基于LabVIEW工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李和平，陳育新

(1. 婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，湖南婁底417000;2. 婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南婁底417000)

0 前言

機(jī)器人分揀技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的有機(jī)組合，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械、食品、醫(yī)藥、化妝品等生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器人分揀已經(jīng)普及，我國(guó)機(jī)器人分揀系統(tǒng)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人分揀技術(shù)有著十分重要的意義［1－2］。Lab-VIEW 軟件集成了ImagingLab LabVIEW 機(jī)器人操作庫(kù)和Vision Assistant 視覺(jué)處理庫(kù)，基于LabVIEW 軟件快速開(kāi)發(fā)的分揀系統(tǒng)更易于普及，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)由三條傳輸帶裝置、三菱工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)和工控機(jī)構(gòu)成，如圖1 所示。工業(yè)機(jī)器手的工作柔性由全自動(dòng)編程控制，基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精度控制及物料識(shí)別、通過(guò)傳輸機(jī)進(jìn)行物料的傳遞。自動(dòng)分揀系統(tǒng)在原型機(jī)上增加了自動(dòng)分揀、動(dòng)態(tài)抓取、傳輸帶速度監(jiān)測(cè)等控制功能。當(dāng)目標(biāo)對(duì)象源源不斷地進(jìn)入分揀作業(yè)區(qū)時(shí)，通過(guò)工業(yè)相機(jī)連續(xù)自動(dòng)地獲取作業(yè)對(duì)象圖像，然后由LabVIEW 軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)算分析、變換目標(biāo)對(duì)象坐標(biāo)、識(shí)別目標(biāo)對(duì)象分類(lèi)信息、維護(hù)分揀目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)蹤跡，最終控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作［3］。

圖1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)控制圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)機(jī)器人本體

采用三菱RV-4FL 工業(yè)機(jī)器人本體為對(duì)象，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，通過(guò)采用專(zhuān)門(mén)機(jī)器人庫(kù)進(jìn)行編程，工業(yè)機(jī)械手能隨時(shí)變換作業(yè)對(duì)象、坐標(biāo)位置及順序，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 機(jī)器視覺(jué)

視覺(jué)部分采用NI1742 智能相機(jī)，由533 MHz Power PC 處理器供電。優(yōu)質(zhì)的Sony CCD 圖象傳感器具備2 個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，以60 幀/s 速率，實(shí)時(shí)采集單色VGA (640x480)高分辨率圖像。

Vision Assistant 是一款針對(duì)完整視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用且易于使用的視覺(jué)助手，使用LabVIEW 軟件中的組件Vision Assistant 視覺(jué)來(lái)配置NI 智能相機(jī)，集成先進(jìn)的視覺(jué)算法和圖形化編程模式，大大降低視覺(jué)處理難度。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制卡

分揀系統(tǒng)控制如圖2 所示。系統(tǒng)使用來(lái)料傳輸帶和2 個(gè)分揀物料傳輸帶。3 個(gè)傳輸帶進(jìn)行物料的傳輸，通過(guò)工控機(jī)來(lái)控制傳輸帶，3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)編碼器檢測(cè)裝置協(xié)助來(lái)料傳輸帶的精度控制。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制卡電控圖

采用雷賽公司生產(chǎn)的DMC2410 運(yùn)動(dòng)控制卡，提供四軸脈沖和方向控制信號(hào)，具備伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、機(jī)械位置控制、手輪脈沖、同時(shí)起停信號(hào)和通用輸入輸出等多種運(yùn)動(dòng)信號(hào)控制功能，通過(guò)LabVIEW編程調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制［4］，實(shí)現(xiàn)合格品、不合格品或者不同物料的分揀。

3 軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)的軟件主要流程如圖3所示，其工作流程可描述為:開(kāi)啟來(lái)料傳輸帶和兩條分揀傳輸帶，物料通過(guò)來(lái)料傳輸帶上方的視覺(jué)模塊做模板匹配算法識(shí)別出需要分揀的物料，軟件把識(shí)別的物料的坐標(biāo)通過(guò)TCP/IP 通訊發(fā)給工業(yè)機(jī)器人控制器，控制本體分別按照坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換方式精確定位到每個(gè)物料的中心，通過(guò)吸嘴進(jìn)行快速分揀物料。視覺(jué)模板匹配和標(biāo)定、視覺(jué)坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換、機(jī)器人抓取是系統(tǒng)軟件要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 圖像標(biāo)定和視覺(jué)模板匹配

