CN112742741A - 一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备及识别分拣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，包括PLC主控制器、图像处理***、输送导轨和设置于导轨上方的放料装置，还包括设置在所述输送导轨上的背景板、剥蚕丝机构、图像采集装置和分拣机构。本发明设备自动化程度高，实现了自动识别与分拣雌雄蚕蛹的功能，为自动识别技术应用于实际设备中提供了硬件设备基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备及识别分拣方法，属于智能控制技术领域。
背景技术
随着我国蚕业的发展，传统蚕桑行业逐渐转型升级，为进一步促进桑蚕产业智能化的发展，从事蚕桑养殖的人们开始对提升家蚕的品种优势展开研究。家蚕杂交的前提是纯种蚕蛹的雌雄性别识别，然后通过杂交技术将一个品种的雄蛹和另一个品种的雌蛹进行配种培育出优势新品种。在蚕种生产中，家蚕化蛹的时间大约为一个星期，因此在短时间内必须完成鉴别及分拣雌雄蚕蛹的工作，而蚕桑企业通常是雇佣农村的低成本短期工来人工识别和分拣雌雄蚕蛹，其人工分拣的准确率无法控制。
而工业4.0的到来，随着工业自动化、智能化和信息化的高速发展，自动控制正在逐步取代传统的人工控制。在工业生产中，智能机器人在解决企业劳动力不足、提高企业劳动生产率和降低生产成本方面有着显著的意义。物料分拣机器人是现代自动化生产不可缺少的工具，其功能是将不同类型的物料或工件分类抓取后放置指定位置。物料分拣机器人的分拣流程一般为识别、定位、抓取和放置四个阶段，自动化、智能化的分拣装置在烟草、医药、食品、化工等行业应用非常广泛。目前有相关自动分拣设备应用于蚕蛹分拣，但是目前设备检测智能化分辨的准确率较低，还需要人工辅助完成。
鉴于上述情况，急需研发一款适用于蚕茧雌雄分辨的高精度智能化识别分拣设备。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供工作可靠性强、分拣精度高的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备及其识别分拣方法。
技术方案：一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，包括PLC主控制器、图像处理***、输送导轨和设置于导轨上方的放料装置，其特征在于：还包括设置在所述输送导轨上的背景板、剥蚕丝机构、图像采集装置和分拣机构；
所述剥蚕丝机构包括第一气动推杆和设置在第一气动推杆气动座上的切削刀片，所述第一气动推杆端部固定安装有动力驱动装置，所述动力驱动装置的输出轴与第一转轴的一端连接，所述第一转轴的另一端固定安装有负压吸盘；
所述图像采集装置包括箱体、水平设置在箱体内的背景板和分别设置在箱体顶部和底部的第一摄像头、第二摄像头，所述箱体顶部为半球面内壁，底部设有光源；所述箱体内背景板的两侧上方设有电磁铁，下方相应位置分别连接有弹簧片；
所述分拣机构包括设置在所述导轨上的第一出料口、第二出料口，位于两出料口处设有与伺服电机传动连接的第二转轴，所述第二转轴上安装有挡臂；
所述第一气动推杆、电磁铁、第一摄像头、第二摄像头、伺服电机以及图像处理***分别与PLC主控制器通讯连接。
本发明进一步限定的技术方案为：还包括设置在放料装置和剥蚕丝机构位置附近的第一、第二位置接近开关。
进一步的，还包括设置在图像采集装置和输送导轨位置附近的第三位置接近开关、第四位置接近开关。
进一步的，还包括设置在分拣机构处和输送导轨位置附近的第五位置接近开关和第六位置接近开关。
进一步的，所述放料装置包括放料斗，所述放料斗分为蚕茧集中区和分离区，所述集中区和分离区之间设置有分离式推杆，所述分离式推杆采用等距栅形推杆。
进一步的，所述刀片通过固定安装于第一气动推杆气动座上的驱动电机驱动旋转。
本发明还保护了一种蚕蛹雌雄自动识别分拣方法，上述蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：包括以下几个步骤：
第一步，通过放料装置内的分离式推杆将集中区内的蚕茧分离，经放料斗的落料口落入输送导轨上；
