基于工業(yè)機(jī)器人控制的物料視覺分揀系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王曉蓮

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇江陰， 214405）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，在如今工業(yè)智能化生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化中的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)，由于現(xiàn)在的生產(chǎn)線上的任務(wù)越來越繁瑣，仍然使用人工進(jìn)行一些繁瑣的工件分類已經(jīng)無法使企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)能得到提高。并且隨著工作量的加大，人工分揀出現(xiàn)的失誤頻率也會(huì)逐漸提高。因此，迫切需要能夠代替人工且高效率的同時(shí)不易出錯(cuò)的工業(yè)機(jī)器人來完成分揀工作。利用視覺控系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的方法，就可以實(shí)現(xiàn)這種快速分揀作業(yè)任務(wù)。

1 工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行流程如下：將所有類別的物料都隨機(jī)放入推料模塊，通過推料裝置將物料推入傳送帶上，機(jī)器人從輸送帶的末端夾取物料放入視覺檢測工作臺上進(jìn)行檢測，最后通過視覺控制器來分配存儲(chǔ)地址，分配物料入庫。

工業(yè)機(jī)器人視覺分揀系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、供料單元、物料輸送單元、視覺分揀系統(tǒng)單元等模塊組成。其中，視覺分揀系統(tǒng)單元主要由光學(xué)鏡頭，照明設(shè)備，工業(yè)相機(jī)以及視覺控制器構(gòu)成。工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍攝采集工作臺上的物料，并將獲取到的信息傳遞到圖像采集系統(tǒng)中，為后續(xù)視覺控制器辨別處理做好準(zhǔn)備。信息處理單元主要由計(jì)算機(jī)組成，該單元對圖像采集傳輸上來的信息進(jìn)行分析處理，其中包括視覺控制器對目標(biāo)物料進(jìn)行顏色比對，并將比對后的信息傳遞給機(jī)械手，完成指定的動(dòng)作。

上位機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)視下位機(jī)以及其他設(shè)備的工作情況。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控軟件的指令來對機(jī)器人控制器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的操作。機(jī)器視覺則通過前期比對模型及程序的建立，對所需分揀的物件進(jìn)行一個(gè)存儲(chǔ)位置的鎖定，將物料的存儲(chǔ)地址發(fā)送給機(jī)器人控制器，最后控制機(jī)械手來進(jìn)行分揀工作。

■1.1 工業(yè)機(jī)器人的選擇

本系統(tǒng)采用的機(jī)器人型號為ABB機(jī)器人家族中目前最小的機(jī)器人—IRB 120型機(jī)器人，圖2是本系統(tǒng)使用的機(jī)器人實(shí)物圖。IRB 120型工業(yè)機(jī)器人在緊湊空間內(nèi)凝聚了ABB機(jī)器人系列的全部功能與技術(shù)，該機(jī)器人只有25kg的重量，幾乎可以被安裝在任何地方[1]。雖然IRB 120機(jī)器人的工作范圍只有580mm，但其結(jié)構(gòu)輕巧，功率強(qiáng)勁，在所有應(yīng)用到的場景中都能確保優(yōu)異的精確度與敏捷性。

圖2 IRB120型工業(yè)機(jī)器人

■1.2 視覺檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

視覺檢測模塊中的硬件組成部分包括HIKVISION的視覺控制器、智能相機(jī)，以及FA工業(yè)鏡頭等相關(guān)硬件。

（1）視覺控制器

圖3 視覺控制器的側(cè)面示意圖

HIKVISION視覺控制器是專門為控制系統(tǒng)而開發(fā)的控制器，該控制器集成了機(jī)器視覺應(yīng)用中的各類接口與圖像處理算法。并且該控制器具有2個(gè)獨(dú)立的HDMI顯示輸出，支持GPIO輸入輸出功能。由于觸發(fā)輸入可以通過上位機(jī)的控制以及輸入I/O的控制兩種方式實(shí)現(xiàn)，因此提供三種輸入模式可供選擇。

