桁架式機(jī)器人視覺(jué)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY1270）；柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年校級(jí)科研一般課題（2023KB08）

第一作者簡(jiǎn)介：王富春（1979-），男，碩士，副教授。研究方向?yàn)橹悄苎b備技術(shù)。

*通信作者：張栩濤（1993-），男，碩士，講師。研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.011

摘" 要：針對(duì)當(dāng)前智能制造裝備存在傳感器監(jiān)測(cè)盲區(qū)且人工點(diǎn)檢效率低、易出錯(cuò)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套桁架式移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線設(shè)備上電氣、機(jī)械關(guān)鍵部位易松動(dòng)易錯(cuò)位等問(wèn)題。該系統(tǒng)安裝在生產(chǎn)線上方，具有可達(dá)范圍廣、無(wú)拍照死角、適用場(chǎng)景廣和不影響生產(chǎn)線設(shè)備動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)，解決傳統(tǒng)地面移動(dòng)巡檢機(jī)器人占用生產(chǎn)線空間、拍照角度受限、無(wú)法進(jìn)入復(fù)雜生產(chǎn)線內(nèi)部點(diǎn)檢等缺點(diǎn)。在智能制造技術(shù)升級(jí)的背景下，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值及推廣意義。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)檢測(cè)；自動(dòng)巡檢；巡檢機(jī)器人；智能制造；生產(chǎn)線

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0044-04

Abstract： Aiming at the current situation of sensor monitoring blind spots and low efficiency and error prone manual inspection in intelligent manufacturing equipment， a gantry robot visual inspection system has been designed. This system aims to achieve automated monitoring of electrical and mechanical critical points prone to loosening or misalignment on production line equipment. Installed above the production line， the system offers advantages including wide coverage， no blind spots in photography， versatile applicability， and no interference with production line equipment movements. The shortcomings of traditional ground-based inspection robots， such as occupying production line space， restricted photography angles， and inability to perform inspections within complex production line internals are solved. In the context of intelligent manufacturing technology upgrading， the system has high practical value and popularizing significance.

Keywords： visual inspection; automatic inspection; inspection robot; intelligent manufacturing; production line

隨著汽車、電子等制造業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化不斷升級(jí)，特別是生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)普遍推進(jìn)“機(jī)器人換人”的發(fā)展趨勢(shì)下，設(shè)備的運(yùn)行管控以及保障變得越來(lái)越重要，通常生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化、智能化設(shè)備系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)布置的相關(guān)傳感器，通過(guò)收集諸如電流、電壓、壓力以及相關(guān)參數(shù)從而判別當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)諸如線束磨損、相關(guān)工裝夾具的位置變化等類似故障率較高的故障源缺乏有效的智能化監(jiān)控，往往執(zhí)行的是故障發(fā)生后的事后維修，容易造成設(shè)備停機(jī)或生產(chǎn)質(zhì)量精度降低甚至不合格等不良后果。

本文設(shè)計(jì)了一套桁架式移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用桁架機(jī)器人搭載工業(yè)視覺(jué)，監(jiān)測(cè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線等設(shè)備上電氣、機(jī)械易松動(dòng)、錯(cuò)位等關(guān)鍵部位，通過(guò)圖像處理判別故障源并提前提出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維修，具有模塊化設(shè)計(jì)、適用場(chǎng)景多、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，解決了當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中常規(guī)傳感器無(wú)法監(jiān)控的盲區(qū)問(wèn)題。

1" 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過(guò)程

1.1" 系統(tǒng)的組成

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)地面往往布置有生產(chǎn)裝備以及配套的控制柜、物流架、起物流搬運(yùn)作用的移動(dòng)機(jī)器人，不便于布置運(yùn)維監(jiān)控機(jī)器人，而且工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線大部分線束、工裝夾具等組成部分需要一定的高度才能拍攝監(jiān)控，地面布置的移動(dòng)機(jī)器人難以有效抓取圖像，因此采用協(xié)助機(jī)器人配合工業(yè)視覺(jué)的方式實(shí)現(xiàn)桁架高空循環(huán)監(jiān)控模式。桁架式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)維系統(tǒng)由桁架、桁架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

