基于機器視覺的瓦楞紙壓制送料機器人的控制

陳 賢 夏建春

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州，213164）

瓦楞紙是一種通過瓦楞壓制機形成的波紋形紙片[1]，已經有100多年的歷史，由于價格便宜、用途廣泛、制作簡易、且能回收甚至重復利用，使其得到了廣泛應用，本文的瓦楞紙應用于制作濕簾，是濕簾的重要組成部分[2]。

濕簾瓦楞紙的生產工藝一般包括上漿、干燥、壓制瓦楞、定型、上膠、固化、切片、修磨、去味等[3-4]。在整個生產過程中，自動化水平還不夠，在上漿、干燥等工序，生產對象可以成批進行加工和上下料，但是在壓制瓦楞工序中，由于生產濕簾工藝的要求，不同品種瓦楞紙生產的瓦楞的角度是不同的，需要人工進行干預及操作。圖1為工人現場操作。在紙板切割完成后，操作人員需要根據濕簾對瓦楞角度的要求，將紙板調整好角度送入瓦楞壓制機中。為了實現可靠的生產，一般操作人員會拿一個靠鐵塊作為角度基準。雖然這種操作方式簡單方便，但是操作人員的操作重復機械，因此往往操作也變得隨意散漫，造成產品質量的不穩定，實現自動化的送料操作也成為必然需求[5]。

在實際生產中，對板型材料的輸送應用研究，許多工程技術人員作出了很多貢獻。李麗閣等人[6]設計了一種紙板吸取機構和輸送機構，將包裝紙板的輸送速度提高到80只/min。高強等人[7]對服裝布料等軟性材料進行上料機器人的研究，主要探討了布匹的邊緣定位算法；汪瑞良[8]設計了光伏電池生產中的玻璃上料機器人；蔣磊等人[9]針對輸電線纜輸送問題的機器人的應用進行研究。但是這些研究有的偏重于機械本體的設計，有的研究偏重于對圖像處理算法的研究，對在實際生產環境下的機器人引導方法研究還不夠深入。因此本文從實際生產角度研究和探討如何使用機器人代替人工正確引導紙板進入壓輥機。

圖1 工人現場操作Fig.1 Field operation

1 瓦楞壓制的紙板運行軌跡規劃

當紙板被切紙機切割以后，紙板的位置是無法確定的，但是瓦楞紙壓制出的瓦楞角度需要保持恒定。因此，壓輥壓制紙板的位置需要保證恒定。操作人員需要將紙板移動到基準位置，然后將紙板送入壓輥進行瓦楞的壓制。為了實現將紙板自動送入壓輥，需要實現機器人輸送紙板的運行軌跡模擬工人的動作軌跡。機器人位置固定，但紙板的位置并不固定。機器人抓取紙板時，紙板在機器人坐標系中的位置也成為隨機狀態，這就需要視覺來確定紙板在坐標系中的位置。

圖2為紙板運行軌跡規劃圖。從圖2可以看出，紙板上標號1、2、3、4是表示紙板移動的4個位置。1號位置是切紙機切紙動作完成后紙板的位置，在這個位置上機器人采用固定姿態進行抓紙；2號位置為機器人將紙板移動到的拍照位置；在這個位置上，相機獲得紙板的紙尖圖片；3號位置為機器人將紙板調整好的姿態位置；4號位置為機器人送紙進入壓輥的位置。

圖2 紙板運行軌跡規劃圖Fig.2 Running track of paperboard

4個位置是機器人模擬人工進行的動作，需要達到的效果為：

（1）切紙機將紙板切割成2100 mm×1200 mm尺寸的規格，機器人抓紙；

（2）機器人將紙板移動至拍照位置；

（3）機器人將紙板調整好姿態；

（4）將紙板送入壓輥。

2 控制系統

2.1 控制系統硬件組成

為實現模擬工人將壓制紙板送入壓輥的操作過程，本文采用工控機作為控制核心，PLC控制壓制紙的切刀和瓦楞壓制機，工控機與PLC之間通過RS485接口進行通信，通過ModbusRTU協議作為數據通信協議，用來傳遞機器人當前工作狀態、切紙機的工作狀態，根據工作狀態控制工作節奏。工控機通過以太網接口控制著機器人和工業相機。工業相機采集圖像數據，工控機得到數據，預測機器人的運行姿態，驅動機器人模擬工人的操作動作。圖3為自動送紙系統架構圖，工控機采用研華610L型PC機，PLC采用匯川H3U型PLC，工業相機采用Basler aca2500-14gc，機器人采用國機智能的SR1700型工業機器人。

