基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)探究

儲琴

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213164）

0 引言

機(jī)器視覺技術(shù)是指使用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)來模擬人類視覺功能，并且廣泛用于航空航天、汽車零件、電子、制藥等領(lǐng)域。在我國，機(jī)器視覺技術(shù)的研究起步較晚，不夠成熟，其專利和成果不及國外品牌。工作分揀在整個工業(yè)生產(chǎn)過程中占有重要地位，工業(yè)分揀的速度將直接影響整個分類過程的運(yùn)作。因此，我們需要先對工業(yè)分類的各個步驟進(jìn)行測試，找出不足之處并加以糾正，以提高整個工業(yè)分揀技術(shù)，這對分揀行業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。據(jù)調(diào)查，在過去的一年中，中國連續(xù)增加了200多家加工工業(yè)機(jī)器人制造商。并且，業(yè)界非常看重工業(yè)機(jī)器人的市場發(fā)展前景，他們一致認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)的“高潮”將在未來幾年出現(xiàn)。

1 工件機(jī)器人分揀系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件

機(jī)器視覺工件分類系統(tǒng)分為三個，而工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)主要分為五個主要單元：工件傳送單元、相機(jī)平臺單元、視覺分類單元、機(jī)器人RC控制單元以及機(jī)械手抓取單元。包括步進(jìn)電機(jī)、圖像采集卡、氣爪、工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、三軸運(yùn)動平臺這些部分。運(yùn)動卡的通信通過以太網(wǎng)和RS232串口實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)是信息處理和操作中心，負(fù)貴控制與協(xié)調(diào)，其他部分掛在工控機(jī)下。框架圖如圖1所示。

圖1 分揀機(jī)器人總體框架圖

■1.1 工業(yè)相機(jī)的選擇

圖像采集是整個視覺系統(tǒng)的基石，它主要是通過工業(yè)攝像機(jī)完成的。作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心組件，工業(yè)相機(jī)的基本功能是將輸入的光信號轉(zhuǎn)換輸出為電信號。所拍攝圖像的質(zhì)量、清晰度、系統(tǒng)穩(wěn)定性都由相機(jī)的性能直接決定。與普通相機(jī)相比，工業(yè)相機(jī)具有超強(qiáng)的傳輸功能、更高的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)選擇高分辨率數(shù)碼相機(jī)MV-1300UM，其參數(shù)為：傳感器類型：逐行數(shù)字面陣CMOS，輸出顏色：黑白，信噪比＞ 45db，動態(tài)范圍：60db，電源要求：5V，功耗＜2.25W，尺寸53×54×54，分辨率1280×1024，幀頻15FPS，像素大小：5.2μm×5.2μm，視野（FOV）為64mm×48mm，物距是128.3mm，畸變＜0.07%，光柵分辨率是0.4μm，精度是±5μm。

■1.2 光源的選擇

系統(tǒng)中光源的功能是將光投射到被檢測對象上，并在完成投射后區(qū)分對象的對比度。好的光源可以提高整個系統(tǒng)的分辨率，并降低后續(xù)圖像處理的壓力；而性能較差的光源則會降低系統(tǒng)的工作效率，例如工業(yè)相機(jī)過度曝光會導(dǎo)致圖像不清晰。本系統(tǒng)選取的是采用led按圓周排列的燈光，它能夠?yàn)楸粶y物體提供大面積平衡照明的環(huán)形光源，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接安裝在鏡頭并實(shí)現(xiàn)大面積的照明，能夠較好的反射被測物體表面的紋理。

■1.3 分揀機(jī)器人的選擇

視覺分類系統(tǒng)的核心組成部分是工業(yè)機(jī)器人。分揀系統(tǒng)的分揀速度上限、系統(tǒng)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性都由工業(yè)機(jī)器人的性能決定，其類型包括：切割機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、分揀機(jī)器人等。由于每個機(jī)器人的用途不同，因此在選擇機(jī)器人時需要注意其工作性能的差異。例如，分揀機(jī)器人可以快速、準(zhǔn)確地掌握要測量的移動目標(biāo)，更適合分揀；搬運(yùn)機(jī)器人的承載能力較大，可以負(fù)載很重的物品。經(jīng)過篩選，我們采用ABB IRB360工業(yè)機(jī)器人。

