(tǒng)上該特定產(chǎn)品工藝流程的一部分被存儲(chǔ)。每個(gè)單獨(dú)的工藝流程確定什么類(lèi)型的產(chǎn)品將被識(shí)別，什么打印機(jī)應(yīng)該用于粘貼標(biāo)簽到產(chǎn)品上，以及用什么特定標(biāo)簽。產(chǎn)品上粘帖標(biāo)簽的位置和數(shù)量也可以定義。

編程界面讓用戶(hù)可以創(chuàng)建一組工藝流程，確定要識(shí)別的產(chǎn)品類(lèi)型，所需的標(biāo)簽種類(lèi)和尺寸，以及需要粘帖到產(chǎn)品上的何處。

訓(xùn)練方式和目標(biāo)識(shí)別不對(duì)產(chǎn)品的定位或外觀進(jìn)行任何假設(shè)。因此，該系統(tǒng)不受包裝的變化所影響，如盒子的尺寸、盒子中產(chǎn)品的數(shù)目以及受損的盒子。