專利名稱：基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種香蕉在線分級包裝流水線，尤其是一種適用于對整把香蕉進行在線實時檢測分級和包裝。
背景技術：
香蕉是世界上的四大水果之一，是熱帶地區(qū)超過40億人的重要營養(yǎng)來源，在國際鮮果市場上占有很重要的地位。中國是香蕉生產大國，2006年中國香蕉產量為689.94萬噸，排名世界第三，僅次于印度和巴西，到2010年我國的香蕉產量達到了 810萬噸。但是，中國的香蕉產業(yè)自動化水平較低，采后處理操作基本采用人工手動的方式完成，這極大地阻礙了中國香蕉工業(yè)的發(fā)展。在果品分級領域，目前已有間隙式分級裝置(專利申請?zhí)?200910028948.7;200520081227.X; 200420051012.9)和孔徑式分級裝置(專利申請?zhí)?201120222895.5;200920049609.2)等機械分級裝置；也有光電檢測噴氣式裝置(專利申請?zhí)?03273524.3)。但機械式和光電式的分級裝置僅能對水果的大小和重量進行分級。機器視覺技術能夠彌補以上不足之處，它可以模擬人眼視覺來實現(xiàn)水果形狀，顏色和缺陷等方面的檢測，因此產生了很多基于圖像處理技術的分級裝置(專利申請?zhí)?200620023204.8; 200920277331.4;02295073.7; 02136377.3; 201010247587.8; 200410065216.2)。但是，這些已有的機器視覺分級裝置都是針對果形為圓形和近圓形的水果。對于不規(guī)則果形的水果，目前已有穗狀水果分級的分級裝置(專利申請?zhí)?200710120255.1)。對于香蕉而言，雖有一些靜態(tài)的機器視覺檢測裝置(專利申請?zhí)?201220059147.4)可以適用，但由于其采后處理操作的特殊性和果形的不規(guī)則，在國內至今未有香蕉檢測分級的動態(tài)裝置，也未有相關的文獻報道。在國外可查的資料當中，有兩個專利(申請?zhí)?PCT/AU2008/00538; PCT/AU2010/001218)描述了針對香蕉檢測分級裝置，不過專利PCT/AU2008/00538中所涉及的裝置僅能實現(xiàn)整把香蕉的尺寸度量，未能實現(xiàn)其他指標的測量和香蕉的包裝操作；專利PCT/AU2010/001218雖涉及了香蕉的包裝操作，但其裝置只對香蕉果指適用，并不適合于整把香蕉。另外，以上兩個國際專利中的檢測分級部分都沒能與采后的清洗保鮮防腐操作相融合。此外，有很多學者通過更換機器視覺系統(tǒng)中的光源，實現(xiàn)了水果常規(guī)理化指標的檢測(Romano et al, 2011 ；Intaravanne et al, 2012)。由于香蕉形狀及包裝形式的特殊性，以上所很多涉及到的關于圓形或近圓形水果的自動包裝設備也就不能夠適用于香蕉的包裝，雖然國外專利PCT/AU2010/001218描述了一種香蕉果指的包裝設備，但是其并不適用于一把香蕉的包裝。

發(fā)明內容
為了解決以上的問題，填補國內外香蕉工業(yè)在線分級包裝生產線的研究空白，本發(fā)明提供了一種基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，該生產流水線可以實現(xiàn)香蕉清洗防腐保鮮操作和實時在線的品質檢測與分級，檢測指標包括:尺寸、形狀、顏色、缺陷和常規(guī)理化指標等，同時也可以根據(jù)所分等級實現(xiàn)香蕉的自動化包裝。本發(fā)明的技術方案如下:一種基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，由傳輸裝置、分級裝置、清洗保鮮裝置和包裝設備組成，分級裝置和清洗保鮮裝置通過傳輸裝置與包裝設備連接，其特點是:
1)分級裝置:包括配有壓力傳感器的斜滑道、光照箱、攝像機、光源、位置傳感器、裝配圖像采集卡及PLC控制模塊的計算機和分級執(zhí)行模塊，配有壓力傳感器的斜滑道將香蕉的重量信號通過傳輸路徑傳輸給PLC控制模塊的計算機，PLC控制模塊的計算機輸出起動信號給風機和噴灑器，觸發(fā)給風機和噴灑器工作；位置傳感器與攝像機連接，攝像機將位置傳感器獲取的香蕉位置拍攝成圖像，并通過傳輸路徑將圖像信號傳輸給PLC控制模塊的計算機；PLC控制模塊的計算機將圖像處理分析得到的等級信息信號與位置信息信號通過傳輸路徑傳輸給分級執(zhí)行模塊；
2)清洗保鮮裝置由清洗裝置和保鮮裝置組成，清洗裝置包括清洗水槽、帶網孔的托果盤、旋轉卸果軸、風干箱、風機、保鮮裝置包括噴灑防腐保鮮箱、噴灑器、帶網孔的傳輸帶、廢液槽；清洗水槽置于分級裝置之前，清洗水槽內裝有帶網孔的托果盤，帶網孔的托果盤內裝有旋轉卸果軸，且?guī)ЬW孔的托果盤和旋轉卸果軸分別與小型電機連接，風干箱和噴灑防腐保鮮箱分別設置在分級裝置的前、后端部上面，風干箱下面裝有帶網孔的傳輸帶，帶網孔的傳輸帶放置廢液槽，風干箱內裝風機，噴灑防腐保鮮箱內裝有噴灑器；
3)香蕉包裝設備:包括泡膜包裝機和瓦楞紙箱臺；
4)傳輸裝置由電動機、輸送皮帶、斜滑道、縱向傳輸分選區(qū)、分選區(qū)域、卸果斜滑道、縱向控制電機、泡膜覆蓋平臺和包裝卸果滑道組成；縱向傳輸分選區(qū)后面依次連接分選區(qū)域、卸果斜滑道，縱向傳輸分選區(qū)中的分選傳輸裝置與分級執(zhí)行模塊和縱向控制電機連接，用于對應等級的香蕉傳輸至相應等級的分選區(qū)域，卸果斜滑道后端連接泡膜覆蓋平臺，泡膜覆蓋平臺上裝有用于觸發(fā)泡膜包裝機落下泡膜覆蓋于香蕉表面的感應器，泡膜覆蓋平臺后面裝有包裝卸果滑道。傳輸路徑為無線或有線傳輸路徑。光源為激光或紫外線。清洗裝置為懸掛式清洗裝置，懸掛式清洗裝置由機架、滾動軸承支架、滾動軸承、吊耳、鈍金屬彎鉤、斜坡、清洗水槽和彈簧組成，機架上部裝有滾動軸承支架及滾動軸承，滾動軸承上裝有吊耳及用于懸掛香蕉的鈍金屬彎鉤，滾動軸承支架中間兩邊設有斜坡，連接兩個斜坡底部的滾動軸承支架上面設有彈簧，下面置有清洗水槽。本發(fā)明的有益效果是:I) 一種基于機器視覺的香蕉在線分級包裝生產線為不規(guī)則形狀、采后處理操作較為特殊和商品表現(xiàn)形式特別的水果的采后檢測分級包裝提供了一種解決思路，這是以往科技報道和相關文獻中沒有涉及的；2)本發(fā)明采用先讓分級完畢的香蕉裝箱，再折疊帶有密封塑料膜的瓦楞紙箱，然后進行之后的包裝操作，可以較大程度地節(jié)省包裝時間，提高自動化水平；3)本發(fā)明提供的裝置可以根據(jù)實際要求配置光照箱內的光學元件和光源，從而能夠全面檢測香蕉形狀、尺寸、顏色和缺陷等外觀品質與香蕉質構、PH和可溶性固形物等常規(guī)理化指標；4)本發(fā)明主要針對的是香蕉工業(yè)，如能做相關改進，也同樣適用于其他形狀不規(guī)則或采后處理操作較為特殊和商品表現(xiàn)形式特別的水果。


圖1是本發(fā)明結構布置 圖2是圖1的俯視 圖3是香蕉包裝設備的主視 圖4是圖3的俯視 圖5是懸掛式清洗裝置的結構示意 圖6是本發(fā)明中流水線可實現(xiàn)的工藝流程 圖7是圖像處理分析流程 圖8是最終箱內香蕉疊放形式示意圖。
具體實施例方式如圖1至圖4所示，本發(fā)明的基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，由傳輸裝置、分級裝置、清洗保鮮裝置和包裝設備組成。由圖2可知，本具體實施方式
