工業無線網絡的智能搬運機器人實驗平臺設計

李 超， 鄧小寶， 史運濤， 李小虎， 胡子佳

(北方工業大學 現場總線技術及自動化北京市重點實驗室，北京 100144)

0 引 言

隨著科技的發展，搬運機器人在智能制造領域的應用越來越廣泛，生產過程對于搬運機器人的要求越來越高。傳統離線編程的搬運機器人按照固定路徑進行工作，當生產環境發生變化時，需重新編程以適應新環境，適用性不足。

近年來，雙目視覺技術日益成熟，各種測距、定位算法不斷優化，測距和定位的準確度不斷提升[1-5]。工業無線可以降低現場的布線成本，提升空間利用率，同時工業無線傳輸機制不斷發展，工業無線的可靠性不斷提高[6-8]。為提升搬運機器人的智能化程度和可靠性，增強學生對搬運機器人和視覺技術的應用能力，本文根據企業實際生產需求，結合實驗室承擔科研項目，將雙目視覺應用于搬運機器人[9-12]，使用PLC作為搬運機器人的主控制器，同時利用工業無線實現搬運機器人和控制中心之間的數據交互，設計開發了該智能搬運機器人實驗平臺。實驗證明，該實驗平臺可綜合鍛煉學生處理復雜工程問題的能力。

1 系統整體方案設計

該實驗平臺由智能搬運機器人和控制中心兩部分組成。智能搬運機器人完成目標物識別、測距、抓取和搬運功能，控制中心完成對智能搬運機器人的監控。通過位于控制中心的無線接入點(AP)和位于智能搬運機器人的無線客戶端實現無線通信，進而實現智能搬運機器人和控制中心的數據交互，同時將實驗環境視頻數據傳輸到視頻監控站。系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

2 系統硬件設計

2.1 智能搬運機器人

智能搬運機器人由全向移動平臺、機械臂、PLC、樹莓派、雙目攝像頭、無線客戶端、交換機、IP攝像頭和電源模塊構成。全向移動平臺采用3個麥克納姆輪，以實現全向移動功能；PLC可靠性高、抗干擾能力強，S7-1200 PLC通過RS-232通信控制xArm機械臂和全向移動平臺[13-14]，并完成與Raspberry Pi3 B+(樹莓派)的數據交互；使用Raspberry Pi3 B+提供Python編程環境，編程實現目標物識別和測距功能；通過kingcent雙目攝像頭獲取圖像；無線客戶端SCALANCE W734、沃仕達IP攝像頭和S7-1200 PLC通過工業以太網線接入SCALANCE XB208二層交換機。智能搬運機器人結構如圖2所示，圖中A、B、C、D、E、F、G點對應各個模塊的安裝位置；智能搬運機器人實物如圖3所示。

圖2 智能搬運機器人結構圖

圖3 智能搬運機器人實物圖

2.2 控制中心

控制中心由HMI、PLC、無線AP、交換機和視頻監控站構成。HMI實現人機交互功能，選型為KTP700 Basic。S7-1200 PLC和HMI連入同一子網，完成對智能搬運機器人的監控功能[15-16]；選用SCALANCE W774作為無線AP，在實驗室中，為保證無線AP和無線客戶端之間的通信質量，W774和W734均選用IEEE 802.1n協議，使用5G Hz通信頻段；采用SCALANCE XB208二層交換機擴展以太網接口。

3 系統軟件設計

系統軟件分為下位機部分和雙目視覺部分，下位機程序完成接收雙目視覺數據、控制機械臂和全向移動平臺功能;雙目視覺程序完成目標物識別和測距功能。智能搬運機器人工作流程如圖4所示。