LabVIEW 軟件中自帶視覺(jué)助手集成了圖像標(biāo)定和視覺(jué)模板匹配功能，可以修正圖像并進(jìn)行像素與視覺(jué)距離的轉(zhuǎn)換。如圖4 所示，填寫(xiě)目標(biāo)點(diǎn)1 到目標(biāo)點(diǎn)2 直接的實(shí)際距離，通過(guò)標(biāo)定后相機(jī)的圖像單位為mm。

圖4 圖像標(biāo)定

視覺(jué)模板匹配實(shí)現(xiàn)方法為:事先設(shè)置一個(gè)模板物料，視覺(jué)識(shí)別時(shí)，如果檢測(cè)到的物料和模板有設(shè)定值的匹配值時(shí)認(rèn)為為物料，如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)中有5 個(gè)物料和模板進(jìn)行匹配，通過(guò)LabVIEW 得到5 個(gè)物料的中心坐標(biāo)，程序代碼如圖6 所示。第一步設(shè)置模板信息;第二步選擇智能相機(jī);第三步進(jìn)行模板匹配算法;第四步得到相關(guān)物料的坐標(biāo)并保存，等待下一步處理。

圖5 模板識(shí)別

圖6 視覺(jué)模板識(shí)別程序

3.2 視覺(jué)識(shí)別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換

圖7 視覺(jué)識(shí)別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換

圖8 工業(yè)機(jī)器人抓取物料程序

如圖7 所示，視覺(jué)攝像頭能夠成像的區(qū)域?yàn)榛疑珔^(qū)域，設(shè)定一個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)原點(diǎn)，物料在視覺(jué)區(qū)域分別獲取x，y 方向坐標(biāo)值，由于視覺(jué)模塊在傳輸帶上方，機(jī)器人不能保證到達(dá)視覺(jué)區(qū)域每個(gè)點(diǎn)，視覺(jué)模塊會(huì)受干擾，必須通過(guò)傳輸帶移動(dòng)一段距離后進(jìn)行抓取。來(lái)料傳輸帶具有編碼器計(jì)數(shù)功能，移動(dòng)的距離是已知的，物料移動(dòng)后坐標(biāo)(P_01. x+物料.x，P_01. y+物料. y)為實(shí)際的抓取點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換。

3.3 工業(yè)機(jī)器人抓取物料

ImagingLab Labview 是LabVIEW 軟件中專(zhuān)門(mén)來(lái)操作三菱工業(yè)機(jī)器人的機(jī)器人庫(kù)，通過(guò)庫(kù)編程，大大提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機(jī)器人抓取物料只需通過(guò)視覺(jué)識(shí)別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換得到的新坐標(biāo)傳遞給工業(yè)機(jī)器人即可讓機(jī)器人移動(dòng)到物料的上方，然后Z 軸方向下移一段距離抓取到物料。工業(yè)機(jī)器人抓取物料程序如圖8 所示。

3.4 傳輸帶控制

傳輸帶控制通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)完成，DMC2410 提供了開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)庫(kù)，而LabVIEW 軟件可以直接調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)進(jìn)行操作。

4 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)軟、硬件的多次調(diào)試和修正，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能順利實(shí)現(xiàn)“識(shí)別—抓取—分揀”功能，LabVIEW 軟件設(shè)置了重復(fù)運(yùn)作命令，可以反復(fù)執(zhí)行工作，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)分揀物料相當(dāng)迅速，識(shí)別率達(dá)到100%。抓取中心與物料的識(shí)別特征由是否處于物料的物理中心來(lái)衡量，如果識(shí)別的特征中心和物料實(shí)際中心重合，重復(fù)識(shí)別精度控制在1 mm左右，如果物料與物料之間存在重疊情況，只能識(shí)別到上方的物料，如果物料有一部分超出了傳輸帶的范圍，可能引起識(shí)別不到，其他情況下實(shí)驗(yàn)均取得了預(yù)期和滿意的效果。

圖9 “識(shí)別—抓取—分揀”實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW 的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，為機(jī)器人分揀系統(tǒng)在生產(chǎn)領(lǐng)域付諸實(shí)施提供了有益的參考和借鑒。聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)分揀作業(yè)無(wú)人化，其高效安全作業(yè)替代了繁重的體力勞動(dòng)，提高了自動(dòng)化水平和作業(yè)質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人分揀將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

［1］王田苗，陶永．我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014(9):1－8．

［2］段振華，吳張永，王慶輝，等．工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀輸送線的研究［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，33(3):113－116．

［3］張巧麗，李光明，張濤，等．基于LabVIEW 的目標(biāo)跟蹤方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22(9):2977－2980．

［4］盧軍民，王蕊，張平格．基于LabVIEW 的模切機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2014，42(8):35－37．