以香蕉尺寸指標為例，根據(jù)實際情況將尺寸等級分為“小”、“中”和“大”三類別進行說明闡釋。此外，圖2將生產線的寬度擴展為大約四個香蕉果把的寬度大小進行說明。如圖1，2所示，傳輸裝置包括移動滑輪2、電動機3、輸送皮帶4、鏈輪5、斜滑道12、帶網孔的傳輸帶24、縱向傳輸分選區(qū)28、分選區(qū)域29、卸果斜滑道30、縱向控制電機31、泡膜覆蓋平臺34和包裝卸果滑道35。除縱向傳輸分選區(qū)28的動力由縱向控制電機31提供夕卜，帶網孔的傳輸帶24和其他輸送皮帶都由電動機3驅動。分級裝置包括配有壓力傳感器的斜滑道13、光照箱16、帶有無線網卡的攝像機17、光源18、位置傳感器19、裝配圖像采集卡及PLC控制模塊的計算機20和分級執(zhí)行模塊27。光源18為激光或紫外線。配有壓力傳感器的斜滑道13將香蕉的重量信號通過傳輸路徑21傳輸給PLC控制模塊的計算機20，PLC控制模塊的計算機20輸出起動信號給風機15和噴灑器23，觸發(fā)給風機15和噴灑器23工作；位置傳感器19與攝像機17連接，攝像機17將位置傳感器19獲取的香蕉位置拍攝成圖像，并通過傳輸路徑21將圖像信號傳輸給PLC控制模塊的計算機20 ；PLC控制模塊的計算機20將圖像處理分析得到的等級信息信號與位置信息信號通過傳輸路徑21傳輸給分級執(zhí)行模塊27 ;傳輸路徑21為無線或有線傳輸路徑。落梳修整后的香蕉經傳輸裝置輸送至配有壓力傳感器的斜滑道13，此時，香蕉的重量信息通過無線傳輸路徑21傳輸給工控機20，并觸發(fā)風機15及噴灑器23工作；位置傳感器19獲取香蕉的位置信息并觸發(fā)帶有無線網卡的攝像機17拍攝圖像，圖像通過無線傳輸路徑21傳輸給PLC控制模塊的計算機20 ；PLC控制模塊的計算機20將圖像處理分析得到的等級信息和位置信息通過無線傳輸路徑21傳輸給分級執(zhí)行模塊27。清洗保鮮裝置由清洗水槽7、帶網孔的托果盤9、旋轉卸果軸(10)、風干箱14、風機15、噴灑防腐保鮮箱22、噴灑器23、帶網孔的傳輸帶24、廢液槽25和水泵26組成。清洗水槽7置于分級裝置之間，清洗水槽7內裝有帶網孔的托果盤9，帶網孔的托果盤9內裝有旋轉卸果軸10，且?guī)ЬW孔的托果盤9和旋轉卸果軸10分別與小型電機連接，風干箱14和噴灑防腐保鮮箱22分別設置在分級裝置的前、后端部上面，風干箱14下面裝有帶網孔的傳輸帶24，帶網孔的傳輸帶24放置廢液槽25，風干箱14內裝風機15，噴灑防腐保鮮箱22內裝有噴灑器23。帶網孔的托果盤9和旋轉卸果軸10由小型電機驅動，香蕉通過斜滑道12落在帶網孔的托果盤9，再沿著托果盤移動路徑11進行移動，然后旋轉卸果軸10被觸發(fā)，香蕉滑到配有壓力傳感器的斜滑道13 ;清洗水槽7中的水在帶網孔的托果盤9的移動過程中經由帶網孔的托果盤9上的網孔落回清洗水槽7 ;帶網孔的傳輸帶24不同于輸送皮帶4，其表面帶有網孔并且其為難腐蝕材料；清洗水槽7和風干箱14位于光照箱16之前，噴灑防腐保鮮箱22則位于光照箱16之后。由圖3，4可知，香蕉包裝設備包括泡膜包裝機33和瓦楞紙箱臺36，其通過傳輸裝置與分級和清洗保鮮裝置銜接。與包裝設備銜接的傳輸裝置由縱向傳輸分選區(qū)28、分選區(qū)域29、卸果斜滑道30、泡膜覆蓋平臺34和包裝卸果滑道35組成。縱向傳輸分選區(qū)28后面依次連接分選區(qū)域29、卸果斜滑道30，縱向傳輸分選區(qū)28中的分選傳輸裝置與分級執(zhí)行模塊27和縱向控制電機31連接，用于對應等級的香蕉傳輸至相應等級的分選區(qū)域29，卸果斜滑道(30)后端連接泡膜覆蓋平臺34，泡膜覆蓋平臺34上裝有用于觸發(fā)泡膜包裝機33落下泡膜覆蓋于香蕉表面的感應器，泡膜覆蓋平臺34后面裝有包裝卸果滑道35。