搭載工業(yè)相機(jī)的協(xié)作機(jī)器人在桁架上的導(dǎo)軌移動(dòng)，在避開(kāi)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的前提下，通過(guò)變換各個(gè)拍攝角度實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行設(shè)備上的線束、工裝夾具等依次拍攝圖像，控制系統(tǒng)通過(guò)圖像內(nèi)的目標(biāo)位置變化、狀態(tài)變化判斷目標(biāo)的好壞以及預(yù)判目標(biāo)的變化趨勢(shì)，從而顯示目標(biāo)狀態(tài)并給出相應(yīng)的預(yù)防維修建議，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行的監(jiān)控和預(yù)防維修。

1.2" 巡檢機(jī)器人可達(dá)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證巡檢機(jī)器人的巡檢可達(dá)性，使用Proces Simulate軟件對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行三維仿真環(huán)境搭建。并進(jìn)行巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，對(duì)巡檢機(jī)器人創(chuàng)建6個(gè)旋轉(zhuǎn)約束J1—J6，分別對(duì)應(yīng)巡檢機(jī)器人的6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如圖2所示。

根據(jù)每個(gè)工位的巡檢需求，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行巡檢仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)表1。其中機(jī)器人最大可達(dá)距離指機(jī)器人在該工位巡檢拍照姿態(tài)下的末端可達(dá)的最遠(yuǎn)距離，機(jī)器人最大可達(dá)距離受機(jī)器人拍照角度影響，因此每個(gè)巡檢點(diǎn)的機(jī)器人最大可達(dá)距離不相同。最大實(shí)際巡檢距離是巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢任務(wù)時(shí)需要達(dá)到的拍照點(diǎn)距離，巡檢機(jī)器人可達(dá)性定義為機(jī)器人最大可達(dá)距離/最大實(shí)際巡檢距離，可達(dá)性大于100%表明該位置可達(dá)。根據(jù)巡檢機(jī)器人可達(dá)性仿真結(jié)果：OP10工位最大實(shí)際巡檢距離為1 324.73 mm，該工位巡檢機(jī)器人最大可達(dá)距離為1 622.70 mm，因此該工位巡檢機(jī)器人可達(dá)性為122.49%；OP20工位最大實(shí)際巡檢距離為1 345.10 mm，該工位巡檢機(jī)器人最大可達(dá)距離為1 611.01 mm，因此該工位巡檢機(jī)器人可達(dá)性為119.77%；OP30工位最大實(shí)際巡檢距離為1 205.25 mm，該工位巡檢機(jī)器人最大可達(dá)距離為1 618.32 mm，因此該工位巡檢機(jī)器人可達(dá)性為134.27%；OP40工位最大實(shí)際巡檢距離為1 432.28 mm，該工位巡檢機(jī)器人最大可達(dá)距離為1 632.52 mm，因此該工位巡檢機(jī)器人可達(dá)性為113.98%；OP50工位最大實(shí)際巡檢距離為1 242.33 mm，該工位巡檢機(jī)器人最大可達(dá)距離為1 642.36 mm，因此該工位巡檢機(jī)器人可達(dá)性為132.20%；綜上所述，該巡檢機(jī)器人可以覆蓋生產(chǎn)線5個(gè)工位的巡檢點(diǎn)。

2" 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡檢控制系統(tǒng)是桁架式移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)巡檢系統(tǒng)的核心，由上位機(jī)作為總控單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)作機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、巡檢系統(tǒng)X軸軌道伺服電機(jī)、巡檢系統(tǒng)Y軸軌道伺服電機(jī)等硬件的控制，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

2.1" 巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）基于工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的圖像抓取及識(shí)別需求，采用3D主動(dòng)雙目工業(yè)相機(jī)，分辨率12 MP，結(jié)構(gòu)光編碼方式：二進(jìn)制格雷碼，XY/Z方向測(cè)量精度為0.19～0.25 mm/0.1 mm?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線工裝夾具的位置變化識(shí)別如圖4（a）所示，以及機(jī)械易松動(dòng)、錯(cuò)位等關(guān)鍵部位識(shí)別如圖4（b）所示。

