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    基于機(jī)器視覺的機(jī)械臂抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2021-06-28 14:22:08孫科李亞畢德學(xué)谷林峰鄭晨旭
    食品工業(yè) 2021年6期
    關(guān)鍵詞:傳送帶位姿線程

    孫科,李亞,畢德學(xué),谷林峰,鄭晨旭

    天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津 300222)

    工業(yè)機(jī)器人被廣泛用于包裝和食品加工等自動化生產(chǎn)線[1],利用機(jī)器視覺技術(shù)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)械臂可以增加機(jī)械臂柔性和靈活性[2],使機(jī)械臂能適應(yīng)復(fù)雜和變化的環(huán)境,極大提高食品生產(chǎn)線自動化水平,保證了食品生產(chǎn)和衛(wèi)生安全[3]。以巧克力生產(chǎn)線的自動化改造項(xiàng)目為例,以工業(yè)相機(jī)代替人眼完成目標(biāo)位姿識別,實(shí)現(xiàn)由機(jī)械臂代替人力完成巧克力木質(zhì)手柄擺放,以傳送帶坐標(biāo)系為中間橋梁,提出了一種高效簡單的手眼標(biāo)定方法,由搭建的硬件和軟件控制系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    1 系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì)

    應(yīng)用視覺技術(shù)實(shí)時引導(dǎo)四軸SCARA機(jī)械臂,實(shí)現(xiàn)對傳送帶上動態(tài)目標(biāo)的定位抓取,其硬件系統(tǒng)組成如圖1所示[4],包括振動上料盤、工業(yè)相機(jī)、傳送帶、SCARA機(jī)械臂、光源、編碼器和工控機(jī)等。

    圖1 硬件系統(tǒng)

    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程:由振動上料盤向傳送帶上料,目標(biāo)物經(jīng)過安裝于傳送帶上游的相機(jī)視野,工控機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)程序完成目標(biāo)物的采集識別及位姿提取,通過相機(jī)、傳送帶和機(jī)械臂的標(biāo)定結(jié)果和編碼器讀數(shù)來得到目標(biāo)物在機(jī)械臂坐標(biāo)系下的實(shí)時位置,發(fā)送在機(jī)械臂工作空間的目標(biāo)實(shí)時位姿信息至安裝于傳送帶下游的機(jī)械臂,機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取目標(biāo),最后擺放到固定示教點(diǎn)。

    控制系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。系統(tǒng)通過Gige接口連接相機(jī)采集圖像,Arduino控制板完成編碼器數(shù)據(jù)的采集和傳輸及帶速的控制,控制處理系統(tǒng)由4個并行運(yùn)行的線程組成,各線程處理結(jié)果存儲于相應(yīng)的順序隊(duì)列中,線程間信息交流也通過隊(duì)列傳遞,其中編碼器采集線程完成對編碼器實(shí)時數(shù)據(jù)的不間斷采集并存儲于編碼器讀數(shù)隊(duì)列,機(jī)械臂需求線程完成機(jī)械臂對目標(biāo)需求信息的采集,并將需求信息存入機(jī)械臂需求隊(duì)列中,以上兩線程主要實(shí)現(xiàn)信息的不間斷采集。

    圖2 控制系統(tǒng)

    圖像處理線程如圖3所示。它主要完成圖像的采集及處理,此線程需要用編碼器讀數(shù)隊(duì)列中的實(shí)時編碼器讀數(shù)以記錄拍照時刻和判斷拍照間隔。

    圖3 圖像處理線程流程圖

    圖像處理通過預(yù)先準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)模板圖像進(jìn)行基于形狀特征的模板匹配,進(jìn)而得到的目標(biāo)位姿信息及采集時刻信息存于目標(biāo)位姿信息隊(duì)列中,以備后續(xù)目標(biāo)實(shí)時位置的計(jì)算。為了減輕判別目標(biāo)重復(fù)算法的復(fù)雜性和可靠性對系統(tǒng)執(zhí)行效率和準(zhǔn)確性的影響,拍照間隔采用寧漏拍不重拍的原則,故利用編碼器讀數(shù)控制拍照間隔大于相機(jī)視野長度。

    信息處理發(fā)送線程如圖4所示。它完成對目標(biāo)實(shí)時位置的計(jì)算和發(fā)送目標(biāo)位姿信息至機(jī)械臂。利用編碼器讀數(shù)隊(duì)列的編碼器實(shí)時數(shù)據(jù)和目標(biāo)位姿信息隊(duì)列存儲的目標(biāo)位姿和采集時刻信息以計(jì)算目標(biāo)實(shí)時位置,判斷其是否在機(jī)械臂工作空間內(nèi),再根據(jù)機(jī)械臂需求隊(duì)列的需求信息判斷是否發(fā)送目標(biāo)實(shí)時位姿信息至機(jī)械臂。

