基于機器視覺的機器人流水線分揀系統的設計研究

劉茂興　段柳敏

摘要：針對生產線上的形狀各異的不同工件，本文提出對于工件生產線進行識別與定位，然后通過機器視覺進行高速精確分揀的任務要求。本文設計了一套基于機器視覺的分揀系統，并對可視化控制與運動控制系統進行具體設計，實現了系統的自動化。

關鍵詞：機器視覺;機器人;流水線分揀系統

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0187-01

文章涉及機器人流水分揀系統，是基于機器視覺的視角，并進行總體的方案涉及，并具體設計視覺系統和運動控制系統，并對硬件選型和軟件開發進行分析。

1 系統的總體方案設計

本文設計的分揀系統主要是對于雜亂物料進行輸送，以及機器視覺的物料檢測與控制，機器人的本體控制。

在該系統中，主要的控制系統是視覺控制系統、運動控制系統。視覺控制系統當中，不同的工件經過傳送帶會進入到視覺系統的視野范圍當中， 由工業相機采集圖片，并對圖片進行處理，使得相關的信息能夠得到識別，對于工件的位置進行動態的識別和跟蹤，最后將處理完成的數據存儲在數據庫當中， 從而為機器人的運動提供依據。當工件到達了機械臂的運動空間當中的時候，運動控制系統則會根據獲得的數據來調整自身的動作，計算相關的軌跡，最終完成機器人的取物動作，完成整個系統的工件分揀。

2 機器視覺系統的硬件設計

在硬件的選擇上需要能夠對于整個系統穩定性進行保障，下面對主要的硬件部分進行介紹。

（1）工業相機。工業相機直接決定了獲得圖片的分辨率、傳輸速度以及傳輸方法。本次研究當中的圖像區域是400×400矩形，范圍比較大，需要采集的目標物件是比較多的，因此圖像處理的工作量是比較大的。本文研究選擇的是GigE黑白工業像機，GigE接口是輸出的借口，最遠能夠實現100m的傳輸距離，分辨率比較高，速度也更快。

（2）鏡頭。在機器視覺系統當中，鏡頭是另外一個非常關鍵的硬件。它對于圖像的采集非常重要，鏡頭的好壞會對成像效果和最終識別的精度產生直接的影響。

關于鏡頭焦距的設置可以由公式（1）和（2）計算得出。

式中，是工件的寬度;是工件的高度;是鏡頭到工件的距離;是鏡頭的焦距。

（3）光源的選擇。為了獲得最佳的照明效果，本文進行多方面的比較，最終選擇LED燈光，這是因為LED光源比較均勻、穩定，并且發熱較少，經濟實惠，容易獲得。

3 運動控制系統

3.1 運動控制系統的方案設計

Delta機器人運動控制的本質是控制三個伺服電機在靜態平臺上的協調運動。伺服電機主要是有位置、速度和扭矩的三種控制模式，位置的控制主要是依據位置上的指令以及上位控制器的輸入脈沖來對伺服電機的位置進行控制，速度的控制主要依據控制器輸入的模擬速度命令，或者是伺服內部的速度命令，從而控制伺服電機的相關速度。轉矩控制主要是根據模擬電壓得出的轉矩指令來對轉矩進行相關的控制。除了轉矩的指令之外，還需要通過輸入速度來促使伺服電機的速度不會高于相關的速度限制。在這三種的控制模式當中，伺服電機的相應控制速度主要是依據轉矩、速度、位置三種順序的控制速度來實現的。目前，工業機器人的動態模型重建還沒有形成統一的標準，這樣就是的扭矩控制的模式應用是比較困難的，在實用上還有一定的障礙。

本設計中采用的是伺服電機的速度控制模式，這一控制模式的系統屬于半閉環控制系統，與傳統的開環控制系統比較是具有優勢的，準確定更高。

鑒于并行Delta機器人需要實時浮點運算，邏輯估算計算次數。同時，工業計算機一直是選擇開放式數字控制系統系統的平臺。選擇生產率較高的工業控制計算機作為主控機。保證交通管制的及時性和穩定性。根據被監視設備的移動選擇相應的運動控制卡，并與運動控制卡的性能相結合。傳統的運動控制卡包括由NI（National Instrument）開發的軸圖和由臺灣臺達集團-中達電通開發的PCI-DMC-B01運動控制卡。PC和運動控制板有分工，PC的計算能力可以執行復雜的浮點運算，并負責機器人的軌跡規劃和路徑規劃等任務。差分補償，速度控制和位置控制等實時要求很高。該任務由高速運動控制卡執行。因此，本文選擇一臺PC與運動控制卡相結合，為整個系統構建一個控制系統平臺。

3.2 控制系統的硬件選型

控制系統的硬件主要包括以下部分：

（1）運動控制卡。Delta機器人需要控制系統實時規劃軌跡，發送命令，在機器人操作期間同步協調杠桿關節的三個主動運動，并確保移動機器人平臺的最終效應器運動的速度和準確性。因此，基于PCI的運動控制卡被選為機器人運動控制系統中最重要的部件。軸映射的性能直接決定了后續程序開發和系統操作的穩定性。由Delta開發的PCI-DMC-B01軸可以在1 ms內更新12軸命令。 PCI DMC B01軸也接受64位雙精度浮點數，這些數字速度快，可以在12軸上同時控制。 支持多種駕駛模式。 有兩種速度模式：T型和S型曲線。 控制模式可以是速度，扭矩和位置控制。

（2）伺服驅動器和伺服電機。PC通過PCI總線將機器人手臂的運動控制命令發送到軸控制卡，并且將脈沖信號轉換為行程并且控制電機的速度通過CAN總線傳輸到伺服驅動器。 以相同的方式，由發動機傳感器發送的位置信息以相反的方式傳送到控制系統。 為確保發動機不間斷通訊，還使用臺達公司的750W交流伺服電機和相應的伺服驅動器。

4 系統的軟件開發平臺

本設計的機器人流水線分揀系統主要是視覺控制系統和運動控制系統兩個部分組成，采用LabVIEW圖形化編程工具來對整個分揀系統進行軟件控制。

參考文獻

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Design and Research of Robotic Pipeline Sorting System Based on Machine Vision

LIU Mao-xing1，DUAN Liu-min2

（1.Jinling Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 210000;2.Shenyang Normal University，Shenyang Liaoning 110034）

Abstract：In view of the different shapes of different workpieces on the production line， this paper proposes the task of identifying and locating the workpiece production line and then performing high-speed and precise sorting through machine vision. In this paper， a sorting system based on machine vision is designed， and the visual control and motion control system are designed specifically to realize the automation of the system.

Key words：machine vision; robot; pipeline sorting system