基于視覺引導(dǎo)的陶瓷瓶口定位機器人設(shè)計

2016-07-22 10:50:24唐燕妮河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東河源517000

電子測試 2016年11期

唐燕妮（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源，517000）

唐燕妮
（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源，517000）

摘要：為了將視覺系統(tǒng)送入器皿瓷內(nèi)部采集內(nèi)表面圖像，設(shè)計了一種門式三自由度直角坐標(biāo)的陶瓷瓶口定位機器人。介紹了機器人的功能體系和硬件構(gòu)成，研究了基于視覺原理引導(dǎo)機器人定位運動的實現(xiàn)方法：由CMOS相機拍攝瓶口圖像，經(jīng)過處理后擬合出瓶口外環(huán)圓，求取圓心坐標(biāo)。以該坐標(biāo)為目標(biāo)位置，引導(dǎo)機器人XY軸作水平運動，將Z軸定位到瓶口中心。實驗結(jié)果表明，機器人能快速、準(zhǔn)確地獲取瓶口圖像和定位瓶口中心，為機器視覺應(yīng)用在器皿瓷內(nèi)表面的缺陷檢測奠定了研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：視覺引導(dǎo)；陶瓷瓶口；內(nèi)表面；機器人定位

0　引言

陳設(shè)藝術(shù)青瓷器、薄胎瓷器、銅紅釉瓷器、青花瓷器、粉彩瓷器等包括多種器皿瓷產(chǎn)品，如瓶、缸、花缽、箭筒、壇、罐等等。器皿瓷外形不規(guī)則，其特點是上部的口或頸尺寸小、中下部的肩或肚尺寸大（如圖1所示），導(dǎo)致產(chǎn)品的非顯見面人工目視難于抵達(dá)，對內(nèi)部的裂紋、缺釉、釉泡、熔洞、落渣缺陷不能很好的檢驗。隨著機器視覺技術(shù)在陶瓷檢測領(lǐng)域的逐步應(yīng)用和日趨成熟，有效的解決辦法之一是將視覺系統(tǒng)送入器皿瓷內(nèi)部采集圖像，由計算機進行圖像處理和缺陷識別，完成內(nèi)表面外觀質(zhì)量的判別。

圖1　一種器皿瓷產(chǎn)品外形Fig.1 A kind of ceramic ware’s outline drawing

為了引導(dǎo)視覺系統(tǒng)進入器皿瓷內(nèi)部工作，本文以粉彩瓷花瓶為研究對象，設(shè)計了一種應(yīng)用于陶瓷瓶口定位的三自由度門式直角坐標(biāo)機器人。工作時，視覺系統(tǒng)采集瓶口圖像并求取瓶口中心坐標(biāo)，引導(dǎo)機器人運動定位至瓶口中心位置，并可做垂直運動將相機送入瓶內(nèi)拍照，從而提高系統(tǒng)對器皿瓷產(chǎn)品內(nèi)部進行圖像采集的自主判斷能力，提升器皿瓷外觀質(zhì)量檢驗的工作效率。

1　陶瓷瓶口定位機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)機器人的工作任務(wù)和陶瓷瓶外形特點，設(shè)計的三自由度門式直角坐標(biāo)機器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由一組門式XYZ三軸機械臂滑臺、支架、COMS相機模塊和PLC伺服運動系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2　機器人總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The robot’s overall structure