圖3 自動送紙系統架構圖Fig.3 Automatic paper feeding system

2.2 控制流程

在生產中工控機控制著整個生產節奏，根據控制要求，平均5～6 s完成一個動作節拍。圖4為系統工作流程。圖5為現場實際生產圖。系統啟動后，工控機就進入控制狀態，首先通知切紙機進行蓄紙，當達到規定長度時，進行切紙。切紙動作完成后，啟動機器人進行抓紙，將紙板移動到拍照位置進行圖像采集。根據圖像得到位置數據，進行機器人姿態位置的預測。得到預測數據后，調整機器人的姿態，進行上料動作。機器人上料完成后，回位等待下一個切紙動作。

圖4 系統工作流程Fig.4 Workflow of the system

圖5 現場實際生產圖Fig.5 Actual production

3 機器人的姿態預測

3.1 機器人的姿態預測模型

為了引導機器人的運行，系統需要根據拍照得到的圖像數據預測出機器人需要行走的姿態數據。

機器人的姿態可以用5種不同的坐標系進行描述。①世界坐標系；②關節坐標系；③直角坐標系；④工具坐標系；⑤用戶坐標系。本文的預測模型采用直角坐標系。

圖6 機器人采用的坐標系Fig.6 Robot coordinate system

機器人的姿態用一維向量表示[X,Y,Z,A,B,C]。由于機器人對紙板的操作只有3個自由度，因此機器人的姿態可以表示為[X,Y,A]，分別對應于操作平面方向以及紙板的旋轉。本文采用基準加偏差的方式得到預測模型，首先需要確定基準紙板的基準軌跡，其基本過程如下：①將瓦楞壓制紙板移動到拍照點處，進行圖像采集。記錄下紙尖坐標以及機械手末端坐標，在后續采集數據時保持機械手的坐標不變；②將紙板移動到調姿位置，記錄下機器人坐標；③將紙板移動到壓輥入紙位，記錄下機器人坐標。得到基準的數據后，建立線性預測模型見式（1）。

式中，[X,Y,A]為實際機器人姿態的位置；[X′,Y′,A′]為基準機器人的姿態數據；b為偏差值，該值為調姿位置狀態下，實際紙板與基準紙板的偏差，該值需要根據實際紙尖圖像數據與基準圖像數據的偏差計算出來。基本計算程序如下：

計算程序在labview2014版得到了驗證。

3.2 圖像定位算法

在預測模型中，最關鍵的數據是紙尖的圖像數據。預測模型需要知道紙尖在機器人世界坐標系中的坐標數據，因此需要進行圖像定位。圖像定位首先需要做的是將圖像坐標系和機器人坐標系進行統一，也稱為手眼標定。在這個方面，許多文獻都進行了比較詳細的闡述[10-12]。在手眼標定完成后，就需要確定紙板紙尖在圖像中的位置。圖7為紙板紙尖圖像，圖8為紙尖定位流程圖。

圖7 紙板紙尖圖像Fig.7 Paperboard tip image

圖8 紙尖定位流程圖Fig.8 Location flowchart

由于現場環境的限制，不能取得效果非常好的圖像。本文采用直方圖均衡和圖像增強提高圖像的辨析度。由于紙板的特殊形狀，本文根據形狀特征匹配[13]搜索紙板紙尖在圖像中的基本位置。當搜索到紙尖在圖像中的基本位置后，為得到更加精確的定位，找到紙尖附近的紙板邊緣，得到邊緣點的位置坐標，根據最小二乘法擬合成2條邊緣直線。得到邊緣直線方程后，計算出邊緣直線與圖像X軸的坐標以及2條直線交點的位置數據。通過這樣的算法可以得到紙板紙尖在圖像中比較精確的位置。

這種算法對紙板具有一定要求，在正常工作狀態，紙板沒有飄起，同時紙板的濕度控制在正常范圍，那么定位精度可以控制得比較高。在實際操作中，如果紙板的紙尖有翹起等狀態，對紙尖的定位精度有影響。

