視覺機器人在包裝生產線上的技術應用

張子龍 劉熾輝 趙慧民

摘要：機器人快速移動運動零件的研究也是一個研究仿生的智能平臺，視覺伺服機器人處理運動零件的技術，可應用在抓取傳送帶上正在運動的零件。

關鍵詞：視覺；機器人；控制系統；通信

近些年，由于食品工業的迅猛發展，人們生活節奏變快，需要更多便捷的食品。龜苓膏是歷史悠久的梧州傳統藥膳，倍受人們喜愛，并暢銷中外。龜苓膏包裝生產線主要以人力包裝為主，機械輔助，生產線自動化改造勢在必行。機器人快速移動運動零件的研究也是一個研究仿生的智能平臺，視覺伺服機器人處理運動零件的技術，可應用在抓取傳送帶上正在運動的零件。通過現場考察和實踐研究，我們發現該技術是國產龜苓膏包裝系統的技術難點和關鍵問題。

工業機器人技術是近年來新技術發展的重要領域之一，是以信息與通訊技術為主導的多種新興技術與機械技術交叉、融合而成的一種綜合的高新技術。工業機器人是最典型的機電一體化裝備，應用范圍很廣，作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，將對未來生產和社會發展起著越來越重要的作用。帶有外部傳感器視覺系統的工業機器人應用的范圍非常廣，機器人產業是繼汽車、計算機之后出現的一種新的大型高技術產業。因此智能化的工業機器人技術也成為廣大工程技術人員迫切需要掌握的知識。

現在傳統的龜苓膏包裝生產線主要由上料，自動貼標簽，擺正龜苓膏，放杯蓋及投放糖漿杯子，投放小勺匙，安裝，裝盒，封膠帶，現在通過生產線的自動化關鍵技術改造，能使得生產線更加自動化和智能化。其中需要把龜苓膏和裝有小勺匙和糖漿的杯蓋合在一起（見圖），

利用機械手來進行捉取的方法大概有2種：第一種就事抓取蓋子放在龜苓膏上方，第2種就是抓取龜苓膏放在蓋子上。方案的設計首先要分析產品的特點，蓋子比較薄而且軟，而且考慮要到還有把小勺匙和糖漿放在里面，故設計了一個類似碗的模具，剛好能放下蓋子，然后把小勺匙和糖漿放在蓋子的里面，再用機械手把龜苓膏從一個地方移動到另一個地方，具體的解決的方案（見下圖）是：裝有兩個傳輸帶，有一個傳輸帶1利用放有類似碗裝的模具，利用限位裝置排成一行，去到預設好的位置，觸動光電傳感器，光電傳感器發出信號，讓機器人獲得模具的坐標，并結合傳輸帶的編碼器給出的脈沖信號，脈沖信號的波數乘以每脈沖傳輸帶移動的距離，就是移動的距離。通過計算得出某一時間后模具去到的位置坐標。另一條傳輸帶2把龜苓膏運過來，由工業相機拍照，視覺系統分析照片，確定好龜苓膏位置坐標，再結合另一條傳輸帶的編碼器給出的脈沖信號，用同樣的方法通過計算得出某一時間后模具去到的位置坐標。機器人根據程序去到預算好的坐標去捉取目標，提起來送到模具的上方，放下龜苓膏，完成一個循環。

這次用的機器人是并聯機器人，整個方案的特點是可以通過視覺系統捕捉目標物體，由三個并聯的伺服軸確定抓具中心的空間位置，實現目標物體的運輸，加工等操作。并聯機器人是典型的空間三自由度并聯機構，整體結構精密、緊湊，驅動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有承載能力強、剛度大、自重負荷比小、動態性能好；并行三自由度機械臂結構，重復定位精度高；超高速拾取物品，一秒鐘多個節拍等特點。非常適合使用到這種需要快速移動并且負重較小的地方。

工業機器人主要由三大部分組成：

（1）機械本體部分

工業機器人的機械本體部分是工業機器人的重要部分，其功能為實現各種動作。其他組成部分必須與機械本體相匹配，相輔相成，組成一個完整的機器人系統。

（2）傳感部分

傳感部分用于感知內部和外部的信息。要機器人與人一樣有效地完成工作，對外界狀況進行判別的感知功能是必不可少的。沒有感知功能的機器人，只能按預先給定的順序，重復地進行一定的動作。

（3）控制部分

控制部分用于控制機器人完成各種動作，工業機器人的控制主要包括：機器人的動作順序、應實現的路徑與位置、動作時間間隔以及作用于對象上的作用力等。工業機器人控制系統一般是以機器人的單軸或多軸運動協調為目的的控制系統。工業機器人控制部分是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡單的編程控制，微處理機控制到小型計算機控制等。

另外機器人擁有六個子系統：

（1）機械結構系統

（2）驅動系統

（3）傳感系統

（4）人機交互系統

（5）控制系統

（6）機器人-環境交互系統

視覺系統是傳感系統的其中一部分，包括七大功能模塊，分別是圖像采集模塊、顯示模塊、相機標定模塊、圖像處理模塊、雙目三維重建模塊、點云處理識別模塊、機器人通信模塊，相關連接如下圖：

機器人捉取精度跟由工業相機拍照之后圖片的計算處理很有光系。現在流行的方法有很多。本文介紹其中一種。

具體來說就是采用CCD（Charge Coupled Device）照相機攝取檢測圖像，再利用圖像濾波、二值化、圖像分割等技術進行圖像處理，通過各類坐標系的轉換標定最后的世界坐標，利用隨機散斑建立結構光，并進行灰度匹配進行三維重建，利用PCL點云庫若干算法實現點云的濾波、求解法向量、點云分割、關鍵點選取、關鍵點的特征描述以及最后的點云匹配確定工件的精確位姿，使用機器人逆解算法和編程技術實現機器人的點位運動控制。

不同的應用環境需要靈活地應用帶視覺系統的工業機器人，可以大大提高生產力，為社會做出很大的貢獻。隨著人類技術的不斷提高，我們能夠做出更快更強的機器人，適合應用在更多的地方。

參考文獻

[1] 孫應飛，羅愛華. 我國工業機器人發展研究[J]. 科學技術與工程，2012， 12（12）： 2912-2917

[2] 機器人視覺伺服研究進展：視覺系統與控制策略[J]. 賈丙西，劉山，張凱祥，陳劍. 自動化學報. 2015（05）

作者簡介：張子龍，廣東，1974年4月10日，漢，機械工程師，研究方向：機械設計與制造。

（作者單位：廣東技術師范大學）