    圖4 信息處理發(fā)送線程流程圖

    控制處理系統(tǒng)綜合各種采集得到及各線程提取計(jì)算得到的信息,得到目標(biāo)在機(jī)械臂坐標(biāo)系下實(shí)時位姿信息,并由TCP/IP通訊方式發(fā)送至機(jī)械臂。

    2 手眼標(biāo)定

    手眼標(biāo)定旨在獲得像素坐標(biāo)系與機(jī)械臂坐標(biāo)系的映射關(guān)系,由視覺處理得到的目標(biāo)位置信息可由標(biāo)定結(jié)果轉(zhuǎn)換至機(jī)械臂坐標(biāo)系下,常用的手眼系統(tǒng)相機(jī)視野與機(jī)械臂工作空間有交集,在交集內(nèi)任一點(diǎn)均可知其在像素與機(jī)械臂坐標(biāo)系下坐標(biāo)值,故不難求得其手眼映射關(guān)系;對于手眼工作空間無交集的情況,常以一新坐標(biāo)系為中間橋梁,間接求得手眼關(guān)系。由于項(xiàng)目目標(biāo)物形狀規(guī)則,相機(jī)安裝使像素平面平行于傳送帶平面,機(jī)械臂安裝使機(jī)器人基坐標(biāo)系Z軸垂直傳送帶平面,忽略由于坐標(biāo)平面不平行引起的標(biāo)定誤差,標(biāo)定三者關(guān)系時只需求三個平面的映射關(guān)系,Z軸深度由機(jī)器人示教為固定值。

    2.1 相機(jī)的標(biāo)定

    相機(jī)的標(biāo)定旨在獲得像素平面坐標(biāo)系(UOV)和世界平面坐標(biāo)系(XwOwYw)的投影關(guān)系[5]。此次基于針孔攝像機(jī)模型的透視投影關(guān)系提出了一種高效的標(biāo)定方法。

    可以將像素平面(如圖5所示)等效到光軸中心上方。處于傳送帶平面的任意物點(diǎn)Pw發(fā)出的光線經(jīng)過鏡頭光軸中心O,交于像素平面形成其對應(yīng)的像點(diǎn)P。光軸中心與像素平面的距離為焦距f。將世界平面坐標(biāo)系固定在傳送帶所在平面,其原點(diǎn)Ow在像素平面的投影點(diǎn)為像素坐標(biāo)系原點(diǎn)O1,且其Xw軸和Yw軸分別與像素坐標(biāo)系u軸和v軸方向重合,過光軸中心作垂直于像素平面與世界平面直線分別交于點(diǎn)O'和O''。

    圖5 等效成像原理圖

    由圖6可知,ΔOO'P與ΔOO''Pw相似,ΔOO1P與ΔOOwPw相似,由此可得式1:

    設(shè)P點(diǎn)像素坐標(biāo)為(u,v),其對應(yīng)的物點(diǎn)Pw在世界平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x,y),圖像傳感器水平和垂直方向上相鄰像素之間的物理距離為(Sx,Sy)(一般認(rèn)為Sx=Sy=S),將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際物理距離(u×S,v×S),由式(1)可得式(2):

    式中:焦距f與物距|OO''|的比值記為固定值k,則世界平面坐標(biāo)系和像素平面坐標(biāo)系的線性映射關(guān)系為式(3):

    式中:S/k為定值,其值可由世界平面上兩點(diǎn)的實(shí)際物理距離與其對應(yīng)的像素點(diǎn)的像素距離的比值求得。

    2.2 相機(jī)、傳送帶和機(jī)器人的標(biāo)定

    如圖6所示,世界平面坐標(biāo)系(XwOwYw)在傳送帶平面,由2.1小節(jié)得到像素坐標(biāo)系與世界平面坐標(biāo)系映射關(guān)系,還需建立一中介坐標(biāo)系以求手眼關(guān)系。傳送帶坐標(biāo)系(XcOcYc)的建立:傳送帶坐標(biāo)系原點(diǎn)Oc與世界平面坐標(biāo)系原點(diǎn)Ow重合,X軸方向與傳送帶運(yùn)行方向一致,機(jī)械臂坐標(biāo)系為機(jī)械臂固定基坐標(biāo)系(XbObYb)。