門式XYZ三軸機械臂滑臺是機器人的主體機構(gòu)，組成包括水平移動單元X軸和Y軸，以及垂直移動單元Z軸，可實現(xiàn)XYZ三個自由度的直線運行。水平方向上，由兩個伺服電機經(jīng)各自同步帶驅(qū)動X軸和Y軸在支架上做直線運動，由機械零點坐標(biāo)運動至目標(biāo)坐標(biāo)。其中，機械零點設(shè)置在四邊形支架中心點，目標(biāo)坐標(biāo)即瓶口中心位置信息由視覺引導(dǎo)程序提供。豎直方向上，由一個伺服電機經(jīng)滾珠絲桿帶動Z軸及其末端的相機模塊做垂直直線運動，將相機模塊送入瓶內(nèi)。機器人選擇同步帶傳動方式與滾珠絲杠傳動方式相結(jié)合，同步帶具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性能好的特點，可保證瓶口中心定位運動的穩(wěn)定可靠；滾珠絲杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高的特點，可滿足相機對不同高度的陶瓷瓶內(nèi)拍攝圖像的精準(zhǔn)位置要求。

支架尺寸80×60×100cm，采用框架組合結(jié)構(gòu)，選用鋁合金型材和高強度螺栓連接，整體結(jié)構(gòu)簡單而堅固，為機械臂運動提供了穩(wěn)定可靠的工作平臺。運行時，陶瓷瓶放置在支架下發(fā)中心區(qū)域。

1.2視覺系統(tǒng)

陶瓷瓶口圖像的采集要求瓶口圖像能快速、有效的被獲取并送往計算機處理，對視覺系統(tǒng)的硬件要求不高。綜合考慮視覺系統(tǒng)的其它要求，如進入外形不規(guī)則的陶瓷瓶內(nèi)采集多幀圖像，需要滿足瓶內(nèi)工作空間小、機器人負(fù)載輕、相機能自動變焦等應(yīng)用要求，選用了基于索尼IMX179方案設(shè)計的COMS相機模組。該相機具有自動對焦功能和800萬有效像素，采用USB2.0與計算機通信，配合M12規(guī)格的高拍儀鏡頭使用，擁有工業(yè)級的拍攝速度和圖像質(zhì)量，充分滿足了視覺系統(tǒng)選型微型化、智能化的要求。相機模組帶有兩排LED燈組成的線形光源，尺寸為32×32×23mm，通過固定機構(gòu)安裝在Z軸機械臂的下端。

1.3PLC伺服運動系統(tǒng)

根據(jù)機器人的功能要求，設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)主要包括PLC單元、伺服驅(qū)動器、伺服電機、傳感器、手動按鍵和蜂鳴器電路等，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC及擴展模塊接收和處理傳感器采集的開關(guān)信號，通過串口與計算機軟件實時通訊，接收軟件傳輸出的機器人運動坐標(biāo)信號，轉(zhuǎn)換為脈沖序列和正反轉(zhuǎn)方向信號給伺服驅(qū)動器。驅(qū)動器輸出電壓信號控制伺服電機運轉(zhuǎn)，并接收電機反饋信號，實現(xiàn)機器人位置運動的精準(zhǔn)控制。為保證系統(tǒng)的可靠性，電氣控制選用三菱FX2N36MR繼電器型PLC作為中央控制處理器，驅(qū)動器選用交流伺服驅(qū)動器GS0020A，電機選用微型交流伺服電機60CB020C。

圖3　PLC伺服運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure chart of PLC servo motor system

2　陶瓷瓶口定位機器人的軟件開發(fā)

2.1視覺處理與引導(dǎo)

2.1.1獲取瓶口圖像

當(dāng)陶瓷瓶處于支架下方中心區(qū)域時，系統(tǒng)點亮光源并觸發(fā)相機向下拍攝一幀瓶口圖像。以瓶口圖像的垂直平分線為分界線，分左右兩側(cè)對非零像素數(shù)量進行累加統(tǒng)計，比較和值的大小，可分析出三種典型的位置狀態(tài)：兩側(cè)和值接近，說明瓶口處于中間位置；左側(cè)和值高，說明瓶口位置偏左，其瓶口外環(huán)的邊緣接近圖像左邊界；右側(cè)和值高，說明瓶口位置偏右，其瓶口外環(huán)的邊緣接近圖像右邊界。不同位置的瓶口圖像如圖4所示。

