基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法技术

本发明专利技术涉及白酒和醋的酿造技术领域，公开了一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，包括醅料取料机器人醅料取料安全作业区域规划、醅料取料量表征和机器人快速取料策略三部分。本发明专利技术提供的方法实现了传统地缸固态发酵生产过程中醅料出缸作业自动化，降低了工人劳动强度，提高了取料效率。其可用于各种固态发酵生产行业中的醅料出缸作业，具有适用性广并可提高效益的优点。性广并可提高效益的优点。性广并可提高效益的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法


[0001]本专利技术涉及白酒和醋的酿造
，具体涉及适用于传统地缸固态发酵生产过程中醅料出缸环节的一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，为各行业缸中醅料出缸作业提供了方法。

技术介绍

[0002]清香型白酒采用地缸发酵，密集分布于发酵车间。目前地缸出醅工序，一般都由工人用铁掀将醅料铲出后装入行车吊斗或运料车中，这种作业方式醅料出缸过程缓慢，工人工作环境差，劳动强度大，是限制白酒生产效率的一个重要因素。国内外针对该环节的取料机器人尚无法满足行业需求，大部分企业仍依赖人工作业。因此，设计一种自动化醅料出缸作业方法具有较大的应用前景和经济价值，申请人研发出醅料取料机器人(CN216328365U，一种用于地缸发酵工艺的取料复合机器人)可代替人工进行醅料出缸作业，实现传统酿造行业的智能化发展。但是，在机器人取料过程中，地缸口为圆形、开口小、发酵时埋于地下、缸口与地面相平、地缸壁强度低等复杂的作业环境制约着醅料出缸作业自动化，为此针对醅料取料机器人快速醅料出缸策略规划，避免地缸受损，设计一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的问题是针对现有技术的不足，提供一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0005]一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，对醅料取料机器人醅料取料安全作业区域进行规划；
[0007]步骤2，对醅料取料量进行表征；
[0008]步骤3，设计机器人末端取料装置预设取料点、取料方向和取料深度，规划机器人快速取料策略，实现传统地缸固态发酵生产过程中醅料出缸环节的全自动化作业。
[0009]进一步的，所述步骤1的具体实现方式如下：
[0010]步骤1.1，设计醅料取料机器人1:1数字化虚拟调试平台，最大程度上模拟实际工业物理环境下的机器人醅料取料作业；
[0011]步骤1.2，根据机器人末端取料装置结构，对醅料取料机器人末端取料装置挖斗取料轨迹进行分析；
[0012]步骤1.3，避免取料过程中取料装置与缸壁发生碰撞，根据挖斗结构和挖斗翻转取料轨迹，分析测量挖斗尺寸参数：包括挖斗斗长、斗深、斗宽和斗背长；
[0013]步骤1.4，根据挖斗和地缸的尺寸参数，以及挖斗取料轨迹，在对缸壁边缘醅料取料和避免碰撞缸壁的前提下，对机器人醅料取料安全作业区域进行规划。
[0014]进一步的，所述步骤1.2的具体过程为：首先，机器人控制末端取料装置到达取料
点上方中间路径点，再控制末端取料装置使得挖斗竖直插入醅料中固定深度，然后，控制电缸使得挖斗翻转至水平，完成醅料取料工作，再控制末端取料装置使得挖斗竖直提出地缸至中间路径点，最后运行到运料车上方进行挖斗翻转放料，从而实现醅料取料放料过程；
[0015]进一步的，所述步骤1.4的具体过程为：基于醅料取料机器人取料轨迹和作业环境，在醅料取料机器人数字化虚拟调试平台中分析机器人安全作业条件，根据安全作业条件，将地缸内部构造视为圆台，使得挖斗前沿与缸壁留有一定的安全裕度，根据采集到的地缸深度图像，将醅料表面视为平面处理，即醅料取料平面，计算缸中醅料取料平面距离相机平面的距离h，计算得到此时地缸中醅料取料平面实际半径r，计算方式如下：
[0016][0017]式中，α为缸壁倾斜角；d
p
为地缸深度；r
m
为地缸缸口实际半径；r
b
为缸底实际半径；c
h
为相机离地缸口平面的距离；
[0018]以挖斗斗长l