■1.4 車輪驅(qū)動方式的選擇

對分揀系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該提高小車運(yùn)動及轉(zhuǎn)向控制的精度。因此，當(dāng)為小車車輪選擇驅(qū)動馬達(dá)的類型時，經(jīng)過一系列的對比分析發(fā)現(xiàn)，盡管直流電動機(jī)驅(qū)動簡單方便，但精度較差，而且在工作時難以精確控制小車的轉(zhuǎn)向；相比之下，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的輸入脈沖，步進(jìn)電機(jī)能夠控制小車轉(zhuǎn)向的角度，該方法不僅實(shí)用易控制，同時與該系統(tǒng)匹配程度較高，且成本也較低，只是精度要求仍然不夠。該系統(tǒng)對伺服電機(jī)的控制相比較前兩種電機(jī)而言更加復(fù)雜，但能夠?qū)崟r檢測電機(jī)速度，也可以達(dá)到控制精度的要求。因此，選擇PARALLAX型伺服電動機(jī)作為機(jī)器人前輪的驅(qū)動電動機(jī)，并且機(jī)器人的后輪采用隨動的萬向輪驅(qū)動，以達(dá)到平衡效果。

■1.5 顏色識別方案的選擇

機(jī)器人要處理的材料具有綠色、白色、紅色、黑色和藍(lán)色五種顏色。因此，準(zhǔn)確識別材料的顏色非常重要。任何顏色都由紅色，藍(lán)色和綠色三種原色按不同比例組成，因此可以根據(jù)每種顏色中紅色，藍(lán)色和綠色的比例來區(qū)分材料的顏色。在設(shè)計(jì)中，通過選擇TCS230顏色傳感器來實(shí)現(xiàn)。TCS230可以在不進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換的情況下，實(shí)現(xiàn)每個顏色通道超過10位的分辨率，并且它還包含硅光電二極管陣列（可通過編程進(jìn)行配置）和電流/頻率轉(zhuǎn)換。TCS230傳感器的光響應(yīng)范圍是250～1，輸出頻率為2 Hz～500 kHz，與光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，波形為占空50%的方波。通過程序，用戶可以選擇頻率輸出比。TCS230的輸出輸入引腳可以直接連接到單個白色、紅色、黑色、藍(lán)色和綠色ABCDEFG片機(jī)或其他邏輯電路。能夠輸出特定的原色，測量被測物體所含紅色、藍(lán)色和綠色的成分比例，通過對引腳輸入信號的控制進(jìn)行編程，來調(diào)整濾鏡的顏色。

2 機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

■2.1 機(jī)器人運(yùn)行范圍

在設(shè)計(jì)中，需要智能機(jī)器人在指定區(qū)域中移動。指定的字段如圖2所示，機(jī)器人運(yùn)行范圍：圓的直徑為320mm，線寬為20 mm。需要運(yùn)輸5種不同顏色的材料。首先，需要在圖塊放置的初始位置隨機(jī)選擇3個不同顏色的圖塊，并將圖塊放在圖2所示的內(nèi)圓和輔助線的交點(diǎn)A，C和E上，然后將它們依次標(biāo)記為A、B、C、D、E；其次將剩余的2個圖塊放在圖2所示的外圓線F和G上，最后將輸送的物料按A，B，C，D，E的順序放入物料位置。環(huán)位分?jǐn)?shù)線有50%灰度和2 mm線寬的細(xì)線，從內(nèi)部到外部有10個分?jǐn)?shù)值，分別對應(yīng)10環(huán)到1環(huán)。顏色標(biāo)簽從左到右分別用綠色、白色、紅色、黑色、藍(lán)色對圓進(jìn)行填充；現(xiàn)場線寬為20 mm的黑線可用作跟蹤輔助線。此外，該機(jī)器人不使用跟蹤方法時依舊能夠進(jìn)行分揀和運(yùn)輸。