第二步，第一位置接近开关位于第一转轴正下方的导轨旁，当第一位置接近开关检测到该位置即第一转轴正下方的导轨上有蚕茧时，导轨停止，同时将检测信号传输至PLC主控制器，所述PLC主控制器发送命令至第一气动推杆，所述第一气动推杆带动第一转轴下降，所述动力驱动装置驱动转轴旋转使负压吸盘吸附蚕茧；所述第一气动推杆回缩至初始位置后，所述动力驱动装置驱动转轴旋转180°至负压吸盘转至上方刀片位置，所述驱动电机驱动刀片旋转切削蚕茧；所述动力驱动装置驱动转轴旋转180°将蚕蛹倒至输送导轨上；此时导轨将蚕蛹向前输送，第二位置接近开关检测到蚕蛹经过，剥蚕丝的蚕蛹计数加一；
第三步，导轨将蚕蛹输送至图像采集装置，第三位置接近开关位于图像采集装置中背景板中间位置，其检测到输送导轨中输送至图像采集装置处的蚕茧单体，导轨停止，开始进行蚕蛹图像采集；通过控制电磁铁间断性吸附背景板下方的弹簧片使得蚕蛹在背景板上随机移动翻转，同时箱体内的顶部和底部摄像头分别对蚕蛹表面特征进行捕捉拍照采样，可以得到蚕茧不同位姿的图像，并将采集到的图像信息传送至图像处理***进行蚕蛹的雌雄识别，并将识别结果发送至PLC主控制器；图像采集完成后，导轨恢复移动，将蚕蛹送出图像采集装置，会经过图像采集装置出口处的第四位置接近开关，第四位置接近开关检测蚕蛹样本经过，蚕蛹图像采集计数加一；
第四步，导轨将蚕蛹输送至分拣机构，第五位置接近开关位于分拣机构入口，第五位置检测到根据采集的图像进行雌雄识别后的蚕蛹经过，计数加一，同时PLC主控制器根据该计数从获取对应的蚕蛹个体的雌雄识别结果控制伺服电机旋转，通过控制挡臂的角位移将蚕茧推入对应的出料口，以完成不同性别蚕茧的分拣，第六位置接近开关位于雌蛹出料口，当检测到蚕蛹经过时，雌蛹计数加一；以完成不同性别蚕茧的分拣。
接近开关的计数用于检验蚕蛹识别和分拣过程的正确性。第二、四位置接近开关的最后计数应该相等，表示蚕蛹样本无漏采集错误。第六位置接近开关计数应与雌蛹识别结果计数相同，表示蚕蛹雌雄无错分拣。
本发明的工作原理为：利用导轨小车将蚕蛹运送至各个执行机构，然后将待识别的蚕蛹放置于导轨小车中，当导轨小车在轨道上运行时，电脑、工业相机、暗箱和接近开关等对小车中的蚕蛹正反面进行拍摄并将获取到的图像传送至电脑进行性别识别，最后利用蚕蛹分拣控制机构将已识别的蚕蛹从小车中取出并放置于雌蛹收集装置或雄蛹收集装置中。
有益效果：与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明设备自动化程度高，实现了自动识别与分拣雌雄蚕蛹的功能，为自动识别技术应用于实际设备中提供了硬件设备基础。
2）本发明的剥蚕丝机构将气动推杆、负压吸盘及旋切刀片的全自动控制实现了蚕茧和蚕蛹的快速分离，节约了人工成本。
3）将电脑、工业相机、暗箱和接近开关等设备关联共同完成对输送轨道中的蚕蛹正反面进行拍摄并将获取到的图像传送至计算机进行雌雄识别的高精度识别，大大提高了蚕蛹性别识别的准确率。
4）通过对挡臂的角位移的控制，快速将不同性别的蚕蛹进行分类收集，同时将少数未识别到的蚕蛹重新回输送至暗箱进行图像采样再识别。
附图说明
图1是本发明实施例中蚕蛹雌雄自动识别与分拣设备平面图；
图2是本发明实施例中图像采集装置的箱体结构图；
图3是本发明实施例中分离式推杆示意图；
图4是本发明实施例中剥蚕丝机构结构图
图5是本发明实施例中分拣机构结构图
图6是本发明实施例的PLC控制***的框架图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1-6所示，本实施例提供一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，至少包括PLC主控制器15、图像处理***、输送导轨4、设置于输送导轨4上方的放料装置1、设置在输送导轨上的剥蚕丝机构5、图像采集装置7和分拣机构；
剥蚕丝机构5包括第一气动推杆21和设置在第一气动推杆气动座上的切削刀片27，第一气动推杆端部固定安装有动力驱动装置，动力驱动装置的输出轴与第一转轴28的一端连接，第一转轴的另一端固定安装有负压吸盘25。
图像采集装置包括黑箱体6、水平设置在黑箱体内的背景板和分别设置在箱体顶部和底部的第一摄像头16、第二摄像头17，箱体顶部为半球面内壁，底部设有LED光源；黑箱内背景板20的两侧上方设有电磁铁18，下方相应位置分别连接有弹簧片19。
分拣机构包括设置在输送导轨上的第一出料口30-1、第二出料口30-2，位于两出料口处设有与伺服电机传动连接的第二转轴29，第二转轴上安装有挡臂30；
