摘要：卷煙廠制葉絲生產(chǎn)線上的翻箱機(jī)翻箱后，部分煙箱內(nèi)會(huì)殘留一定煙葉。為了實(shí)現(xiàn)殘留煙葉的智能吹掃，本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的煙箱智能吹掃系統(tǒng)。采用智能相機(jī)對(duì)煙葉進(jìn)行識(shí)別，生成煙葉的檢測(cè)模型，機(jī)器人根據(jù)煙葉檢測(cè)模型識(shí)別的殘留煙葉數(shù)據(jù)形成吹掃路徑，完成殘留煙葉的智能吹掃。另外，本文還介紹了系統(tǒng)的組成、殘留煙葉檢測(cè)原理和吹掃控制策略。

關(guān)鍵詞：煙箱；殘留煙葉；機(jī)器視覺(jué)；煙葉檢測(cè)；吹掃

一、引言

在卷煙廠制葉絲生產(chǎn)線上，真空回潮物流區(qū)域涉及到煙箱、翻箱機(jī)、松垛松把機(jī)等設(shè)備，翻箱機(jī)需要將煙箱內(nèi)的煙葉倒入松垛松把機(jī)中完成煙葉的輸送，翻箱機(jī)翻箱后，由于煙葉有一定的粘性，部分煙箱內(nèi)會(huì)殘留一定量的煙葉。殘留在煙箱內(nèi)的煙葉如果不及時(shí)清理，會(huì)再次進(jìn)入生產(chǎn)線的真空回潮設(shè)備中，多次回潮后不僅會(huì)使上次殘留的煙葉粘性更大，后續(xù)難以清理，還會(huì)影響煙絲的生產(chǎn)質(zhì)量。

目前，煙草行業(yè)一般通過(guò)人工清掃的方式對(duì)煙箱內(nèi)的殘留煙葉進(jìn)行清掃，在翻箱機(jī)旁邊配置專(zhuān)門(mén)清掃人員和手動(dòng)控制按鈕。當(dāng)清掃人員觀察到翻箱后的煙箱內(nèi)殘留較多煙葉時(shí)，按下手動(dòng)控制按鈕，翻箱機(jī)停止動(dòng)作；清掃人員利用長(zhǎng)柄掃把對(duì)煙箱底部進(jìn)行清掃，完成后再次按下手動(dòng)控制按鈕，翻箱機(jī)完成后續(xù)動(dòng)作，如圖1所示。

圖1 人工清除煙箱殘留煙葉

隨著企業(yè)不斷向著精細(xì)化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，非常有必要設(shè)計(jì)一種安全可靠的煙箱智能吹掃系統(tǒng)，以提高對(duì)煙箱內(nèi)殘留煙葉吹掃工序的智能化程度，避免人工干預(yù)造成質(zhì)量不穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，同時(shí)便于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄和分析。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的煙箱智能吹掃系統(tǒng)。

二、工作原理

本文設(shè)計(jì)的煙箱吹掃機(jī)器人和殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)擬布置在在制葉絲生產(chǎn)線的翻箱機(jī)和松垛松把機(jī)附近。殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)翻箱機(jī)倒料后的煙箱底部進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)殘留煙葉的位置和面積大小，并生成機(jī)器人需要的吹掃位置信息。吹掃機(jī)器人根據(jù)吹掃位置信息對(duì)煙箱底部進(jìn)行吹掃。吹掃完成后殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)煙箱底部進(jìn)行二次檢測(cè)，并判斷是否需要對(duì)煙箱進(jìn)行二次吹掃。系統(tǒng)將對(duì)每次檢測(cè)所獲的殘留煙葉位置與面積大小等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

為完成對(duì)殘留煙葉的識(shí)別，首先需要建立煙葉檢測(cè)的模型，檢測(cè)模型的建立過(guò)程如下：

1.按圖2所示，布置智能相機(jī)、矩陣光源和煙箱的位置，并在煙箱底部粘上真實(shí)的煙葉。

圖2 檢測(cè)模型硬件布置示意圖

2.智能相機(jī)對(duì)煙箱底部進(jìn)行拍照取樣，并標(biāo)識(shí)每處煙葉的HSV顏色值，記錄在智能相機(jī)中。

3.智能相機(jī)對(duì)煙箱上側(cè)面局部進(jìn)行拍照取樣，提取上側(cè)面局部的顏色亮度值，記錄在相機(jī)中。由于煙箱上側(cè)面局部不會(huì)殘留煙葉，所以可以利用上側(cè)面局部的亮度值作為矩陣光源亮度的參考值。

4.在智能相機(jī)中設(shè)置煙葉識(shí)別的最小面積和最大面積。最小面積的值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，如果相機(jī)識(shí)別的煙葉很小，可以忽略，不進(jìn)行吹掃。最大面積的值設(shè)置為煙箱底部的實(shí)際面積。

為完成機(jī)器人吹掃系統(tǒng)對(duì)殘留煙葉的智能吹掃，機(jī)器人需要知道殘留煙葉在煙箱底部的實(shí)際位置和面積，這里的位置和面積信息通過(guò)智能相機(jī)進(jìn)行采樣和計(jì)算。