b
为基准，确定醅料取料安全作业区域，即保证安全取料作业过程中，取料点相对于此时醅料取料平面中心的距离b，计算方式如下：
[0019]b＝r
‑
l
b
/sinα。
[0020]进一步的，所述步骤2的具体过程为：
[0021]步骤2.1，采用结构光深度相机作为醅料取料机器人的视觉感知系统，采集取料前、后地缸的RGB图和深度图；
[0022]步骤2.2，对地缸RGB图像先进行预处理，然后进行边缘检测，提取地缸口内边缘轮廓近似拟合圆；
[0023]步骤2.3，求解地缸图像实际区域面元s；
[0024]步骤2.4，对步骤2.1的地缸深度图像进行预处理：基于深度图中缸中醅料区域空洞点的邻域信息，以邻域信息中深度值最大值对缸中醅料区域空洞点进行填充，并将深度图对齐到彩色图像；
[0025]步骤2.5，根据步骤2.2得到的地缸口内边缘轮廓近似拟合圆制作掩膜，对步骤2.2和2.4的地缸RGB图和深度图进行图像分割，提取地缸口区域内图像；
[0026]步骤2.6，遍历分割得到的地缸口区域内深度图，对地缸口区域内进行点云重建，并根据RGB图进行颜色映射，依据的表达式如下：
[0027][0028]式中，d为地缸口区域内深度图中各像素点深度值，(u,v)对应的像素点坐标；(x,y,z)为相机坐标系下地缸口区域内深度图各点对应的坐标；f
x
、f
y
、c
x
、c
y
为相机内参；c为地缸口区域内深度图缩放因子；
[0029]步骤2.7，为弥补机器人控制精度问题，通过图像配准将取料作业前、后的地缸口区域内点云数据统一到同一坐标系下；
[0030]步骤2.8，对比取料作业前、后地缸中醅料表面分布点云数据变化情况，实现醅料
取料量测算。
[0031]进一步的，所述步骤3的具体实现方式为：
[0032]步骤3.1，在图像采集位姿下采集取料前地缸RGB图和深度图，得到地缸口区域内点云，建立图像采集位姿下空缸点云模型，设置地缸空缸点云为目标点云，地缸口区域内点云为输入点云，设置两组点云中的对应点间允许的距离阈值，进行点云求差异，得到醅料点云；
[0033]步骤3.2，提取记录醅料点云中的深度数据，并转化为以毫米为单位，进行直方图统计，以直方图最大值为基准，滤除掉缸壁黏着醅料，对剩余醅料数据统计分析，求取平均值h，将醅料表面视为平面处理，h为此时醅料取料平面距离相机平面的距离；
[0034]步骤3.3，根据醅料取料平面深度，估计醅料余料高度，以挖斗斗长为基准设置醅料余料高度阈值，如果当前醅料余料高度低于阈值，则认为醅料取料作业结束，否则，继续进行取料作业；
[0035]步骤3.4，根据步骤1.4确定醅料取料作业取料点相对于此时醅料取料平面中心的距离b，再进行比例转换得到图像中地缸像素坐标下的距离b
i
，比例转换依据的表达式如下：
[0036][0037]式中，为图像中地缸口内边缘直径；D为实际地缸口内边缘直径；
[0038]步骤3.5，以挖斗对缸壁边缘处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对醅料取料机器人醅料取料安全作业区域进行规划；步骤2，对醅料取料量进行表征；步骤3，设计机器人末端取料装置预设取料点、取料方向和取料深度，规划机器人快速取料策略，实现传统地缸固态发酵生产过程中醅料出缸环节的全自动化作业。2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现方式如下：步骤1.1，设计醅料取料机器人1:1数字化虚拟调试平台，最大程度上模拟实际工业物理环境下的机器人醅料取料作业；步骤1.2，根据机器人末端取料装置结构，对醅料取料机器人末端取料装置挖斗取料轨迹进行分析；步骤1.3，避免取料过程中取料装置与缸壁发生碰撞，根据挖斗结构和挖斗翻转取料轨迹，分析测量挖斗尺寸参数：包括挖斗斗长、斗深、斗宽和斗背长；步骤1.4，根据挖斗和地缸的尺寸参数，以及挖斗取料轨迹，在对缸壁边缘醅料取料和避免碰撞缸壁的前提下，对机器人醅料取料安全作业区域进行规划。3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，其特征在于，所述步骤1.2的具体过程为：首先，机器人控制末端取料装置到达取料点上方中间路径点，再控制末端取料装置使得挖斗竖直插入醅料中固定深度，然后，控制电缸使得挖斗翻转至水平，完成醅料取料工作，再控制末端取料装置使得挖斗竖直提出地缸至中间路径点，最后运行到运料车上方进行挖斗翻转放料，从而实现醅料取料放料过程；所述步骤1.4的具体过程为：基于醅料取料机器人取料轨迹和作业环境，在醅料取料机器人数字化虚拟调试平台中分析机器人安全作业条件，根据安全作业条件，将地缸内部构造视为圆台，使得挖斗前沿与缸壁留有一定的安全裕度，根据采集到的地缸深度图像，将醅料表面视为平面处理，即醅料取料平面，计算缸中醅料取料平面距离相机平面的距离h，计算得到此时地缸中醅料取料平面实际半径r，计算方式如下：式中，α为缸壁倾斜角；d