圖4　不同位置的瓶口圖像Fig.4 The vase-mouth image in different positions （a）center；（b）left；（c）right

2.1.2瓶口圖像的處理

陶瓷瓶生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、光照以及機器人機械振動等環(huán)境影響，使得相機拍攝到的瓶口圖像帶有噪聲，需先對圖像進行預(yù)處理，濾除噪聲干擾和突出圖像特征，方便圖像的后續(xù)處理。軟件首先對瓶口圖像進行了5×5模板的中值濾波，然后進行二值化處理，最后利用canny算子求取瓶口邊緣。一幀瓶口中心位置偏左的圖像處理結(jié)果如圖5所示。

圖5　瓶口圖像的處理Fig.5 The vase-mouth image processing （a）median filter；（b）binarization；（c）edge extraction

2.1.3求取瓶口中心坐標(biāo)

經(jīng)過處理后得到了陶瓷瓶口的清晰邊緣，已知瓶口外環(huán)的實際半徑，依據(jù)RANSAC思想，可由瓶口外環(huán)邊緣上一組離散的點魯棒性地擬合出圓心位置。擬合圓算法的實現(xiàn)如下：

（1）依據(jù)瓶口位置，確定從左側(cè)或右側(cè)的瓶口邊緣開始擬合圓；

（2）從邊緣圓弧的點集合里取三個隨機點，根據(jù)三個點作兩條垂直平分線；

（3）以所求得兩條直線的交點為圓心，交點到圓弧某一點的距離為半徑，獲得一個擬合圓；

（4）將擬合圓半徑與已知瓶口外圓環(huán)半徑求差，保留差值小的圓，舍棄差值大的圓；

（5）進行20次迭代計算，選擇一個最靠近圖像側(cè)邊的圓作為瓶口的外環(huán)圓，其圓心坐標(biāo)為瓶口中心坐標(biāo)。左上角的零點為圖像坐標(biāo)系原點，擬合圓和求取坐標(biāo)的結(jié)果如圖6所示。

圖6　擬合圓和求取瓶口中心坐標(biāo)Fig.6 Fitting an outer circle of the vase-mouth and obtaining the center coordinates.

2.1.4輸出XY坐標(biāo)

獲得圖像上的瓶口中心坐標(biāo)后，通過線性標(biāo)定方式對相機進行標(biāo)定，可以建立圖像坐標(biāo)系與機器人實際坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。繪制一張機器人二維基礎(chǔ)坐標(biāo)系圖片放置在瓶口中心位置，其坐標(biāo)原點與機器人在XY水平面的機械零點位置一致，通過相機采集該圖像。然后借助視覺軟件VisionPro的CalibNPointToNPointTool標(biāo)定工具獲得圖像上各點的坐標(biāo)值，與機器人基礎(chǔ)坐標(biāo)值進行一一對應(yīng)，構(gòu)建一個線形關(guān)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)了將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實際坐標(biāo)輸出。該坐標(biāo)作為目標(biāo)位置引導(dǎo)機器人的X軸和Y軸機械臂在水平面的定位運動。

2.2機器人定位運動

2.2.1求取XY運動量

機器人開始工作前，要求在水平和垂直方向均處于機械零點位置，需要進行初始化。具體操作為：X軸和Y軸歸零，處于機器人水平面實際坐標(biāo)的原點；Z軸歸零并鎖死，它在整個瓶口中心定位過程中靜止。根據(jù)任務(wù)要求，機器人由零點出發(fā)在整個支架水平面上做直線運動，直到Z軸到達(dá)坐標(biāo)位置，完成陶瓷瓶口中心的定位。機器人X軸、Y軸、Z軸機械臂的運動距離為：