3.1 下位機程序設計

S7-1200 PLC控制程序設計如下：閾值設定為智能搬運機器人抓取目標物時的最佳距離，在本次實驗中閾值設置為22 cm。當智能搬運機器人與目標物距離大于閾值時，PLC通過RS-232發送數據幀控制移動平臺移動；當智能搬運機器人與目標物距離小于或等于閾值時，智能搬運機器人停止移動。根據不同的抓取距離，為機械臂編制不同的動作組，并將不同動作組的數據存放到PLC的數據塊中。當PLC接收到雙目視覺提供的目標物顏色和距離信息時，將對應的動作組數據通過RS-232發送給機械臂，控制機械臂抓取目標物。

圖4 智能搬運機器人工作流程圖

將控制中心S7-1200 PLC設為IO控制器，將智能搬運機器人S7-1200 PLC設為IO設備，建立智能傳輸區實現兩臺PLC變量之間的工業無線連接，通過S7通訊方式實現數據交互。

3.2 雙目視覺程序設計

以不同顏色的小型正方體為抓取目標物，通過對雙目攝像頭標定以消除圖像畸變，對圖像依次進行預處理、顏色過濾、輪廓提取，計算得出視差，進而通過空間坐標系變換計算出距離。

(1) 圖像預處理。通過高斯濾波對圖像進行預處理，以減小圖像的噪聲影響。原圖像如圖5所示，預處理后圖像如圖6所示。

圖5 原圖像

圖6 預處理后圖像

(2) 顏色過濾。通過顏色過濾，篩選出目標物。雙目攝像頭拍到的圖像基于RGB顏色模型，但RGB顏色模型難以找出準確的顏色范圍，所以在進行顏色過濾之前，先將圖像從RGB顏色空間轉換到HSV顏色空間，進行顏色過濾后再轉換回RGB顏色空間進行后續操作。在HSV顏色空間中，H指色調，取值范圍為0°～360°；S代表飽和度，取值范圍為0～1；V代表亮度，取值范圍為0～1，表明顏色明亮的程度。顏色過濾后圖像如圖7所示，顏色過濾流程如圖8所示。

圖7 顏色過濾后圖像

圖8 顏色過濾流程圖

(3) 輪廓提取。對顏色過濾得到的圖像進行高斯濾波、開運算、腐蝕，消除圖像中的噪聲，對新的圖像進行輪廓提取，將提取得到的輪廓標注在原圖中。輪廓過濾預處理后圖像如圖9所示，輪廓提取標注如圖10所示。

圖9 輪廓過濾預處理圖

圖10 輪廓提取標注圖

(4) 雙目測距。在輪廓提取時，找到目標輪廓的中心坐標，將右攝像頭成像的中心坐標映射到左攝像頭的坐標系中，計算兩個中心坐標對應的視差，利用空間坐標系轉換得到目標物塊的三維坐標，即可得目標物距離信息。

4 系統調試

在控制中心的HMI上啟動智能搬運機器人，智能搬運機器人檢測目標物，并將要抓取的目標物顏色和距離顯示在控制中心的HMI上，HMI界面如圖11所示。

圖11 HMI界面

智能搬運機器人檢測到目標物，對目標物進行識別、抓取和搬運操作，在本實驗中以黃色長方體標志為搬運終點。抓取目標物如圖12所示，搬運目標物如圖13所示，放置目標物如圖14所示。

圖12 抓取目標物圖

圖13 搬運目標物圖

圖14 放置目標物圖

5 結 語

本文根據企業實際生產需求，結合控制中心功能設計，以實驗室現有全向移動平臺為基礎，融合工業無線、雙目視覺和PLC，設計完成了一種智能搬運機器人實驗平臺。經實驗測試，該實驗平臺運行效果穩定，實現了智能搬運機器人對于目標物的識別、抓取和搬運功能；控制中心可通過工業無線網絡獲取智能搬運機器人的雙目視覺數據和實驗環境視頻數據，實現對現場的實時監測，并完成對智能搬運機器人的遠程控制。通過在我校電氣自動化類專業實踐教學中的應用表明，該實驗平臺有助于培養學生的工程意識和工程能力，增強學生項目合作能力和創新意識，提高學生解決復雜工程問題的能力，取得了良好的教學效果。