基于AI 視覺的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 明

（濰柴(濰坊)材料成型制造中心有限公司，濰坊 261100）

近年來，隨著我國計(jì)算機(jī)、人工智能等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人逐漸成為智能制造領(lǐng)域必不可少的裝備。傳統(tǒng)的機(jī)器人抓取系統(tǒng)使用已知零件固定點(diǎn)位視角的方式，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，工業(yè)零件的大小、顏色、類型均不同，無法實(shí)現(xiàn)零件的精準(zhǔn)抓取[1]。工業(yè)機(jī)器人利用自身能力和外部控制力實(shí)現(xiàn)各種功能。相較于其他機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可以不斷重復(fù)同一動(dòng)作指令，在工業(yè)零件的抓取中具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，工業(yè)機(jī)器人的抓取誤差是不容忽視的問題。人工智能（Artificial Intelligence，AI）視覺作為一種高級(jí)技術(shù)，可以使機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行識(shí)別、跟蹤與檢測(cè)等?；贏I 視覺的機(jī)器人抓取系統(tǒng)可以完成對(duì)不同形狀、不同大小的零件的識(shí)別，同時(shí)控制抓取系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取。

1 系統(tǒng)總體方案

基于AI 視覺的機(jī)器人抓取系統(tǒng)通過機(jī)器視覺檢測(cè)零件，引導(dǎo)機(jī)器人抓取零件并運(yùn)送到碼垛區(qū)。該系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、AI 視覺模塊、機(jī)械爪、傳感器、交流異步電機(jī)等組成[2]。使用西門子S7-1200 系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），通過HuskyLens AI 模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺。傳感器將采集到的信號(hào)發(fā)送給PLC 進(jìn)行處理，而后向機(jī)器人發(fā)送控制命令。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人智能抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將機(jī)器人置于初始位置，啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行程序，得到抓取信號(hào)。AI 視覺傳感器檢測(cè)到工件后進(jìn)行抓取，并將工件放在指定位置，利用傳送帶將零件傳送到指定區(qū)域。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AI 視覺傳感器

HuskyLens AI 視覺傳感器使用AI 芯片，內(nèi)置了多種算法，僅需一鍵操作即可進(jìn)行智能識(shí)別。AI 視覺傳感器中配備了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，具有人臉識(shí)別、物體識(shí)別、顏色識(shí)別等功能。HuskyLens AI 視覺傳感器能夠在本地處理所有算法，并直接輸出結(jié)果。

2.2 工業(yè)機(jī)器人

文章選擇一款六軸工業(yè)機(jī)器人，其優(yōu)勢(shì)在于十分靈活、工作范圍較大。工業(yè)機(jī)器人的末端抓手由氣爪與雙吸盤構(gòu)成，其中雙吸盤可用于吸取表面比較光滑的工件，氣爪可用于抓取各種形狀的工件。將兩種抓取方式相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大部分工件的有效抓取。機(jī)器人使用指示Modbus TCP 通信，實(shí)現(xiàn)與PLC 控制器之間的數(shù)據(jù)交互。

2.3 PLC 控制器

選擇西門子S7-1200 系列PLC，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）型號(hào)為CPU 226。PLC 運(yùn)行速度較快、生產(chǎn)能力強(qiáng)、通信效果好，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、模塊化等特征，在各種自動(dòng)化項(xiàng)目中具有良好的應(yīng)用效果[3]。PLC 控制器內(nèi)部集成2 個(gè)PROFINET 通信接口，實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備之間的通信功能，可以完成復(fù)雜程度更高的任務(wù)。

2.4 傳送帶單元

機(jī)器人抓取零件后，將零件運(yùn)輸?shù)骄彌_區(qū)，此過程需要使用傳送帶。傳送帶由視覺檢測(cè)識(shí)別區(qū)、零件運(yùn)送緩沖區(qū)、機(jī)器人零件抓取區(qū)等組成。傳送帶單元在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，將零件運(yùn)送到指定區(qū)域。傳送帶的各結(jié)構(gòu)輸入端均配備光電傳感器，負(fù)責(zé)檢測(cè)零件是否到達(dá)指定區(qū)域。在檢測(cè)區(qū)末端及抓取區(qū)前端均安裝擋板，起到一定的固定作用[4]。