本实施例还包括设置在放料装置和剥蚕丝机构位置附近的第一位置接近开关3、第二位置接近开关8。其中第一位置接近开关3位于剥蚕丝机构第一转轴正下方的与导轨水平的位置，用于检测蚕茧到达剥茧丝机构等待位置.第二位置接近开关8。位于剥茧丝机构出口位置，用于完成剥茧丝后的蚕蛹的计数。
本实施例还包括设置在图像采集装置和输送导轨位置附近的第三位置接近开关9、第四位置接近开关10。其中，第三位置接近开关9位于图像采集装置的中间位置，用于检测蚕蛹到达图像采集装置指定位置等待采集。第四位置接近开关10位于图像采集装置出口处，用于统计以及编号经过图像采集的蚕蛹，为后面蚕蛹分拣提供依据。
本实施例还包括设置在分拣机构处和输送导轨位置附近的第五位置接近开关12和第六位置接近开关11。第五位置接近开关12位于分拣机构入口，用于检测蚕蛹进入待分拣位置，同时获取待分拣蚕蛹的序号来获取雌雄检测的结果。第六位置接近开关位于雌蛹出料口，用于雌蛹分拣的计数。
第二、第四及第六位置接近开关将到位信号会传送到PLC主控制器，由控制器进行处理和计数。
本实施例的刀片通过固定安装于第一气动推杆气动座上的驱动电机驱动旋转。
本实施例中的第一气动推杆、电磁铁、第一摄像头、第二摄像头、伺服电机、图像处理***以及所有的位置接近开关均与PLC主控制器通讯连接。
本实施例还公开了上述设备具体的识别分拣方法，具体包括如下几个步骤：第一步，放料装置放料
蚕茧通过放料装置1进入分离式推杆处实现蚕茧丝的初步分离，在蚕茧集中区，通过第一气动推杆21推动固定间隔的分离式推杆栅栏22从蚕茧堆的边缘向外分离出离散蚕茧23，分离栅栏将离散蚕茧推动至放料出口24后落至传送导轨4，如图3所示。
第二步，剥蚕丝步骤
为得到蚕蛹的单体样本，传送导轨将分离的蚕茧输送至剥蚕丝机构5,如图4所示，当第一位置接近开关3检测到导轨上有蚕茧输送到切削工位时，第一气动推杆26由位置26-2下降至26-1，同时负压吸盘25吸附单个蚕茧样本后，第一气动推杆26由位置26-1恢复至26-2，负压吸盘25随第一转轴28旋转180度至切削刀片27位置，并斜口切割蚕茧，然后负压吸盘25 随第一转轴28旋转180度恢复原位，将蚕蛹倒出至传送导轨。
第三步，图像采集处理
为得到与背景分离的的蚕蛹图像样本，第三接近开关9检测到导轨上有蚕蛹单体被送入图像采集装置。图像采集装置7采用黑箱结构6，最大程度上减少外界环境的干扰，在黑箱中，使用了球积分光源，即需要设计使得黑箱的结构包含具有积分效果的半球面内壁，可以均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像的照度十分均匀，而底部安装的光源使用LED白色光源。同时，由于化茧期的蚕蛹体态颜色主要为黄褐色，为快速区分背景与目标蚕蛹，暗箱内表面采用纯白颜色。设计使得单只蚕蛹在图像采集装置中停留1s，图像采集频率设置为30frame/s。
进一步，为得到蚕蛹的腹部图像，暗室内通过顶部摄像头16和底部摄像头17分别对蚕蛹进行拍照采样，单个摄像头可以采集到蚕蛹180度的图像，两个摄像头可以对蚕蛹进行360度的表面特征捕捉。同时，考虑到蚕蛹在背景板20上的姿态不定，通过电磁铁18间断性地吸引连接背景板的弹簧片19实现背景板的间断性震动，使得背景板20上的蚕蛹进行多次的姿态变化，最终采集到位姿相对较好的腹部图像。
进一步，摄像头将采集到的图像信息传送至图像处理***进行蚕蛹的雌雄识别，并将识别结果发送至PLC主控制器；本实施例中采用的蚕蛹雌雄识别的图像处理方法已经在另外一件专利申请保护，在次不再赘述。
进一步，被采集过图像样本的蚕蛹顺导轨传送到分类***，如图5所示，第五位置接近开关12检测到识别完成的蚕蛹到达待分类区13时，开始对该蚕蛹的分类，其中待分类区13中由伺服转轴29和分类旋转挡臂30组成，伺服转轴29由雌雄蚕蛹识别的算法结果和PLC主控制器15 控制，由角位移决定挡臂处于雌蛹通道30-2或雄蛹通道30-1，两通道分别对应于蚕蛹的雌雄分类结果收集装置14，在雌蛹通道30-2出口处有第六位置接近开关11检测雌蛹分拣经过并统计雌蛹分拣数量。
该雌雄蚕蛹自动分类设备，导轨以逆时针运动实现蚕茧和蚕蛹按顺序在各个***之间运输。同时，***中未识别雌雄性别的蚕蛹将会随导轨重新回到暗箱进行图像采样再识别。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，包括PLC主控制器、图像处理***、输送导轨和设置于导轨上方的放料装置，其特征在于：还包括设置在所述输送导轨上的背景板、剥蚕丝机构、图像采集装置和分拣机构；