縱向傳輸分選區(qū)28由分級執(zhí)行模塊27和縱向控制電機31控制，將對應等級的香蕉傳輸至相應等級的分選區(qū)域29，再經卸果斜滑道30落于泡膜覆蓋平臺34，泡膜覆蓋平臺34裝有感應器(未畫出)，感應器感應到傳感信號變化后，觸發(fā)泡膜包裝機33落下泡膜38，覆蓋于香蕉表面，然后香蕉經過包裝卸果滑道35進入瓦楞紙箱臺36進行包裝；包裝時，瓦楞紙箱臺36上放置有未折疊的帶有塑料密封膜的瓦楞紙箱37，瓦楞紙箱臺36可以由電機驅動并根據(jù)香蕉的落點進行前后左右移動，使香蕉能夠落于瓦楞紙箱臺36上正確的位置。當分級完畢的香蕉放置滿未折疊的帶有塑料密封膜的瓦楞紙箱37時，再進行后續(xù)的瓦楞箱折疊、抽真空和貼標簽等操作。包裝完畢箱內香蕉的疊放形式如圖8所示，即香蕉果把以“小”、“中”、“大”的順序以疊羅漢的形式擺放，這樣可以大大減少香蕉在貯運過程中的損傷并能較大程度地利用提高包裝效率。圖5為懸掛式清洗裝置的結構示意圖，如擴展至整個生產線則可以作為鏈輪皮帶式傳輸裝置(圖1和圖2)的替代，兩種傳輸方式各有優(yōu)缺點，可以根據(jù)實際情況進行選擇。由圖5可知，懸掛式清洗裝置由機架1、滾動軸承支架40、滾動軸承41、吊耳42、鈍金屬彎鉤43、斜坡44、清洗水槽7和彈簧45組成。機架I上部裝有滾動軸承支架40及滾動軸承41，滾動軸承41上裝有吊耳42及用于懸掛香蕉的鈍金屬彎鉤43，滾動軸承支架40中間兩邊設有斜坡44，連接兩個斜坡44底部的滾動軸承支架40上面設有彈簧45，下面置有清洗水槽7。滾動軸承41的動力由電機提供，將懸掛著香蕉的鈍金屬彎鉤43沿著滾動軸承支架40移動，移動至兩個斜坡44中間區(qū)域，香蕉由于彈簧45被拉長而浸沒到清洗水槽7，清洗完畢后再由電機驅動沿斜坡44離開清洗水槽7。PLC控制模塊的計算機20內所安裝的圖像處理分析軟件的處理步驟如圖7所示。其中圖像壓縮和圖像格式轉換步驟為可選擇步驟，由所選擇的相機的屬性和軟件內置程序代碼的性質所決定。標準數(shù)據(jù)庫為在線流水線搭建之前由專家制定，圖像處理后所獲取的指標值或提取的特征值需要與專家數(shù)據(jù)值進行對比才能做出分級決策，此后分級決策結合位置信息傳輸給分級執(zhí)行模塊27，由它控制縱向傳輸分選區(qū)28將相應等級的香蕉送入相應等級的分選區(qū)域29。分級執(zhí)行模塊27可以根據(jù)流水線設計的要求選擇不同種類的下位機。本發(fā)明所涉及的香蕉在線分級包裝流水線能夠實現(xiàn)的采后操作如圖6所示。本技術領域中的技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明的目的，而并非用作對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明權利要求書的相當含義和實質范圍內作任何改變，及對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，由傳輸裝置、分級裝置、清洗保鮮裝置和包裝設備組成，分級裝置和清洗保鮮裝置通過傳輸裝置與包裝設備連接，其特征在于: 1)分級裝置:包括配有壓力傳感器的斜滑道(13)、光照箱(16)、攝像機(17)、光源(18)、位置傳感器(19)、裝配圖像采集卡及PLC控制模塊的計算機(20)和分級執(zhí)行模塊(27)，配有壓力傳感器的斜滑道(13)將香蕉的重量信號通過傳輸路徑(21)傳輸給PLC控制模塊的計算機(20)，PLC控制模塊的計算機(20)輸出起動信號給風機(15)和噴灑器(23)，觸發(fā)給風機(15)和噴灑器(23)工作；位置傳感器(19)與攝像機(17)連接，攝像機(17)將位置傳感器(19)獲取的香蕉位置拍攝成圖像，并通過傳輸路徑(21)將圖像信號傳輸給PLC控制模塊的計算機(20) ;PLC控制模塊的計算機(20)將圖像處理分析得到的等級信息信號與位置信息信號通過傳輸路徑(21)傳輸給分級執(zhí)行模塊(27)； 