基于工業(yè)機(jī)械臂的鋼筋的視覺(jué)識(shí)別分揀的研究與應(yīng)用

馬栓鵬，蘇世龍，靳程銳，樊則森，雷俊，楊博

(中建科技集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518118)

1 引言

2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（建市〔2020〕60 號(hào)）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》），《意見(jiàn)》給出了推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)，加快建造方式轉(zhuǎn)變，推動(dòng)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)。此文件的發(fā)布更加堅(jiān)定了建筑工業(yè)化的道路。建筑工業(yè)化就是借鑒工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，取其精華,去其糟粕，在應(yīng)用中改進(jìn)落后的建筑生產(chǎn)工藝，既要提高效率，也要充分考慮了建筑業(yè)的現(xiàn)狀?？苿?chuàng)中心在經(jīng)過(guò)實(shí)踐和調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的鋼筋工程的作業(yè)不僅機(jī)械化程度低，而且是一個(gè)勞動(dòng)密集型的工作，同時(shí)普遍存在用工荒的現(xiàn)象。雖然片狀鋼筋網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，但是柱子、飄窗等復(fù)雜鋼筋網(wǎng)籠的綁扎還是由純?nèi)斯ね瓿蒣1]。因此，人工綁扎存在的問(wèn)題，如綁扎標(biāo)準(zhǔn)化差、下模澆筑時(shí)需要大量的修正等問(wèn)題普遍存在。此問(wèn)題的根本原因是鋼筋生產(chǎn)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，鋼筋的調(diào)直、折彎不達(dá)標(biāo)，然而調(diào)直折彎的精度確影響著后續(xù)生產(chǎn)能否自動(dòng)化。因此，本課題意在研究鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)直折彎，以及自動(dòng)化分揀和供料，根源性地解決了后續(xù)工藝需要做的修正工作，為鋼筋籠的自動(dòng)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)支撐。

2 工業(yè)機(jī)械臂鋼筋使用中存在的問(wèn)題

2.1 鋼筋沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

在13部委發(fā)布的《意見(jiàn)》中明確提出了大力發(fā)展裝配式建筑，推動(dòng)建立以標(biāo)準(zhǔn)部品為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；?、信息化生產(chǎn)體系。大力推進(jìn)先進(jìn)制造設(shè)備、智能設(shè)備及智慧工地相關(guān)裝備的研發(fā)、制造和推廣應(yīng)用，提升各類(lèi)施工機(jī)具的性能和效率，提高機(jī)械化施工程度的要求。建筑工業(yè)化既是機(jī)械化過(guò)程也是自動(dòng)化過(guò)程，通過(guò)改造舊有生產(chǎn)工藝，解決舊有工藝存在的產(chǎn)品質(zhì)量不一、勞動(dòng)密集、工作環(huán)境差、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，提升舊有生產(chǎn)方式的機(jī)械化和自動(dòng)化程度。在預(yù)制混凝土構(gòu)件廠，構(gòu)件生產(chǎn)的最重要的一環(huán)就是鋼筋的生產(chǎn)，而鋼筋綁扎的第一步就是鋼筋的調(diào)直折彎，因此，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)將影響后續(xù)的所有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)狀況[2]。

2.2 機(jī)械化和自動(dòng)化水平不高

在PC構(gòu)件生產(chǎn)中，鋼筋加工的機(jī)械化和自動(dòng)化水平普遍不高。常見(jiàn)的生產(chǎn)工藝是這樣的：鋼筋工人將盤(pán)圓鋼筋接到調(diào)直切斷機(jī)，然后手動(dòng)輸入鋼筋長(zhǎng)度和數(shù)量，再然后控制機(jī)器將鋼筋調(diào)直、切斷。加工完的長(zhǎng)直筋被運(yùn)送到彎折工位，此工位的工人通過(guò)折彎?rùn)C(jī)對(duì)鋼筋進(jìn)行折彎處理。此種生產(chǎn)方式普遍存在著鋼筋長(zhǎng)度有的太長(zhǎng)，有的尺寸不夠的問(wèn)題，而且在折彎處理中也存在折彎角度過(guò)大或者過(guò)小以及折彎位置存在偏差的問(wèn)題。這些偏差就會(huì)影響鋼筋籠綁扎環(huán)節(jié)以及鋼筋籠下模澆筑的工藝，甚至影響構(gòu)件的拼裝效果。

3 解決對(duì)策

3.1 調(diào)直折彎問(wèn)題的解決方法

調(diào)直折彎問(wèn)題，可采用調(diào)直折彎一體機(jī)解決。它可以將盤(pán)圓鋼筋一步到位加工成型，成品鋼筋的尺寸和折彎角度都能得到很好的保證。但是，一體機(jī)也有其局限性。它是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)器，目前還不能與后續(xù)工藝工位相串聯(lián)，一體機(jī)生產(chǎn)的鋼筋也是雜亂無(wú)章地散落在地上，這對(duì)后續(xù)的輸送和自動(dòng)化抓取極為不利，不能直接為下一工藝的鋼筋網(wǎng)籠的自動(dòng)綁扎提供標(biāo)準(zhǔn)化、有序的成批鋼筋。因此，將盤(pán)圓鋼筋的調(diào)直、折彎、切斷、輸送、分揀放在一個(gè)系統(tǒng)中解決是很有必要的，能有效地解決鋼筋標(biāo)準(zhǔn)化不達(dá)標(biāo)和鋼筋自動(dòng)化上料的問(wèn)題[3]。