2.5 HMI 控制終端

在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)時(shí)，需調(diào)試配置參數(shù)。在工業(yè)機(jī)器人正式投入運(yùn)行后，可使用人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏，操作控制系統(tǒng)、了解各設(shè)備的運(yùn)行情況以及修改各種參數(shù)。采用HMI 控制面板TP700 Comfort 觸摸屏，結(jié)合PLC程序，既可設(shè)置抓取系統(tǒng)參數(shù)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行情況，了解其運(yùn)行狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人程序

工業(yè)機(jī)器人的編程語言靈活且簡(jiǎn)單，方便工作人員快速掌握。工業(yè)機(jī)器人的抓取動(dòng)作由多個(gè)指令實(shí)現(xiàn)，包括快速、直線等。由指令控制的機(jī)器人運(yùn)行過程如下：第一，向工業(yè)機(jī)器人發(fā)出指令，使機(jī)器人抓手到達(dá)零件附近；第二，發(fā)出慢速指令使機(jī)器人緩慢接近零件；第三，發(fā)出I 指令使工業(yè)機(jī)器人等待夾取信號(hào)，發(fā)出O 指令使抓手夾取零件；第四，發(fā)出慢速指令控制抓手將零件放在傳送帶上；第五，發(fā)出快速指令控制機(jī)器人抓手移動(dòng)到零件周圍[5]。

3.2 PLC 程序

采用TIA Portal 軟件來開發(fā)PLC 程序。文章使用結(jié)構(gòu)化控制語言（Structured Control Language，SCL）進(jìn)行開發(fā)。PLC 主要控制系統(tǒng)的變頻器、傳送帶電機(jī)、光電傳感器等硬件，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。

傳送帶電機(jī)使用三相異步電機(jī)，通過西門子G120 變頻器來驅(qū)動(dòng)。變頻器通信參數(shù)設(shè)置為P15=7（現(xiàn)場(chǎng)總線模式），采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS 控制方式，通過發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的方式控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)、停止與速度切換。PLC 將報(bào)文發(fā)送給變頻器寄存器，第一個(gè)報(bào)文為控制字。例如，控制電機(jī)啟動(dòng)為16#047F，電機(jī)停止為16#047E。第二個(gè)報(bào)文是電機(jī)頻率字，可理解為速度設(shè)定值。例如，0～10 為正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，11～20 為反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 視覺程序

Mind+軟件可添加文字、圖片，具有繪制功能，通過拖動(dòng)圖形即可實(shí)現(xiàn)編程，因此選擇該軟件編寫視覺程序。編寫視覺程序時(shí)，需設(shè)置HuskyLens AI 視覺模塊，初始化引腳，并將視覺模塊切換至顏色識(shí)別模式。在設(shè)置視覺程序時(shí)，可將藍(lán)色設(shè)置為ID1。在運(yùn)行過程中，視覺程序請(qǐng)求將一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到結(jié)果中，然后對(duì)比數(shù)據(jù)。如果滿足條件，則開始抓取，將低電平發(fā)送給數(shù)字引腳，并作為驅(qū)動(dòng)鏈接至PLC 的線圈。如果結(jié)果無法滿足條件，則給引腳高電平，避免PLC進(jìn)行抓取，在檢測(cè)到工件后，再執(zhí)行抓取動(dòng)作[6]。

3.4 觸摸屏設(shè)計(jì)

經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試后，使用觸摸屏控制機(jī)器人抓取系統(tǒng)運(yùn)行，并監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。在觸摸屏的“按鈕”組件中，綁定PLC 的輸出變量和中間變量，設(shè)置系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)/單機(jī)模式、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止等。利用基本控件顏色表示光電傳感器、氣擋升降狀態(tài)，通過輸入/輸出（Input/Output，I/O）域顯示位置坐標(biāo)、零件顏色等。

3.5 視覺檢測(cè)處理

視覺檢測(cè)可以采用In-Sight Explorer 軟件進(jìn)行，該軟件具有豐富的視覺工具，無須代碼編程即可搭建視覺項(xiàng)目。AI 視覺傳感器檢測(cè)到工件后，拍攝工件圖像，利用In-Sight Explorer 軟件分析工件顏色、計(jì)算斑點(diǎn)數(shù)等。AI 視覺傳感器通過以太網(wǎng)通信方式觸發(fā)相機(jī)拍照識(shí)別，然后將識(shí)別的信息轉(zhuǎn)發(fā)給PLC，將工件類型、位置、顏色等信息添加至格式化輸出數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)整體工作流程

