低成本物料工件識別檢測系統

滕宇

（西南大學計算機與信息科學學院軟件學院，重慶，400715）

隨著勞動力成本逐漸增加，“機器換人”已經成為大勢所趨。其中“智能分揀流水線”的應用，憑借優越的性能，為企業節省了大量人力，提高了生產效率，受到企業的歡迎。

“智能分揀流水線”基于機器視覺和工業機器人，這兩者的價格都很高。目前一套“智能分揀流水線”的總造價至少在幾十萬元以上。然而很多企業資金緊張、效益不高，雖然有“機器換人”的意愿，但是“智能分揀流水線”的價位對企業來說，無法承受。

為了解決上述問題，我們研發了“低成本智能分揀流水線”。在物料不復雜的情況下，采用多種降低成本的措施，極大降低了總系統造價。為中小企業或者效益不好的企業進行“機器換人”，提供了廣闊的空間。

這里介紹的“低成本識別檢測系統”，在很多情況下可以替代機器視覺，它基于低成本的單片機和光電檢測模塊，造價在百元左右。該系統能夠在傳送帶運行過程中，檢測工件物料中心位置和角度信息。

1 工作原理

硬件電路比較簡單，根據需要將多個光電檢測模塊安裝成一排，固定于流水線上方。每個光電檢測模塊的輸出連接到單片機輸入端口即可。光電檢測模塊的安裝如圖1所示。電路如圖2所示。

圖1 光電檢測模塊的安裝

圖2 電路圖

當物料工件由傳送帶輸送，從光電檢測模塊下方經過的時候，相應位置的光電檢測模塊檢測到信號，并傳送給單片機。

隨著物料工件逐步經過光電檢測模塊下方，單片機不停地采集這些信號，會得到一個被測物料工件的信息點陣。如圖3、4所示。

圖3 光電檢測物料工件示意圖

圖4 物料工件的信息點陣

利用程序對物料工件的信息點陣進行分析，可以得出其傾斜角度、中心位置等關鍵信息。

2 程序設計思路

下面著重分析一下程序設計思路。

單片機通過定時中斷方式，采集光電檢測模塊傳感信號，假設有16個光電檢測模塊，其信號組成16位數據，每個光電檢測模塊與數據位一一對應。右側是低位，左側是高位。無信號對應位是0，有信號對應位是1。

以檢測矩形物料工件為例，短邊的長度L1，長邊的長度L2。示意圖如圖5所示。

一旦檢測到物料工件剛剛進入檢測區，就判斷數據的非零點位置，即首次非零點A，記為n1。

此后，不停地判斷該點以左，最左端的非零點位置，記為Ltest。隨著物料工件逐步前行，Ltest數值越來越大。當Ltest達到最大值的時候，記為n2，說明物料工件的B點進入檢測區。設Q = n2 - n1。

由于傳送帶采用步進電機控制，速度恒定，可以計算此時工件的移動距離P。

在已知點A的位置n1以及傾斜角度α的情況下，物料工件中心位置（X0，Y0）也可以用數學公式求得。這里不再贅述。

圖5 檢測角度、中心位置

3 程序流程

上述程序處理方法的主要流程，如圖6所示。

4 整體應用

我們將低成本識別檢測系統應用于低成本智智能分揀流水線，取得了很好的效果。

圖6 主要流程圖

低成本智智能分揀流水線主要由四部分組成：檢測系統、碼垛機器人、傳送系統、控制系統。如圖7所示。

圖7 低成本智能分揀流水線

各部分作用如下：

傳送系統：保證傳送帶以恒定速度傳送工件、物料。

檢測系統：檢測工件、物料的位置、角度等信息。

碼垛機器人：將工件、物料從傳送帶搬運到指定位置。

控制系統：統一協調各部分工作。

■4.1 經濟性

（1）采用低成本物料工件識別檢測系統

低成本智能分揀流水線利用廉價的光電傳感系統，代替了價格昂貴的機器視覺檢測系統，從中節省的成本是巨大的。一臺視覺系統價值數萬元，而結合單片機開發的光電檢測系統，成本也只有百元左右。

（2）采用改進的低成本四軸碼垛機器人

采用改進結構的低成本四軸碼垛機器人，3D打印出材料輕盈的機器人本體緊固件，采用閉環步進電機。四軸碼垛機器人的成本只有一兩千元。

（3）采用低成本嵌入式控制系統

低成本嵌入式控制系統能夠完全滿足本項目控制需求，成本極低，百元左右。

■4.2 實用性

（1）自動檢測工件物料的位置、角度

低成本智能分揀流水線能夠有效檢測目標位置、角度。如果稍作改進，即可實現許多規則形狀的工件物料識別。

（2）采用可靠的典型工業四軸碼垛機器人

四軸碼垛機器人不僅成本低廉，而且結構牢固，功能強大，使用靈活，適用于不同的生產工藝。

（3）采用嵌入式控制系統，便于功能擴展

采用嵌入式控制系統，不僅僅能夠完成硬包裝等工件物料的識別、分揀，控制程序稍作變化，即可對軟包裝工件物料進行精準有效的識別、分揀。

■4.3 創新點

（1）檢測系統結構創新

結合準確運動的傳送帶，通過光電傳感陣列的觸發順序及觸發數量等，采集和處理陣列覆蓋區域中所感知對象的信息，判斷感知對象的有無以及其典型特征等情況。

（2）控制系統結構創新

為了提高效率，減少干擾，采用模塊化多處理器設計，便于分工進行程序設計、調試、修改。

（3）傳送系統創新

傳送系統拋棄了傳統的交流電機，利用閉環步進電機作為動力，確保運動平穩，速度精確。

（4）四軸碼垛機器人結構創新

四軸碼垛機器人以碳纖管作為支架，減輕重量，以新型3D打印材料作為承載體，打造出了十分精巧的桌面機器人。

整個系統能夠準確分析矩形、圓形等形狀工件的位置、角度信息，并實現物料工件的抓取、碼放。簡單實用，經濟實惠。

* [1]胡桂半.典型自動化生產線運行與維護[M].北京：機械工業出版社，2017.10

* [2]李紹炎.自動機與自動線（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2016.7