在本課題的研究中還是采用調(diào)直折彎一體機(jī)加工鋼筋。一體機(jī)加工鋼筋具有一致性好，鋼筋尺寸和折彎角度標(biāo)準(zhǔn)化高的特點(diǎn)。然后，為一體機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)接收裝置，將加工完的鋼筋接收到輸送鏈，通過(guò)輸送鏈進(jìn)行輸送。在輸送鏈的正上方放置相機(jī)，相機(jī)與工業(yè)PC相連，PC運(yùn)行視覺(jué)算法，算法輸出鋼筋的類(lèi)型以及位置坐標(biāo)；以以太網(wǎng)為物理連接，通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送給機(jī)械臂；機(jī)械臂通過(guò)數(shù)據(jù)解析算法獲得控制指令和數(shù)據(jù)；然后，機(jī)械臂動(dòng)態(tài)跟蹤輸送鏈，到達(dá)鋼筋上方，并且與輸送鏈保持同速，再然后抓取鋼筋，且放到料盒中。每個(gè)料盒可集中存儲(chǔ)一批鋼筋，料盒滿倉(cāng)后，由移栽機(jī)將料盒移栽到另一條輸送鏈上，料盒通過(guò)輸送鏈可運(yùn)輸?shù)戒摻罱壴詣?dòng)化工作站，也可以為人工綁扎供料[4]。

3.2 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)

此生產(chǎn)工藝使用了以視覺(jué)識(shí)別為核心的整套技術(shù)。為了突破現(xiàn)有相機(jī)的拍照范圍的局限，采用了圖像拼接技術(shù)，在相機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)特征點(diǎn)將圖像進(jìn)行拼接。將拼接圖像輸入深度學(xué)習(xí)的算法中，在本課題中采集了上千張的優(yōu)質(zhì)圖像用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，可在毫秒級(jí)內(nèi)識(shí)別出鋼筋的類(lèi)型。并且根據(jù)鋼筋的類(lèi)型，通過(guò)幾何計(jì)算算法得出鋼筋的抓取點(diǎn)和抓取角度，最后發(fā)送到機(jī)械臂。

在此系統(tǒng)中還融合了輸送鏈跟蹤技術(shù)。相機(jī)作為一個(gè)傳感器為機(jī)械臂提供跟蹤信號(hào)，機(jī)械臂在跟蹤信號(hào)來(lái)臨時(shí)，開(kāi)始通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器跟蹤輸送鏈運(yùn)行距離，并且實(shí)時(shí)反饋到機(jī)械臂系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)跟蹤下、物料的抓取可以在輸送鏈動(dòng)態(tài)下實(shí)現(xiàn)，有效地保證了整套系統(tǒng)的效率。

在機(jī)械臂的前端還設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的抓取工具，此工具除了抓取功能以外還具有鋼筋姿態(tài)調(diào)整功能。通過(guò)伸縮氣缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)對(duì)鋼筋進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整，便于將鋼筋整齊地放到料盒，整套前端執(zhí)行器由PLC驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂與PLC通過(guò)Profinet通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信控制，保證了前端工具功能的實(shí)現(xiàn)。

整套系統(tǒng)由安全PLC統(tǒng)籌調(diào)配。首先，操作人員與HMI交互，獲取加工信息；PLC從HMI獲取信息，經(jīng)過(guò)處理后，將加工命令發(fā)送到鋼筋調(diào)直折彎一體機(jī)、輸送鏈、機(jī)械臂等控制單元。PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的智慧建造平臺(tái)相連接，工作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)上傳到智慧建造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作站的運(yùn)行情況。在未來(lái)也可以在辦公室內(nèi)下達(dá)生產(chǎn)命令，在遠(yuǎn)在千里的工廠實(shí)施生產(chǎn)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)機(jī)械臂的鋼筋的視覺(jué)識(shí)別分揀工作站在行業(yè)內(nèi)屬于首例，在以往的鋼筋加工中，各種小型設(shè)備獨(dú)立運(yùn)作，生產(chǎn)單元也相對(duì)比較獨(dú)立，無(wú)法有效地串聯(lián)起來(lái)，形成1+1大于2的效果。在建筑工業(yè)化驅(qū)動(dòng)下，采用信息化和自動(dòng)化的手段，將整個(gè)鋼筋加工工藝打通，形成完整的生產(chǎn)流水線，極大地提高了鋼筋加工的效率，也進(jìn)一步推動(dòng)了建筑業(yè)的發(fā)展。可以說(shuō)，這在建筑工業(yè)化探索的道路中邁出了一小步。