在傳送帶上放置托盤，將工件放在托盤上，按照順序運(yùn)送。光電傳感器檢測(cè)到工件后，氣擋升起并固定，觸發(fā)AI 視覺傳感器識(shí)別和檢測(cè)工件。確認(rèn)工件無誤后，降下氣擋，將托盤運(yùn)送至工業(yè)機(jī)器人抓取區(qū)。視覺傳感器檢測(cè)工件的顏色、角度、類型、擺放位置等，并將數(shù)據(jù)傳送給PLC。PLC 處理工件數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人[7]。在托盤傳送期間，光電傳感器檢測(cè)到托盤進(jìn)入抓取區(qū)域后，升起氣擋，便于機(jī)器人執(zhí)行抓取任務(wù)。機(jī)器人根據(jù)PLC 傳輸?shù)墓ぜ畔ⅲx擇合適的抓取工具。工件被抓取后氣擋下降。機(jī)器人抓取工件后，將空托盤放回回收處，等待下一次運(yùn)輸。

5 工業(yè)機(jī)器人抓取仿真試驗(yàn)

5.1 搭建仿真環(huán)境

搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用16 GB 的個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）作為硬件平臺(tái)，基于Ubuntu18.04 系統(tǒng)開展仿真實(shí)驗(yàn)。研究工業(yè)機(jī)器人的智能抓取系統(tǒng)，構(gòu)建六軸工業(yè)機(jī)器人的仿真模型進(jìn)行抓取試驗(yàn)，檢驗(yàn)抓取效果。

5.2 實(shí)驗(yàn)條件確定

機(jī)器人抓取能力由抓取位置、定位位置決定。誤差越小意味著機(jī)器人抓取精準(zhǔn)性越高。實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)核心定位區(qū)域，包含8 個(gè)抓取目標(biāo)，其定位位置如表1所示。為確保抓取效果，在實(shí)驗(yàn)過程中定位位置保持不變。選擇XY坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，機(jī)器人僅進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)。

表1 抓取目標(biāo)定位位置

選擇基于AI 視覺的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行工件抓取，記錄工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際抓取效果。選擇基于多傳感器融合的控制系統(tǒng)作為對(duì)照組A，選擇基于以太網(wǎng)技術(shù)與融合視覺的控制系統(tǒng)作為對(duì)照組B，觀察機(jī)器人的抓取效果。對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的抓取效果進(jìn)行對(duì)比分析。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

X軸抓取試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出：實(shí)驗(yàn)組的抓取位置差值最?。辉? 號(hào)目標(biāo)處，對(duì)照組A 的實(shí)際抓取位置存在較大誤差；在1 號(hào)目標(biāo)處，對(duì)照組B 的實(shí)際抓取位置坐標(biāo)和定位位置坐標(biāo)之間存在較大偏差。

圖2 X 軸抓取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Y軸抓取試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出：實(shí)驗(yàn)組Y軸實(shí)際抓取位置坐標(biāo)與定位位置坐標(biāo)完全一致；在2 號(hào)目標(biāo)處，對(duì)照組A 實(shí)際抓取位置坐標(biāo)與定位位置坐標(biāo)的差值最大；在5 號(hào)目標(biāo)處，對(duì)照組B 實(shí)際抓取位置坐標(biāo)與定位位置坐標(biāo)的差值最大。

圖3 Y 軸抓取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相較于基于AI 視覺的機(jī)器人抓取，融合視覺與以太網(wǎng)的機(jī)器人抓取系統(tǒng)以及基于多傳感器的機(jī)器人抓取系統(tǒng)具有較大誤差?；贏I 視覺的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)能夠有效降低抓取位置誤差，符合當(dāng)前機(jī)器人的抓取精度需求。

6 結(jié)語

文章利用AI 視覺設(shè)計(jì)了機(jī)器人抓取系統(tǒng)，以PLC 為系統(tǒng)的主控制器，通過視覺檢測(cè)、機(jī)器人抓取、零件運(yùn)送、HMI 控制終端等模塊，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)抓取。此外，檢驗(yàn)系統(tǒng)抓取效果，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的機(jī)器人抓取結(jié)構(gòu)具有良好的精度。利用AI 視覺設(shè)計(jì)機(jī)器人抓取系統(tǒng)，消除了工業(yè)機(jī)器人實(shí)際抓取過程中存在的誤差，對(duì)于改善機(jī)器人的抓取效果具有重要意義。