2）基于圖像采集對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡變化，需要從不同角度針對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行圖像拍攝，采用6軸協(xié)作機(jī)器人，最大工作半徑1 650 mm，負(fù)載20 kg，重量63 kg，重復(fù)定位精度±0.1 mm，采用Modbus-TCP通信方式，可有效地變化角度和位置抓拍目標(biāo)點(diǎn)。

3）由于采集圖像的目標(biāo)是生產(chǎn)線，其工作范圍較大，且需要配合運(yùn)動(dòng)中的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行位置定位，采用巡檢系統(tǒng)X/Y軸帶動(dòng)安裝在桁架上協(xié)作機(jī)器人，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)巡檢系統(tǒng)桁架X/Y軸，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人的大范圍移動(dòng)巡檢。

4）巡檢過(guò)程的所有流程控制，使用PLC可編程控制器與上位機(jī)及協(xié)作機(jī)器人通信，完成對(duì)巡檢系統(tǒng)桁架X/Y軸伺服電機(jī)控制、對(duì)巡檢結(jié)果做邏輯判斷等功能。

2.2" 巡檢系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在自動(dòng)巡檢模式下，桁架式移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)巡檢系統(tǒng)按照設(shè)定的巡檢邏輯開(kāi)始對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行巡檢監(jiān)控，其控制流程如圖5所示。

巡檢系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行前，根據(jù)生產(chǎn)線巡檢要求錄入生產(chǎn)線的巡檢位置點(diǎn)、巡檢類型及巡檢要求，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，巡檢系統(tǒng)將第一個(gè)位置點(diǎn)、巡檢類型及巡檢要求信息下發(fā)給PLC及協(xié)作機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人首先回到工作原點(diǎn)，巡檢系統(tǒng)X/Y軸伺服電機(jī)啟動(dòng)，根據(jù)巡檢位置點(diǎn)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的X/Y軸位置值，X/Y軸到達(dá)巡檢點(diǎn)位置值后，協(xié)作機(jī)器人移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的巡檢拍照點(diǎn)，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)拍照上傳到上位機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別，根據(jù)圖像識(shí)別結(jié)果決定是否觸發(fā)異常報(bào)警。若巡檢識(shí)別結(jié)果為正常，則自動(dòng)進(jìn)入下一巡檢點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)點(diǎn)檢，若巡檢識(shí)別結(jié)果為異常則記錄巡檢點(diǎn)位置信息及異常信息，并發(fā)出聲光報(bào)警提示，當(dāng)異常排除后自動(dòng)進(jìn)入下一巡檢點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)點(diǎn)檢。

3" 結(jié)論

針對(duì)目前制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)線等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中存在大部分無(wú)法使用傳感器進(jìn)行檢測(cè)的故障源部位，采用工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)視覺(jué)以及圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)桁架式移動(dòng)機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，解決盲區(qū)監(jiān)控的問(wèn)題，并能有效地提前預(yù)判故障的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)防性維修，降低設(shè)備的故障率及停機(jī)率，提高設(shè)備的使用效率，具有模塊化設(shè)計(jì)、柔性化程度高、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，適用于焊接、涂裝、搬運(yùn)等工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線，避免高溫、有毒、危險(xiǎn)等工作環(huán)境。在智能制造技術(shù)升級(jí)的背景下，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值及推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王滿，吳功平，熊一飛，等.巡檢機(jī)器人自動(dòng)上下線系統(tǒng)制動(dòng)裝置研究[J].機(jī)床與液壓，2020，48（9）：1-4.

[2] 馬麗娜.基于PLC的消防自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022（2）：98-99.

[3] 藍(lán)青.火力發(fā)電廠輸灰?guī)捷斔蜋C(jī)廊道智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國(guó)高新科技，2023（8）：84-87.

[4] GUO W， WANG H， JIANG Y， et al. Obstacle Navigation Planning for a Power Transmission Line Inspection Robot[J].Robot， 2012，34（4）：505-512.

[5] 侯衛(wèi)衛(wèi).大數(shù)據(jù)下的遠(yuǎn)程設(shè)備智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2022，19（7）：60-61.

[6] 李梁，劉帥，李國(guó)波，等.變電站智能巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2013（5）：32-35.