所述剥蚕丝机构包括第一气动推杆和设置在第一气动推杆气动座上的切削刀片，所述第一气动推杆端部固定安装有动力驱动装置，所述动力驱动装置的输出轴与第一转轴的一端连接，所述第一转轴的另一端固定安装有负压吸盘；
所述图像采集装置包括箱体、水平设置在箱体内的背景板和分别设置在箱体顶部和底部的第一摄像头、第二摄像头，所述箱体顶部为半球面内壁，底部设有光源；所述箱体内背景板的两侧上方设有电磁铁，下方相应位置分别连接有弹簧片；
所述分拣机构包括设置在所述导轨上的第一出料口、第二出料口，位于两出料口处设有与伺服电机传动连接的第二转轴，所述第二转轴上安装有挡臂；
所述第一气动推杆、电磁铁、第一摄像头、第二摄像头、伺服电机以及图像处理***分别与PLC主控制器通讯连接。
2.根据权利要求1所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：还包括设置在放料装置和剥蚕丝机构位置附近的第一、第二位置接近开关。
3.根据权利要求2所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：还包括设置在图像采集装置和输送导轨位置附近的第三位置接近开关、第四位置接近开关。
4.根据权利要求3所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：还包括设置在分拣机构处和输送导轨位置附近的第五位置接近开关和第六位置接近开关。
5.根据权利要求4所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：所述放料装置包括放料斗，所述放料斗分为蚕茧集中区和分离区，所述集中区和分离区之间设置有分离式推杆，所述分离式推杆采用等距栅形推杆。
6.根据权利要求5所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：所述刀片通过固定安装于第一气动推杆气动座上的驱动电机驱动旋转。
7.一种蚕蛹雌雄自动识别分拣方法，适用权利要求6所述的蚕蛹雌雄自动识别分拣设备，其特征在于：包括以下几个步骤：
第一步，通过放料装置内的分离式推杆将集中区内的蚕茧分离，经放料斗的落料口落入输送导轨上；
第二步，第一位置接近开关位于第一转轴正下方的导轨旁，当第一位置接近开关检测到该位置即第一转轴正下方的导轨上有蚕茧时，导轨停止，同时将检测信号传输至PLC主控制器，所述PLC主控制器发送命令至第一气动推杆，所述第一气动推杆带动第一转轴下降，所述动力驱动装置驱动转轴旋转使负压吸盘吸附蚕茧；所述第一气动推杆回缩至初始位置后，所述动力驱动装置驱动转轴旋转180°至负压吸盘转至上方刀片位置，所述驱动电机驱动刀片旋转切削蚕茧；所述动力驱动装置驱动转轴旋转180°将蚕蛹倒至输送导轨上；此时导轨将蚕蛹向前输送，第二位置接近开关检测到蚕蛹经过，剥蚕丝的蚕蛹计数加一；
第三步，导轨将蚕蛹输送至图像采集装置，第三位置接近开关位于图像采集装置中背景板中间位置，其检测到输送导轨中输送至图像采集装置处的蚕茧单体，导轨停止，开始进行蚕蛹图像采集；通过控制电磁铁间断性吸附背景板下方的弹簧片使得蚕蛹在背景板上随机移动翻转，同时箱体内的顶部和底部摄像头分别对蚕蛹表面特征进行捕捉拍照采样，可以得到蚕茧不同位姿的图像，并将采集到的图像信息传送至图像处理***进行蚕蛹的雌雄识别，并将识别结果发送至PLC主控制器；图像采集完成后，导轨恢复移动，将蚕蛹送出图像采集装置，会经过图像采集装置出口处的第四位置接近开关，第四位置接近开关检测蚕蛹样本经过，蚕蛹图像采集计数加一；
第四步，导轨将蚕蛹输送至分拣机构，第五位置接近开关位于分拣机构入口，第五位置检测到根据采集的图像进行雌雄识别后的蚕蛹经过，计数加一，同时PLC主控制器根据该计数从获取对应的蚕蛹个体的雌雄识别结果控制伺服电机旋转，通过控制挡臂的角位移将蚕茧推入对应的出料口，以完成不同性别蚕茧的分拣，第六位置接近开关位于雌蛹出料口，当检测到蚕蛹经过时，雌蛹计数加一；以完成不同性别蚕茧的分拣。
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