2)清洗保鮮裝置由清洗裝置和保鮮裝置組成，清洗裝置包括清洗水槽(7)、帶網孔的托果盤(9)、旋轉卸果軸(10)、風干箱(14)、風機(15)、保鮮裝置包括噴灑防腐保鮮箱(22)、噴灑器(23)、帶網孔的傳輸帶(24)、廢液槽(25);清洗水槽(7)置于分級裝置之前，清洗水槽⑵內裝有帶網孔的托果盤(9)，帶網孔的托果盤(9)內裝有旋轉卸果軸(10)，且?guī)ЬW孔的托果盤(9)和旋轉卸果軸(10)分別與小型電機連接，風干箱(14)和噴灑防腐保鮮箱(22)分別設置在分級裝置的前、后端部上面，風干箱(14)下面裝有帶網孔的傳輸帶(24)，帶網孔的傳輸帶(24)放置廢液槽(25)，風干箱(14)內裝風機(15)，噴灑防腐保鮮箱(22)內裝有噴灑器(23)； 3)香蕉包裝設備:包括泡膜包裝機(33)和瓦楞紙箱臺(36)； 4)傳輸裝置由電動機(3)、輸送皮帶(4)、斜滑道(12)、縱向傳輸分選區(qū)(28)、分選區(qū)域(29)、卸果斜滑道(30)、縱向控制電機(31)、泡膜覆蓋平臺(34)和包裝卸果滑道(35)組成；縱向傳輸分選區(qū)(28)后面依次連接分選區(qū)域(29)、卸果斜滑道(30)，縱向傳輸分選區(qū)(28)中的分選傳輸裝置與分級執(zhí)行模塊(27)和縱向控制電機(31)連接，用于對應等級的香蕉(6)傳輸至相應等級的分選區(qū)域(29)，卸果斜滑道(30)后端連接泡膜覆蓋平臺(34)，泡膜覆蓋平臺(34)上裝有用于觸發(fā)泡膜包裝機(33)落下泡膜覆蓋于香蕉表面的感應器，泡膜覆蓋平臺(34)后面裝有包裝卸果滑道(35)。
2.根據(jù)權利I所述的基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，其特征在于:所述傳輸路徑(21)為無線或有線傳輸路徑。
3.根據(jù)權利I所述的基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，其特征在于:所述光源(18)為激光或紫外線。
4.根據(jù)權利I所述的基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，其特征在于:所述清洗裝置為懸掛式清洗裝置，懸掛式清洗裝置由機架(I)、滾動軸承支架(40)、滾動軸承(41)、吊耳(42)、鈍金屬彎鉤(43)、斜坡(44)、清洗水槽(7)和彈簧(45)組成，機架(I)上部裝有滾動軸承支架(40)及滾動軸承(41),滾動軸承(41)上裝有吊耳(42)及用于懸掛香蕉的鈍金屬彎鉤(43)，滾動軸承支架(40)中間兩邊設有斜坡(44)，連接兩個斜坡(44)底部的滾動軸承支架(40)上面設有彈簧(45)，下面置有清洗水槽(7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于機器視覺的香蕉在線分級包裝流水線，由傳輸裝置、分級裝置、清洗保鮮裝置和包裝設備組成，分級裝置和清洗保鮮裝置通過傳輸裝置與包裝設備連接。通過分級裝置中的計算機視覺系統(tǒng)可以檢測經清洗吹干后的香蕉形狀、尺寸、顏色和缺陷等外觀品質。此外，更換光照箱內的光源(如采用激光和紫外線等)，還能實現(xiàn)香蕉質構、pH和可溶性固形物等常規(guī)理化指標的檢測。工控機可以綜合外觀及理化指標判定香蕉等級，等級信息和由位置傳感器獲得的位置信息由無線模塊傳輸?shù)椒旨増?zhí)行模塊。不同級別的香蕉通過執(zhí)行模塊分選到對應的卸果滑道，進入包裝設備進行裝箱。該裝置能夠對香蕉進行采后批量檢測分級和包裝，提高香蕉工業(yè)的自動化水平。
文檔編號B65B25/04GK103143508SQ20131008231
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者胡孟晗, 董慶利, 劉寶林 申請人:上海理工大學