機(jī)器人獲得殘留煙葉的位置和面積信息后，生成吹掃路徑。本設(shè)計(jì)將煙箱底部劃分成x行y列的多個(gè)矩形區(qū)域，如圖3所示，機(jī)器人根據(jù)煙葉在多個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)的分布情況，生成能夠覆蓋這些矩形區(qū)域的最優(yōu)吹掃路徑，完成殘留煙葉的吹掃。

圖3 煙箱底部分區(qū)示意圖

三、系統(tǒng)組成

煙箱智能吹掃系統(tǒng)由機(jī)器人吹掃系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)組成。

機(jī)器人吹掃系統(tǒng)安裝在機(jī)架上，并設(shè)置在煙箱側(cè)邊，可防止設(shè)備漏油對(duì)煙葉造成污染。智能相機(jī)和矩陣光源設(shè)置在煙箱前面，煙箱倒料后，煙箱底部正對(duì)智能相機(jī)和光源矩陣，控制柜與智能相機(jī)、矩陣光源和機(jī)器人連接，煙箱智能吹掃系統(tǒng)組成如圖4所示。

1.機(jī)器人吹掃系統(tǒng)

機(jī)器人吹掃系統(tǒng)由關(guān)節(jié)機(jī)器人和吹掃夾具組成，吹掃夾具固定在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)處，吹掃夾具由氣動(dòng)盒、接頭、直管和噴嘴組成，如圖4所示。吹掃夾具通過(guò)氣動(dòng)盒與機(jī)器人連接，氣動(dòng)盒內(nèi)部設(shè)有調(diào)壓元件，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)吹掃殘留煙葉的壓力。

圖4 煙箱智能吹掃系統(tǒng)組成

2.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人控制器、智能相機(jī)及光源、PLC及相關(guān)附件組成。其中智能相機(jī)負(fù)責(zé)采集圖像信號(hào)并檢測(cè)出煙箱煙葉殘留位置信息，工業(yè)機(jī)器人規(guī)劃吹掃路徑并控制夾具吹掃功能，PLC主要是將智能相機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)給工業(yè)機(jī)器人和上位機(jī)通信。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為提高智能相機(jī)提取殘留煙葉顏色特征的準(zhǔn)確性，采用矩陣光源，保證煙箱底部光照強(qiáng)度的均勻性。智能相機(jī)設(shè)置在矩陣光源的中心，有助于提高智能相機(jī)對(duì)殘留煙葉位置識(shí)別的準(zhǔn)確度。

3.殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)

殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)智能相機(jī)采集的煙箱底部圖像信息，計(jì)算出實(shí)際位置的殘料多少和大小，并通過(guò)路徑規(guī)劃算法結(jié)合物料信息得出機(jī)器人最優(yōu)吹掃策略。

殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，分為以下幾個(gè)步驟：

（1）智能相機(jī)對(duì)煙箱上側(cè)面局部進(jìn)行拍照采樣，得出該局部區(qū)域?qū)嶋H的亮度值，并與檢測(cè)模型的亮度值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果調(diào)整矩陣光源的亮度，以匹配檢測(cè)模型的亮度值。

（2）智能相機(jī)對(duì)煙箱底部進(jìn)行拍照取樣，根據(jù)檢測(cè)模型中記錄的煙葉的HSV顏色值，將煙箱底部實(shí)際的煙葉位置信息和面積標(biāo)記在煙箱底部劃分的矩形區(qū)域內(nèi)。

（3）機(jī)器人根據(jù)煙箱底部矩形區(qū)域內(nèi)殘留煙葉的位置信息和面積制定最優(yōu)的吹掃路徑完成煙葉的吹掃。

需要指出的是，煙箱倒料完成后，需要將煙箱翻轉(zhuǎn)到正對(duì)著智能相機(jī)和矩陣光源，如圖6所示。

圖6 殘留煙葉檢測(cè)測(cè)試圖

四、系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)殘留煙葉的識(shí)別率，按以下方法進(jìn)行了測(cè)試。

如圖7所示，在煙箱底部不同位置（m種不同的擺放）粘貼大小不一的殘料煙葉。

圖7殘留煙葉檢測(cè)測(cè)試圖

每處擺放拍照n次，共計(jì) mxn次，通過(guò)對(duì)比圖像軟件處理的信息與實(shí)際殘料信息是否一致，每處擺放正確識(shí)別的次數(shù)記數(shù)為a，并按以下公式計(jì)算：

如表1所示，經(jīng)過(guò)測(cè)試，殘留煙葉智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)殘留煙葉的識(shí)別率為96%，滿足系統(tǒng)要求。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在煙葉制絲生產(chǎn)線上，每次均能將煙箱內(nèi)殘留的煙葉吹掃干凈。使用煙箱智能吹掃系統(tǒng)之后，每次吹掃的時(shí)間≤35秒，大幅低于每次人工清掃花費(fèi)的時(shí)間（人工清掃約2分鐘）。

表1殘留煙葉的識(shí)別率記錄表

五、結(jié)論

基于機(jī)器視覺(jué)的煙箱智能吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用，替代人工檢測(cè)和清掃，避免了人工檢測(cè)容易出現(xiàn)疲勞而導(dǎo)致檢測(cè)效率降低的情況，通過(guò)自動(dòng)記錄所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)?shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，便于生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)了煙廠真空回潮物流區(qū)域煙箱翻箱后煙箱的智能吹掃、智能檢測(cè)功能，對(duì)提高煙葉制絲生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和智能化程度有著重要的意義。

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