圖2 機(jī)器人運(yùn)行范圍示意圖

■2.2 機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（1）相機(jī)標(biāo)定

分揀技術(shù)的首要工作便是相機(jī)標(biāo)定，同時也是機(jī)器視覺的基本組成部分。如果缺少攝像機(jī)校準(zhǔn)，則無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的機(jī)器視覺。在機(jī)器人分揀技術(shù)中，相機(jī)標(biāo)定的功能是建立物體圖像的坐標(biāo)系，并根據(jù)空間位置坐標(biāo)系將其連接起來，以建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。在相機(jī)標(biāo)定的作用下，機(jī)器人分揀系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷物體所在坐標(biāo)系的位置，為抓取工作做好前期工作。

（2）目標(biāo)識別

目標(biāo)識別是根據(jù)需要捕獲圖像中項(xiàng)目的特征，即目標(biāo)提取或圖像分割。在基本定位中，提取土圖像中的目標(biāo)特征或者某些特征。目標(biāo)提取方法有多種形式，例如邊緣檢測、區(qū)域提取和閾值分割。目標(biāo)提取完畢后進(jìn)行目標(biāo)分割，并對項(xiàng)目特征進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)。

（3）目標(biāo)分揀

對于運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤和記錄，可以使用多目標(biāo)跟蹤方法。對提取的圖像序列進(jìn)行逐幀分析。在圖像的每一幀中檢測運(yùn)動目標(biāo)，并判斷圖像的每一幀中需要識別的像素類型，然后建立目標(biāo)鏈。在判斷物品的過程中，利用物體和機(jī)器人獨(dú)立坐標(biāo)系建立相互聯(lián)系，在分類工作中完成物品位置的相應(yīng)工作。

（4）操作原理

在接收到信號后，工業(yè)機(jī)器人的工作方式實(shí)際上是進(jìn)行系統(tǒng)控制。首先，系統(tǒng)要在工業(yè)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)之間建立公共信號通道，然后在計(jì)算機(jī)設(shè)定程序的幫助下控制機(jī)器人的運(yùn)行路線。工業(yè)機(jī)器人整個系統(tǒng)的控制過程為：一，由工業(yè)機(jī)器人抓取待分類的物料，并將其放在系統(tǒng)確定的對象放置槽里；二，系統(tǒng)記錄對應(yīng)于每個工件的空間坐標(biāo)的全局總變量；三、使用軟件編程語言（這里選擇計(jì)算機(jī)的VC ++ 6.0系統(tǒng)）來編寫機(jī)器人控制程序軟件，然后控制工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行分揀操作。

在分揀機(jī)器人的控制系統(tǒng)中使用了許多接近傳感器，其通過接口電路連接到單片機(jī)引腳。在操作過程中，通過讀取這些傳感器檢測到的信息，就能查看到分揀機(jī)器人的工作狀態(tài)。這些接近傳感器只有兩種模式：未觸發(fā)時的高電平模式和觸發(fā)時的低電平模式，因此，我們只需要讀取相應(yīng)引腳的電平。分揀機(jī)器人的控制程序流程如圖3所示。具體來說，為了確保其正常運(yùn)行，在分揀機(jī)器人啟動后，首先會進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、機(jī)械臂復(fù)位和轉(zhuǎn)盤復(fù)位等方面的自我檢查。在確保自檢正確后，機(jī)器人將從起點(diǎn)開始，到達(dá)識別區(qū)域后啟動機(jī)器視覺模塊來識別物件。成功識別快遞物品后，機(jī)械手將其放入轉(zhuǎn)盤，然后分揀機(jī)器人將對象運(yùn)輸?shù)絻A卸區(qū)，最后返回識別區(qū)。直到目標(biāo)對象分揀完成后，該循環(huán)才會停止運(yùn)行。

圖3 分揀機(jī)器人控制程序流程圖

3 結(jié)語

由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在我國越來越多的行業(yè)開始運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，例如：農(nóng)業(yè)、工業(yè)、食品加工業(yè)、汽車業(yè)等。各個行業(yè)也都開發(fā)出了一套針對工作需要的特定的機(jī)器人技術(shù)。在生產(chǎn)生活中，機(jī)器人發(fā)揮了巨大的作用，在相當(dāng)程度上增加了該行業(yè)的生產(chǎn)效率，從而推動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從另一個角度來說，機(jī)器人分揀技術(shù)的研究也推動了機(jī)器人研究工作的進(jìn)步，促進(jìn)了機(jī)器人研究事業(yè)的發(fā)展。