基于機(jī)器視覺的物料分揀機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳廣 西南石油大學(xué)工程學(xué)院

引言

隨著生產(chǎn)需求和人力成本的持續(xù)增加，許多企業(yè)逐漸用機(jī)器人代替人工進(jìn)行生產(chǎn)。機(jī)器人技術(shù)的引入使得生產(chǎn)加工方式更加多樣化、智能化，產(chǎn)品的不良率降低，企業(yè)的制造水平提高。目前，機(jī)器人技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要途徑，逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向了汽車、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，并在制造業(yè)運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛。

在制造業(yè)許多生產(chǎn)領(lǐng)域的流水線上，物料分揀是一道重要工序，如樂(lè)高工廠不同形狀、不同顏色積木的分揀。采用工業(yè)機(jī)器人代替人工完成分揀任務(wù)，能提高流水線的生產(chǎn)效率，避免人工疲勞導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷。雖然分揀系統(tǒng)通過(guò)示教機(jī)器人可以使機(jī)器人完成分揀任務(wù)，并在一定程度上提高生產(chǎn)效率、減輕人工的工作量。但是大多生產(chǎn)流水線上的工件，其角度和位置是不確定的，不能通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人示教編程使其對(duì)流水線上的工件進(jìn)行分揀操作。

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的逐漸成熟，更多的智能感知技術(shù)融入到了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)當(dāng)中，如機(jī)器視覺技術(shù)、觸覺感知技術(shù)。正是在這樣的背景下，本文提出了基于機(jī)器視覺的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)不同形狀、不同顏色產(chǎn)品的分揀工作，提高機(jī)器人的自適應(yīng)性。

1 物料分揀系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 物料分揀機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

分揀系統(tǒng)主要由物料傳送及控制系統(tǒng)系統(tǒng)、視覺采集系統(tǒng)、機(jī)器分揀控制系統(tǒng)、單片機(jī)傳送控制系統(tǒng)組成。

(1）物料傳送系統(tǒng)：通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的串口通信控制相機(jī)的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)繼電器控制傳送的啟停。通過(guò)傳送帶傳送工件，利用光電檢測(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)工件的到位檢測(cè)，利用傳送帶配置的調(diào)速器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

(2）光學(xué)圖像采集系統(tǒng)：主要由工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、照明光源系統(tǒng)組成，鏡頭與光源的選擇通常根據(jù)檢測(cè)對(duì)象特征進(jìn)行適應(yīng)性變化，通?？梢赃x擇定焦鏡頭、變焦鏡頭或者雙遠(yuǎn)心鏡頭以及采用環(huán)形LED 光源，面陣LED 光源，或者線陣LED 光源進(jìn)行落射照明。采集系統(tǒng)將檢測(cè)對(duì)象的采集圖像通過(guò)USB 線傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別，分類處理。

(3）機(jī)器人分揀系統(tǒng)：分揀機(jī)器人通過(guò)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的socket 通信實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的分揀，分揀具體形式通常是將采用電磁鐵吸附或真空吸附的設(shè)備連接到機(jī)械手末端來(lái)實(shí)現(xiàn)分揀，機(jī)器人分揀系統(tǒng)主要由視覺采集系統(tǒng)和機(jī)器人分揀系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。

1.2 物料分揀系統(tǒng)工作機(jī)制

其工作過(guò)程為：經(jīng)過(guò)視覺檢測(cè)區(qū)，此時(shí)控制器觸發(fā)攝像機(jī)采集圖片，并將圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)，視覺軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理和圖像分割，對(duì)物料顏色，形狀等具體信息進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)提取圖像特征并與事先建立好的物料模板進(jìn)行匹配.如果匹配成功，利用輪廓外接形心計(jì)算的方法找到物料，并將所得到的位置信息傳遞給控制器。當(dāng)視覺系統(tǒng)采集到圖像并匹配成功時(shí)，MM240/A 模塊產(chǎn)生一個(gè)鎖存事件，并以此時(shí)編碼器的位置信息為起始點(diǎn)開始記錄編碼器數(shù)值的增量。物料在傳送帶上只有沿著傳送帶運(yùn)動(dòng)的方向有位移變化，將物料初始位置與鎖存事件記錄的編碼器增量值傳遞給控制器，可以得到物料的實(shí)時(shí)位置?？刂破魍ㄟ^(guò)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解程序得到3 個(gè)主動(dòng)臂轉(zhuǎn)角，再通過(guò)角度值得到出第四根旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。最后控制器向并聯(lián)機(jī)器發(fā)出指令，控制機(jī)器人末端執(zhí)行器采用等間隔小時(shí)間的插值方式，使其快速運(yùn)動(dòng)到物料抓取點(diǎn) ( 在物料中心位置上方1cm 處) ，打開氣動(dòng)電磁閥，吸取物料。然后再將物料按照設(shè)置好的門字形運(yùn)動(dòng)軌跡送到放置點(diǎn)，關(guān)閉電磁閥，物料落入指定的物料盒中，完成一次抓取工作。放置完畢后，完成一次循環(huán)。下一個(gè)物料觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行下一次抓取工作。