3.3 仿射變換匹配對紙尖的初定位

在圖8的紙尖定位流程中，模板形狀匹配關系到紙尖在整個圖像中的基本定位。但是，瓦楞紙壓制工序之前是剪切工序，紙板會根據工藝要求被剪切成不同的角度。當紙板在操作臺面上運行時，不同剪切角度的紙板在相機中呈現的圖像有一定區別。圖9為剪角不同的2種紙板，圖9(a)剪角大于圖9(b)的剪角。如果用圖9(a)圖像作為模板對圖9(b)進行匹配搜索，可能存在目標找不到或者出現匹配位置偏移的問題。

圖9 剪角不同的兩種紙板Fig.9 Two kinds of paperboard with different cutting angle

在照相機拍攝目標物體時，從物方三維空間坐標系到像方二維平面坐標系的投影存在著映射關系。為了實現場景重構、場景識別，往往需要對獲得的圖像進行仿射糾正。岳娟等人[14]從逆仿射變換出發，對原圖進行仿射形變糾正，估計出對應的正射圖像。肖雄武等人[15]通過估算影像的相機軸定向參數計算出初始仿射矩陣，通過逆仿射變換得到糾正影像，對糾正影像進行匹配。這些研究人員的研究是基于圖10的相機物體仿射成像模型。

圖10 仿射成像模型Fig.10 Affine model

從圖10的模型可以得到式（2）。

式中，v為像方平面；u為物方平面；A計算見式（3）～式（4）。

式中，t為傾斜度；（θ，φ）為相機光軸定向，分別為相機的緯度、經度；ψ為相機繞其光軸旋轉的角度；λ為尺度縮放倍數[14]。

從圖2可以看出，在操作平臺中的相機為固定位置。在相機固定的條件下，獲得的圖像質量能夠保持一致。但由于工藝問題導致紙板剪角有較大的差別，下面將不同剪角的紙板看做是對模板紙板的不同θ角的畸變。以v0為模板圖像，v′0為目標圖像中映射圖像，存在關系見式（5）。

由于相機固定，在進行圖像形狀特征搜索時λ=1，ψ=0，因此A表達為式（6）。

通過調整參數t、φ，在圖像中進行形狀匹配的搜索，實現對紙尖形狀的初定位。

4 試驗與分析

（1）試驗平臺：瓦楞紙生產線。

（2）軟件環境：操作環境采用Win732位，界面編程采用Labview2014，軟件算法采用VS2010+Opencv3.4.1。

（3）測量工具：采用數顯角度尺，角度分辨率0.05°，長度分辨率0.5 mm。用于測量距離偏差和角度偏差。

（4）試驗過程：為了驗證整個系統在實際生產中的穩定性和可靠性，在實際生產之前，需要對系統的運行進行試驗。首先將壓輥機停機，并將系統的運行過程如圖2所示分解成4步，在系統運行到第4步送紙時暫停，取紙尖點位置與靠鐵基準用測量工具測量長度，用量角器測量紙板邊緣與基準線之間的夾角角度。圖11為試驗停機圖。

圖11 試驗停機圖Fig.11 Machine halt for experiment

表1為試驗結果分析表。試驗共進行9次，為了驗證紙尖翹起的引導效果，在第8次和第9次試驗中將紙尖人為折彎成不同狀態。

從表1可知，在紙板質量穩定的情況下，系統能夠穩定可靠地引導紙板進入壓輥機。如果沒有人工干預，很難在有限次數的試驗中驗證系統對紙板異常狀態的處理效果。第8次試驗采用人工方式模擬紙尖輕微飄起，系統能夠找到紙尖，但是位置有偏離，可以得到基本合格的產品。第9次試驗模擬紙尖翹起角度較大的狀態，系統認為沒有找到紙板，將本次操作判為不合格，機器人停機、報警。

表1 試驗結果分析表Table 1 Analysis table of experiment results

5 結論

本研究采用機器視覺引導機器人進行瓦楞紙的生產，在實際生產中取得了良好的效果。在正常工作情況下，系統取得的效果較好。但是由于生產的影響因素非常多，紙板的情況也較復雜；如果紙尖飄起，紙板的上料位置誤差可控制在5 mm以內，角度可控制在2°以內，取得較好的生產效果。但是系統相對于人工，工作的柔性還不夠，需要對預測模型進行進一步的改進，使之能夠滿足紙板飄起或者紙尖翹起等工作異常狀態。