（2）相機(jī)型號與鏡頭

本設(shè)計(jì)選擇的相機(jī)型號是MV-CE050-31GC。作為一款經(jīng)濟(jì)型面陣相機(jī)，它采用的CMOS芯片是Aptina SR0521。在采用這種芯片的情況下，它在圖像采集信息的傳輸上都可以達(dá)到預(yù)期的要求。并且支持自動(dòng)與手動(dòng)的兩種調(diào)節(jié)方式來調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間，且具有千兆以太網(wǎng)接口。在無中斷的情況下，100m是該相機(jī)所能達(dá)到的最大傳輸距離[3]。表1為該款相機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)。

表1 MV-CE050-31GC通用技術(shù)參數(shù)

圖4 Hikvision MV—CE050—31GC

圖5 FA工業(yè)鏡頭

鏡頭在機(jī)器人視覺分揀系統(tǒng)中擔(dān)任著十分重要的角色，它在系統(tǒng)中的功能是收集物料的反射光，并將反射光聚焦在面陣相機(jī)上[2]。一個(gè)優(yōu)異的鏡頭可以獲得良好的拍攝效果，所以就對鏡頭的選擇必須滿足兩個(gè)基本的要求，首先對拍攝物料的成像必須比較清晰，另外還要求圖像的畸變很小。而本次研究鏡頭的選擇為FA工業(yè)鏡頭，圖5為本次所選鏡頭的實(shí)物。其優(yōu)異的性能以及高性價(jià)比都完全符合本次的研究中鏡頭的選擇。

■1.3 輸送模塊硬件設(shè)計(jì)

光電傳感器以及減速電機(jī)等硬件組成了本系統(tǒng)的輸送模塊，圖6為系統(tǒng)中輸送模塊實(shí)物示意圖。

圖6 輸送模塊實(shí)物圖

（1）光電傳感器

GTB6-N1211是一款迷你型光電傳感器，其工作原理是漫反射光電傳感器。并且具有90%反射率的掃描對象[3]。其輕小的體積可以輕松地安裝在各種場合，減少占地面積的使用。本次研究中推料模塊、輸送模塊、存儲(chǔ)模塊都將使用到此傳感器，以用來檢測物料是否到達(dá)預(yù)定位置。圖7為光電傳感器的實(shí)物圖以及其觸發(fā)感應(yīng)距離圖表。

圖7 GTB6—N1211實(shí)物圖及觸發(fā)感應(yīng)距離圖表

①具有90%反射比的目標(biāo)對象；

②觸發(fā)感應(yīng)距離為灰色，18%反射比；

③觸發(fā)感應(yīng)距離為黑色，6%反射比。

（2）圓柱齒輪減速機(jī)

本次研究輸送模塊中電機(jī)的型號為80UYT25GV22，輸送模塊中的圓柱齒輪減速機(jī)是一種動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，其利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置[4]。在本系統(tǒng)中主要運(yùn)用于輸送模塊，通過減速電機(jī)的精確控制，將輸送帶上的物料輸送到預(yù)定位置。下面為皮帶輸送簡易圖以及相關(guān)皮帶輸送時(shí)馬達(dá)容量（Pg）的具體計(jì)算方法，減速電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程示意圖如圖8所示。

圖8 減速電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程示意圖

無負(fù)荷動(dòng)力p1 =9.8uωVL[w]， 水平動(dòng)力垂直動(dòng)力運(yùn)送帶長度[m]，ω：環(huán)狀帶比量[kgf/m]，μ：摩擦系數(shù)，η：效率[%]，Q：運(yùn)送量[kgf/h]，V：環(huán)狀帶的速度[m/sec]，H：傾斜運(yùn)送機(jī)的兩端高低差[m]。

■1.4 通用倉儲(chǔ)模塊硬件設(shè)計(jì)

