帶有視覺識(shí)別模塊的分揀機(jī)器人

李德民 王詩宇 王嘉樂

傳統(tǒng)的機(jī)器人分揀操作一般采用示教或離線編程方式，當(dāng)機(jī)器人所處的工作環(huán)境發(fā)生改變時(shí)機(jī)器人很難即時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，為了使機(jī)器人具有更加智能化的功能，以阿童木并聯(lián)機(jī)器人和工業(yè)智能相機(jī)為基礎(chǔ)，組成一套帶有視覺模塊的機(jī)器人分揀系統(tǒng)。這樣的分揀系統(tǒng)結(jié)合了并聯(lián)型機(jī)器人和視覺模塊兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，通過視覺模塊智能的識(shí)別不同的對(duì)象，系統(tǒng)可以完成高速的分揀工作，顯著提升了機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)能力，提高了工作效率。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)正確，分揀成功率高。

隨著我們國(guó)家生產(chǎn)需求的不斷增加，機(jī)器人越來越多的參與到各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中來。其中，對(duì)工件的分揀作業(yè)是當(dāng)前生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的機(jī)器人分揀，其動(dòng)作和目標(biāo)的擺放位置都需要根據(jù)程序預(yù)先嚴(yán)格的設(shè)定。一旦機(jī)器人所處的環(huán)境有所改變，很容易導(dǎo)致抓取錯(cuò)誤。本文模擬工業(yè)生產(chǎn)中的分揀作業(yè)環(huán)境，引入視覺模塊，用攝像機(jī)來模擬人類的視覺功能來對(duì)待測(cè)的對(duì)象進(jìn)行識(shí)別分類，可以使分揀作業(yè)擁有更高的可靠性和靈活性，作業(yè)對(duì)象以及分揀工序可以隨時(shí)隨地的變換，也提高了工作的效率和機(jī)器人的智能化程度。

1機(jī)器人系統(tǒng)組成介紹

我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人分揀系統(tǒng)主要由并聯(lián)機(jī)器人、視覺模塊、傳送帶裝置以及分揀對(duì)象組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.1并聯(lián)機(jī)器人

相比于其他工業(yè)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人占用較小的空間，其更具有高速度、高精度、靈活性等特點(diǎn)，更能適合苛刻的工業(yè)生產(chǎn)需求。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用的是阿童木4軸并聯(lián)型機(jī)器人，如圖2所示，它能夠完成空間中X、Y、Z方向的移動(dòng)及角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。除了并聯(lián)型機(jī)器人本體之外，機(jī)器人配套設(shè)施還包括機(jī)器人控制柜、控制編程器和驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服交流電機(jī)。機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)吸盤，用于吸附傳送帶上的分揀對(duì)象，完成抓取動(dòng)作。

1.2 視覺模塊

視覺模塊我們采用康奈視公司的In-Sight7000型智能相機(jī)，如圖3所示。該視覺模塊能夠智能的識(shí)別出實(shí)驗(yàn)中不同種類的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以及采集各個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的位置信息。

1.3網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

實(shí)驗(yàn)中，我們使用一般的家用路由器來替代網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。視覺模塊采集到的信息要通過局域網(wǎng)來絡(luò)傳遞給機(jī)器人，因此我們要用到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來搭建局域網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而使各個(gè)模塊間完成信息傳輸。

1.4 傳送帶及分揀對(duì)象

皮帶輸送機(jī)用來完成對(duì)分揀對(duì)象的輸送，其工作長(zhǎng)度約為1米，分揀對(duì)象為印有不同字母的立方體鉛塊，用以上裝置來搭建一個(gè)可以模擬工業(yè)生產(chǎn)中分揀環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

如圖4所示為整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)主要完成“識(shí)別—定位—抓取—放置”等一系列過程。首先，不同種類的實(shí)驗(yàn)物塊通過氣缸的開合隨機(jī)的散落在傳送帶上，視覺模塊會(huì)判斷視區(qū)域野內(nèi)是否有待分揀的實(shí)驗(yàn)物塊，當(dāng)實(shí)驗(yàn)物塊運(yùn)行到相機(jī)的視野區(qū)域內(nèi)時(shí)，視覺模塊進(jìn)行圖像采集，采集分揀對(duì)象的位姿信息，計(jì)算機(jī)通過一定的程序算法對(duì)實(shí)驗(yàn)物塊進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算，獲取分揀對(duì)象的分類信息和坐標(biāo)信息、旋轉(zhuǎn)角度后，再傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)視覺模塊傳回的信息，控制機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即吸盤）在合適的動(dòng)作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行跟蹤和拾取操作，將不同種類的實(shí)驗(yàn)物塊放置到分別指定的位置。當(dāng)料盤上的物塊數(shù)量達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)，氣缸再次開啟，將物塊隨機(jī)的散落在傳送帶上，重復(fù)上述的過程。