2 物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以分為3 個(gè)部分分別為檢測(cè)部分、識(shí)別定位部分和執(zhí)行部分。

(1）檢測(cè)部分硬件主要由工控機(jī)、視覺系統(tǒng)組成。

(2）識(shí)別定位部分主要是上位機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。上位機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行分析處理，獲得物料的位置、姿態(tài)等信息，并輸出分揀信號(hào)。

(3）執(zhí)行部分主要由Delta 并聯(lián)機(jī)器人本體部分、電磁閥、KeMotion R5000 系列的CP263/X 模塊、DM272/A 數(shù)字I/O 擴(kuò)展接口、MM240/A 編碼器接口模塊、GTS 系列輪式編碼器以及驅(qū)動(dòng)兩個(gè)傳送帶的三相異步電動(dòng)機(jī)和兩個(gè)控制電機(jī)的變頻器構(gòu)成。

3 物料分揀系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 視覺識(shí)別過(guò)程設(shè)計(jì)

為了識(shí)別采集圖像中的工件并獲取位置，圖像采集是視覺采集系統(tǒng)獲取視覺信息的第一步。實(shí)際的視覺采集系統(tǒng)往往根據(jù)色彩要求和分辨率選擇不同的工業(yè)攝像機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集。采集到高質(zhì)量的圖像能使得圖像易于處理，獲得識(shí)別和定位的結(jié)果也將更加準(zhǔn)確。數(shù)字圖像的采集過(guò)程為，圖像傳感器感應(yīng)經(jīng)鏡頭聚焦在感光平面上的光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，量化該電信號(hào)得到數(shù)值信息，然后將數(shù)值信息傳輸給存儲(chǔ)設(shè)備，后經(jīng)圖像處理單元進(jìn)行顯示。

為了減少后續(xù)算法的復(fù)雜度和提高計(jì)算機(jī)的處理效率，圖像的預(yù)處理是必不可少的。預(yù)處理是圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中非常重要的一步，它的好壞直接影響圖像識(shí)別的效果。由于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境經(jīng)常會(huì)受到光照強(qiáng)度、空氣中的漂浮物、鏡頭周圍灰塵的影響，采集到的圖像往往會(huì)包含噪聲，因此，本系統(tǒng)中圖像預(yù)處理的目的就是去除圖像中的噪聲，得到清晰的圖像，以便后續(xù)處理過(guò)程中提取正確的圖像特征。

3.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工件分揀能夠保證分揀的效率，需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)借助內(nèi)部系統(tǒng)和坐標(biāo)參數(shù)對(duì)機(jī)器發(fā)出指令，放到輸送帶上的工件，會(huì)在計(jì)算機(jī)指令的作用下送到確定的位置，機(jī)器人才可以完成分揀工作。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人可以保證分揀的效率和質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

工業(yè)機(jī)器人程序控制實(shí)驗(yàn)，主要是讓實(shí)驗(yàn)者根據(jù)軌跡起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)確定機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)曲線。機(jī)器人的軌跡規(guī)劃算法包括笛卡爾坐標(biāo)系下的直線差補(bǔ)算法和圓弧插補(bǔ)算法以及關(guān)節(jié)空間的三次、五次、七次多項(xiàng)式插值算法。由于笛卡爾坐標(biāo)系下的軌跡規(guī)劃方法較為復(fù)雜，三次多項(xiàng)式插值算法的加速度曲線不連續(xù)，七次多項(xiàng)式插值算法因次數(shù)太高會(huì)出現(xiàn)龍格現(xiàn)象。所以本次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軌跡規(guī)劃算法選用五次多項(xiàng)式插值算法。采用五次多項(xiàng)式插值算法對(duì)SCARA 機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，SCARA 機(jī)器人作為一種平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人具有4 個(gè)關(guān)節(jié)，適合于搬動(dòng)和取放物件，被廣泛應(yīng)用于平面抓取、快速分揀以及動(dòng)態(tài)抓取等領(lǐng)域。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)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(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程，視覺系統(tǒng)通過(guò)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。

由于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有配備視覺光源，因此光照對(duì)于視覺系統(tǒng)的圖像采集效果有較大的影響，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，邊緣特征對(duì)于光照等噪聲的影響具有較好的適應(yīng)性，同時(shí)改進(jìn)的Canny 邊緣提取算子可以更加精準(zhǔn)的提取圖像的邊緣特征，機(jī)器人能夠完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確抓取。

5 結(jié)論

本文提出了基于機(jī)器視覺的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)不同形狀、不同顏色產(chǎn)品的分揀工作，提高機(jī)器人的自適應(yīng)性，機(jī)器人能夠完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確抓取