p
为地缸深度；r
m
为地缸缸口实际半径；r
b
为缸底实际半径；c
h
为相机离地缸口平面的距离；以挖斗斗长l
b
为基准，确定醅料取料安全作业区域，即保证安全取料作业过程中，取料点相对于此时醅料取料平面中心的距离b，计算方式如下：b＝r
‑
l
b
/sinα。4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：步骤2.1，采用结构光深度相机作为醅料取料机器人的视觉感知系统，采集取料前、后地缸的RGB图和深度图；步骤2.2，对地缸RGB图像先进行预处理，然后进行边缘检测，提取地缸口内边缘轮廓近似拟合圆；
步骤2.3，求解地缸图像实际区域面元s；步骤2.4，对步骤2.1的地缸深度图像进行预处理：基于深度图中缸中醅料区域空洞点的邻域信息，以邻域信息中深度值最大值对缸中醅料区域空洞点进行填充，并将深度图对齐到彩色图像；步骤2.5，根据步骤2.2得到的地缸口内边缘轮廓近似拟合圆制作掩膜，对步骤2.2和2.4的地缸RGB图和深度图进行图像分割，提取地缸口区域内图像；步骤2.6，遍历分割得到的地缸口区域内深度图，对地缸口区域内进行点云重建，并根据RGB图进行颜色映射，依据的表达式如下：式中，d为地缸口区域内深度图中各像素点深度值，(u,v)对应的像素点坐标；(x,y,z)为相机坐标系下地缸口区域内深度图各点对应的坐标；f
x
、f
y
、c
x
、c
y
为相机内参；c为地缸口区域内深度图缩放因子；步骤2.7，为弥补机器人控制精度问题，通过图像配准将取料作业前、后的地缸口区域内点云数据统一到同一坐标系下；步骤2.8，对比取料作业前、后地缸中醅料表面分布点云数据变化情况，实现醅料取料量测算。5.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的醅料取料机器人快速取料方法，其特征在于，所述步骤3的具体实现方式为：步骤3.1，在图像采集位姿下采集取料前地缸RGB图和深度图，得到地缸口区域内点云，建立图像采集位姿下空缸点云模型，设置地缸空缸点云为目标点云，地缸口区域内点云为输入点云，设置两组点云中的对应点间允许的距离阈值，进行点云求差异，得到醅料点云；步骤3.2，提取记录醅料点云中的深度数据，并转化为以毫米为单位，进行直方图统计，以直方图最大值为基准，滤除掉缸壁黏着醅料，对剩余醅料数据统计分析，求取平均值h，将醅料表面视为平面处理，h为此时醅料取料平面距离相机平面的距离；步骤3.3，根据醅料取料平面深度，估计醅料余料高度，以挖斗斗长为基准设置醅料余料高度阈值，如果当前醅料余料高度低于阈值，则认为醅料取料作业结束，否则，继续进行取料作业；步骤3.4，根据步骤1.4确定醅料取料作业取料点相对于此时醅料取料平面中心的距离b，再进行比例转换得到图像中地缸像素坐标下的距离b
i
，比例转换依据的表达式如下：式中，为图像中地缸口内边缘直径；D为实际地缸口内边缘直径；步骤3.5，以挖斗对缸壁边缘处醅料取料为目标，设计四个预设取料点位置；根据地缸和挖斗尺寸参数、以及挖斗取料轨迹，设计挖斗取料方向为由醅料取料平面中心指向缸壁方向、取料深度为挖斗斗背长度；
步骤3.6，根据机器人末端取料装置挖斗取料轨迹，以挖斗与连杆连接点为坐标原点、挖斗与连杆连接轴线朝外方向为z轴正方向、连杆竖直向下方向为y轴正方向、垂直于连杆且背离挖斗方向为x轴正方向，建立挖斗运动坐标系；步骤3.7，在挖斗运动坐标系下，构建挖斗翻转取料过程中，挖斗前沿中点运动轨迹相应的函数，挖斗前沿每个点取料轨迹函数均使用前沿中点的取料轨迹函数，并将其转换到图像坐标系中，分别得到四个预设取料点对应的图像坐标系下取料轨迹函数；步骤3.8，计算预设取料点取料区域中各像素点相...

【专利技术属性】
技术研发人员：田建艳，田淮锐，王素钢，李济甫，尉小雪，李丽宏，
申请(专利权)人：山西万立科技有限公司，
类型：发明
国别省市：