要實(shí)現(xiàn)上述過程，我們需要完成以下幾個(gè)方面的工作：

2.1 相機(jī)標(biāo)定

首先我們要保證視覺模塊采集到的坐標(biāo)信息是準(zhǔn)確無誤的，這就需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定工作。由于鏡頭等硬件環(huán)境的原因，相機(jī)在采集圖像的時(shí)候經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，標(biāo)定即是對(duì)鏡頭的畸變進(jìn)行校正的過程。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中利用視覺模塊自帶的標(biāo)定功能，使用棋盤格作為相機(jī)標(biāo)定模板，完成對(duì)視覺模塊的標(biāo)定工作，如圖5所示。

標(biāo)定工作完成之后，視覺模塊就可以對(duì)傳送帶上的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行信息的采集工作了，圖6為視覺模塊采集到的圖像信息。

2.2 建立坐標(biāo)關(guān)系

視覺模塊擁有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，機(jī)器人同樣也具有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，視覺模塊采集到實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息后，要轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可以理解的坐標(biāo)信息，因此我們需要建立視覺坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示：

其中，兩個(gè)坐標(biāo)系之間有如下式（1）的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

2.3機(jī)器人抓取

計(jì)算機(jī)將視覺模塊采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可以理解的坐標(biāo)信息后，傳送給機(jī)器人，機(jī)器人的末端執(zhí)行器根據(jù)獲取的坐標(biāo)信息移動(dòng)到待抓取對(duì)象的上方，開啟末端執(zhí)行器上的氣閥裝置，將待抓取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象牢牢地吸附在末端執(zhí)行器上。如圖7所示：

2.4機(jī)器人放置

最后，我們要將不同種類的實(shí)驗(yàn)對(duì)象放置到預(yù)先設(shè)定好的不同區(qū)域。首先設(shè)定好每一種類實(shí)驗(yàn)對(duì)象放置的初始位置，每放置一次沿Y方向一次減掉相應(yīng)的距離，這樣就可以保證兩次放置不會(huì)發(fā)生位置重合的現(xiàn)象。放置情況如圖8所示：

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的作業(yè)需求，要在運(yùn)動(dòng)的傳送帶上準(zhǔn)確的識(shí)別不同種類的分揀對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中采用分別印有字母A至F的立方體塊，如上圖8所示，將它們分別抓取至相應(yīng)的位置，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)6種立方體塊進(jìn)行判別，每種對(duì)象都包含一個(gè)循環(huán)體，下面以一種對(duì)象為例，將程序設(shè)計(jì)流程表示如下：

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過對(duì)軟硬件的調(diào)試，本實(shí)驗(yàn)順利完成了對(duì)待分揀對(duì)象的分揀過程。實(shí)驗(yàn)過程為預(yù)先在上位機(jī)上建立所有待抓取對(duì)象的模板，然后在傳送帶初始位置開始隨意放置不同類型的待分揀對(duì)象，分揀作業(yè)要求將不同的分揀對(duì)象分別放置到相應(yīng)的位置。整個(gè)抓取過程，視覺系統(tǒng)通過規(guī)定好的數(shù)據(jù)通信格式向機(jī)器人發(fā)送傳送帶上目標(biāo)對(duì)象的位姿信息。

機(jī)器人末端執(zhí)行器上的氣動(dòng)吸盤根據(jù)坐標(biāo)信息運(yùn)動(dòng)到氣動(dòng)目標(biāo)物體上方，開啟氣閥對(duì)應(yīng)的IO接口吸附目標(biāo)物體，運(yùn)動(dòng)到預(yù)先定義好的坐標(biāo)位置后關(guān)閉氣閥，完成放置過程。

（作者單位：1.大連市第二十四中學(xué)2.中國(guó)科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所）