基于機器視覺的工業機器人智能分揀系統設計研究*

高 健，劉青川，范 蕊，樊新乾，殷忠敏

（河北機電職業技術學院，河北 邢 臺 054000）

1 視覺分揀系統方案設計

圖1 是視覺分揀機器人系統結構示意圖，該系統在實際運行中需要四個模塊相互配合來完成，每一模塊都有其各自的工作和職責。 其中，工件傳送單元主要是由三相交流電機與傳送帶構成，主要負責將工件進行傳送。 實踐證明，為了保證工件的準確識別和跟蹤，給機械手有效抓取奠定基礎，分揀工件的選擇最好是與傳送帶具有較大顏色反差，比如螺帽和大小螺栓等。 圖像采集單元的任務是對傳送帶上的工件進行圖像采集，該單元主要由工業相機、光學鏡頭、圖像采集卡以及照明設備構成，對工件的圖像采集是否準確，將直接影響到后續分揀作業的順利開展和分揀質量。 信息處理單元主要依賴于計算機技術，是整個系統的核心部分，主要采用視覺算法對目標對象進行識別和跟蹤，同時獲取目標對象的坐標，最后將信息傳遞到機械手控制器完成分揀任務。 機械手與控制器單元是分揀流程的最后一個環節，即根據上述環節對目標工件相關信息的搜集，引導機械手實施分揀操作。 目前，為了保證機械手與控制單元之間可以實現效率最高化，通常會選用RC40 控制器和SCARA 的四自由度機械手臂。 系統的整個運行流程如下：所有類別的工件都是被隨意放置在傳送帶上的，當各類工件被傳送至圖像采集設備處時，圖像采集卡會逐一對工件圖像序列進行采集，并由計算機對其實時坐標進行獲取，所有與工件相關的信息提取后，由系統打包好傳遞到控制器，控制器通過對信息的分析從而指揮機械手完成分揀工作[1-2]。

圖1 視覺分揀機器人系統結構示意圖

2 發那科工業機器人系統介紹

2.1 發那科工業機器人

在當前工業生產的分揀環節中，應用比較普遍的機器人就是發那科工業機器人，此類機器人是一種內置6 軸伺服電機、諧波減速器和制動器系統的具有四自由度的圓柱坐標型工業機器人。 在上述四個自由度中，第一、第二自由度屬于旋轉關節，主要由小機械臂和大機械臂兩部分構成，通過這兩個自由度的正常運轉，可以實現水平面內水平連桿的各類旋轉運動，并且能夠在一定程度上保證定位的精準性。 第三自由度是移動關節，具有垂直升降功能，可以完成垂直于平面的各項操作。 第四自由度同樣為旋轉關節，類似于人體的手指部分，通過該關節運行，可以更好實現對目標對象抓取。 與其他類型機器人相比，發那科工業機器人機器人所具備的優勢是整體結構比較緊湊，安裝占用空間較小，而且定位精確度很高，可以大幅度提高分揀效率和質量[3-4]。

2.2 發那科工業機器人控制器

基于機器視覺的發那科工業機器人在應用時若想收獲預期目標，為其搭配科學、完善的控制器至關重要。 目前，RCX 系列的控制器作為發那科工業機器人配套的控制設備，其自身具有十分強大的功能，可以同時開展多至8個任務，具有中斷處理能力及端口信息并行處理能力。 與此同時，該系列的控制還可以對原點復歸進行保存和記錄，斷電后再啟動無需進行重新設置，大大提高了運行效率。 RCX 系列的控制器具有類似PLC 的控制效果，在沒有PLC 控制器的情況下，同樣可以對周圍器件的控制功能。

3 圖像采集系統部件選型

1）對工業相機的選擇。 應用于工業生產中的攝像機與普通相機不同，其功能需要在一定程度上滿足工業生產需求，并且能夠與光學鏡頭緊密配合，實現對目標對象的圖像采集。 在分揀工作中，圖像采集質量的好壞不僅關系著機械手分揀的效率，而且很大程度上決定著對目標定位的準確性。 所以，在對工業相機進行選擇時，應根據實際需求合理選擇，比較理想的是噪聲低、分辨率高、抗干擾能力強以及對比度高的工業相機。 具體選擇時，需要從攝像機的芯片類型、 分辨率以及幀率等幾個方面進行選擇。

從芯片類型來看，目前廣泛應用的主要有兩大類，即CCD 攝像機和CMOS 攝像機。 前者的構成主要依賴于光敏二極管，在應用過程中可以有效實現光信號與電荷信號二者之間的轉換，并在此基礎上利用采樣放大電路得到圖像信號，通常情況下，圖像信號是以數字方式呈現的。 CCD 攝像機之所以會得到如此廣泛的應用，原因是其具有其他攝像機不可比擬的優勢。 比如說，受外界因素的影響較小、成像過程中的畸變較小以及成像速度快等。 正因為此類攝像機具有諸多優勢，才能夠在當前工業生產中得到廣泛應用。 CMOS 攝像機與CCD 攝像機相比，具有體積小、價格低等優勢，可應用此類攝像機實現圖像采集模塊和處理模塊集成化。 就目前CMOS 攝像機的應用效果來看，其成像效果能夠滿足大部分科研需求，但是若將其應用在工業生產中，由于其攝影目標對象為移動中的機械零件，攝像機在移動圖像采集方面并沒有較好的效果，因此此類攝像機在工業生產中的應用并不廣泛。

2） 對光學鏡頭的選擇。 光學鏡頭在機器元件分揀工作中所起的作用就是光束調制。 隨著工業發展腳步的不斷加快，對光學鏡頭的要求也越來越高。 在基于機器視覺系統的實際應用中，鏡頭將待成像目標的光束變換到圖像傳感器的光敏面上，通過相機將光信號轉換為最終的圖像信號。 鏡頭質量對于基于機器視覺的分揀系統整體性能會產生重要影響，所以要合理地選擇鏡頭，以便獲得最佳效果。

4 結語

綜上所述，分揀工作是工業生產過程中的一個關鍵環節。 在過去的時間里，此項工作大多以人工分揀的方式來實現，巨大的工作量不僅降低了工業生產效率和質量，同時也增加了企業運營成本。 自從機器視覺技術被應用到工業智能化分揀系統中，由于系統設計是利用攝像機來模擬人類的視覺功能來對客觀事物進行測量和判斷，所以大幅度提高了分揀結果的可靠性，不僅提高了工業生產的智能化程度，而且也促進了工業企業可持續發展目標的順利實現。