    圖6 相機(jī)、傳送帶和機(jī)械臂坐標(biāo)系

    由于各坐標(biāo)系的標(biāo)定只是二維關(guān)系,不需要考慮Z軸方向變換,則其坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)平移矩陣如式(4)所示。

    式中:θ為兩坐標(biāo)系X軸間的夾角;tx、ty分別為沿X、Y軸方向平移量。

    為了求得世界平面坐標(biāo)系與傳送帶坐標(biāo)系X軸間的夾角θ1,如圖7所示,可在傳送帶表面選取一標(biāo)致點(diǎn)P1在相機(jī)視野內(nèi)運(yùn)行傳送帶行進(jìn)到P2點(diǎn),故P1P2與傳送帶坐標(biāo)系X軸方向一致,P1、P2點(diǎn)在世界平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xw1,yw1)和(xw2,yw2),故得式(5):

    圖7 相機(jī)與傳送帶坐標(biāo)系

    則傳送帶坐標(biāo)系相對于世界平面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣記為Tcw。

    如圖6所示,機(jī)械臂基坐標(biāo)系與傳送帶X軸間的夾角θ2,方法類似,在機(jī)械臂工作空間內(nèi)選取一標(biāo)致點(diǎn)P3運(yùn)行傳送帶行進(jìn)到P4點(diǎn),P3P4與傳送帶坐標(biāo)系X軸方向一致,示教機(jī)械臂到P3、P4點(diǎn)并分別可得機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xb3,yb3)和(xb4,yb4),進(jìn)而計(jì)算得θ2。

    標(biāo)定機(jī)械臂坐標(biāo)系相對世界平面坐標(biāo)系X、Y軸方向平移量,如圖6所示,通過Tcw獲得點(diǎn)P1在傳送帶坐標(biāo)系下坐標(biāo)(xc1,yc1),運(yùn)行傳送帶至機(jī)械臂工作區(qū)間內(nèi)P4點(diǎn),并通過編碼器得到移動的距離d,故P4點(diǎn)在傳送帶坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc1+d,yc1),其在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可由示教得到(xb4,yb4),故傳送帶坐標(biāo)系相對于機(jī)械臂基坐標(biāo)的平移量(tx1,ty1)可由待定系數(shù)法求得,如式(6):

    則傳送帶坐標(biāo)系相對于機(jī)械臂基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣為Tcb。

    由上述可得世界平面坐標(biāo)系相對于機(jī)械臂基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣見式(7):

    至此,由傳送帶坐標(biāo)系為橋梁間接求得手眼關(guān)系,如式(8):

    3 試驗(yàn)分析

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和實(shí)用性,利用機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)械臂抓取位于傳送帶上動態(tài)位姿的巧克力木質(zhì)手柄并擺放到巧克力模具固定位置如圖8所示。

    圖8 巧克力模具

    對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在相機(jī)視野中選取點(diǎn)由旋轉(zhuǎn)平移矩陣Tcw得其在傳送帶坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xc,yc),運(yùn)行傳送帶至機(jī)械臂工作空間并由編碼器獲得移動距離d,得其傳送帶坐標(biāo)系下坐標(biāo)(xc+d,yc),由旋轉(zhuǎn)平移矩陣Tcb計(jì)算出其在機(jī)械臂坐標(biāo)系下坐標(biāo)(xb,yb),示教機(jī)械臂末端指點(diǎn)端移動到目標(biāo),得其在機(jī)械臂坐標(biāo)系實(shí)際坐標(biāo)(xr,yr)。

    對比計(jì)算得到的(xb,yb)和實(shí)際的目標(biāo)在機(jī)器人坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值(xr,yr),由式(9)得到其距離誤差,共測量30組數(shù)據(jù)其誤差,如圖9所示。

    圖9 標(biāo)定誤差圖

    經(jīng)分析其標(biāo)定誤差小于1.5 mm,誤差主要來源為坐標(biāo)面并不完全平行、傳送帶平面不平整等因素。

    通過目標(biāo)擺放是否到位驗(yàn)證系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性,共統(tǒng)計(jì)30盤擺放情況,如表1所示。其成功率大于94%。

    表1 擺放情況統(tǒng)計(jì)表

    4 結(jié)語

    利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)時引導(dǎo)四軸SCARA機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對傳送帶上動態(tài)目標(biāo)的定位抓取,搭建的硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,提出的標(biāo)定方法經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證精度滿足項(xiàng)目要求,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提高了生產(chǎn)效率和食品安全。但由于在標(biāo)定過程中忽略了各坐標(biāo)平面不平行的因素,故后續(xù)研究中精度有待提高。

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