倉儲(chǔ)模塊主要為各模塊的物料提供一個(gè)存儲(chǔ)位。倉庫庫位都有檢測傳感器，通過傳感器測物料，將數(shù)據(jù)傳輸給其他設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人通過快換工具和庫位信息，進(jìn)行物料的入庫。

■1.5 系統(tǒng)I/O地址分配表

表2 I/O信號分配表

2 工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)程序流程圖

基于工業(yè)機(jī)器人控制的物料視覺分揀系統(tǒng)的內(nèi)部通信設(shè)置完成之后，進(jìn)行機(jī)器人程序設(shè)計(jì)。而視覺系統(tǒng)的任務(wù)就是將需要分揀對象的顏色信息傳遞給機(jī)器人的控制系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)是面向分揀臺上的物體，所以只需將機(jī)器人放置的物料進(jìn)行分揀。圖9為系統(tǒng)程序流程圖。

圖9 系統(tǒng)程序流程圖

■2.2 視覺模塊程序設(shè)計(jì)

在識別前需進(jìn)行模塊的建立，在建立完模塊后加載運(yùn)行時(shí)，視覺控制器會(huì)根據(jù)拍攝到的相機(jī)成像與模塊中已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。圖10為視覺檢測模塊流程圖，以及各程序模塊相關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖10 視覺檢測模塊流程圖

圖像采集：通過相機(jī)對物料進(jìn)行拍攝成像，并以圖片的形式反饋給圖像預(yù)處理。

圖像預(yù)處理：去除圖像中的噪聲，獲取清晰的圖像。

顏色模板：將相機(jī)成像后的圖片與建立模塊中的圖片進(jìn)行顏色的檢測比對，以確定存儲(chǔ)地址。

由于需要分揀兩種不同顏色物料進(jìn)行分別入庫，因此需要調(diào)用保存在子程序中的任務(wù)指令，可以通過視覺控制器輸出信號給出的信號來調(diào)用需要的指令，Routine1指令是黑色物料存儲(chǔ)地址指令，而Routine2是白色物料存儲(chǔ)地址指令。

主程序中從推料模塊到開始判斷物料顏色的執(zhí)行步驟的指令是不用改變的，其中讓機(jī)器人從輸送末端夾取物料到檢測模塊的相關(guān)指令的編寫代碼如下：

3 系統(tǒng)調(diào)試

視覺模塊設(shè)計(jì)主要依托于VisonMaster軟件平臺，其擁有強(qiáng)大的視覺分析工具庫，可以簡單靈活的搭建機(jī)器視覺應(yīng)用方案，并且無需編程。首先打開VisonController軟件，選擇串口、點(diǎn)擊光源亮度調(diào)節(jié)光源亮度，應(yīng)用后即可使光源以特定亮度打開并且保持不變。

圖11 VisonController控制界面

在顏色處理方面，首先在軟件VisionMaster 3.2.0中新建一個(gè)全新方案。顏色識別主要依靠顏色為模板進(jìn)行分類識別，當(dāng)同種類物體有著比較明顯的顏色差異時(shí)，相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的物體分類并輸出相關(guān)的分類信息。通訊管理方面選取協(xié)議類型為“IO”與“OK時(shí)輸出”，通訊串口號改為“COM2”。啟動(dòng)狀態(tài)改為“非連續(xù)運(yùn)行”。圖12為通訊管理設(shè)置。

圖12 通訊管理

在處理物料時(shí)，根據(jù)不同顏色物料進(jìn)行多次拍攝檢測，觀察并檢測各通道值進(jìn)行對比分析，選擇通道值差距較大的一組數(shù)值對物料進(jìn)行測量分類。圖13為拍攝物料后顏色對比模塊。

圖13 模塊狀態(tài)示意圖

4 結(jié)論

綜上所述，利用視覺系統(tǒng)來模擬人類的視覺來對物料進(jìn)行測量和判斷在生產(chǎn)效率上，可以長時(shí)間保持生產(chǎn)能力，不僅可以解放人工視覺分揀時(shí)的視覺疲勞，而且大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)。