2.2.2PLC程序設(shè)計

機器人的運動以PLC為核心控制器，采用點到點位置伺服控制模式。PLC從串口通訊獲得目標(biāo)坐標(biāo)，通過PLC發(fā)出脈沖系列來完成位置伺服控制過程，驅(qū)動機械臂完成直線運動。程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主程序負(fù)責(zé)初始化和調(diào)用子程序，瓶口定位和Z軸進入瓶內(nèi)運動均在子程序中完成，保證了程序結(jié)構(gòu)的簡潔和功能擴展的方便。機器人運行子程序流程如圖7所示。

圖7　機器人運行子程序流程圖Fig.7 The flowchart of robotic operation

3　實驗

為了驗證機器人系統(tǒng)的有效性和可靠性，基于視覺引導(dǎo)進行了陶瓷瓶口中心的定位實驗。選取高度46cm口徑34cm的粉彩瓷花瓶為實驗對象，花瓶瓶口向上擺放在支架下方中心區(qū)域，瓶口中心位置為隨機狀態(tài)。實驗時，由計算機軟件發(fā)出操作指令，相機垂直向下拍攝一幀瓶口圖像，軟件求取瓶口中心坐標(biāo)并引導(dǎo)機器人運動，直到Z軸定位到該坐標(biāo)，機器人反饋運行時間給軟件。

由于花瓶位置隨機擺放，瓶口中心與機器人機械零點距離不確定，機器人運動時間有長短變化，為了保證運行平穩(wěn)，通過設(shè)置XY軸伺服驅(qū)動器的水平速度脈沖，限定一次定位時間小于15s。機器人運行若干次定位實驗，經(jīng)人工校驗Z軸與瓶口中心線的直徑偏差小于0.1cm，瓶口定位準(zhǔn)確率均達(dá)100%。此時Z軸與瓶口中心處于同一垂直線，為機器人將相機送入瓶內(nèi)工作做好了準(zhǔn)備。三種典型位置的陶瓷瓶口定位實驗結(jié)果如表1所示。

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于視覺引導(dǎo)的陶瓷瓶口定位機器人。該機器人為三自由度門式直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，搭載了一個COMS相機模組，可拍攝支架下方的陶瓷瓶口圖像并送往計算機。計算機軟件進行圖像預(yù)處理和求取邊緣，采用比較中垂線兩側(cè)非零像素和值大小的方法判斷瓶口位置，從左側(cè)或右側(cè)擬合出瓶口外環(huán)圓，并求取瓶口圓的中心坐標(biāo)。該坐標(biāo)傳輸給以PLC控制器為核心的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，引導(dǎo)X軸、Y軸機械臂運動定位到瓶口中心。實驗結(jié)果表面，該機器人能夠快速、準(zhǔn)確地定位瓶口中心位置，方便Z軸機械臂將相機送入陶瓷瓶內(nèi)工作，為機器視覺采集陶瓷瓶內(nèi)部圖像和進行缺陷檢測提供了技術(shù)基礎(chǔ)，具有一定的參考和應(yīng)用價值。

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Ceramic Ware-mouth Positioning Robot Based on Vision Guide

Tang Yanni
（Heyuan polytechnic College，Heyuan，Guangdong，517000）

Abstract：In order to send a visual device into ceramic ware for capturing inner surface images，a kind of 3-DOF Cartesian-coordinate robot is presented in this paper，which positioning for the vase-mouth-center.The robot’s function system and hardware structure are designed，0the control way of positioning motion based on visual guiding is studied:The vase-mouth image is captured by COMS camera，then processed and fitted an outer circle of the vase-mouth，obtained the center coordinates.The coordinates for the target guides XY axis in horizontal movement，until Z axis positioning the vase-mouth-center.The experiment shows that the robot can rapidly and accurately acquire image and positioning vase-mouth，it lays a good foundation for the application of machine vision in inspecting inner surface defects of ceramic ware.

Keywords：vision guide；vase-mouth；inner surface；robot position

中圖分類號：TP242.3

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介

唐燕妮（1981-），碩士，講師，研究方向為智能控制及機器視覺技術(shù)。