基于AI視覺的工業(yè)機器人抓取系統(tǒng)設計

0 引言

近年來，隨著我國科技快速發(fā)展，勞動力成本快速上升，工業(yè)機器人的應用技術也得到了越來越多人的關注。工業(yè)機器人在智能制造業(yè)上成為了必不可少的裝備，它的使用，使智能化和自動化的趨勢越來越強。目前，工業(yè)機器人主要應用在主要用在裝配、搬運、碼垛、焊接、點焊、涂膠、噴涂等各領域。

本設計應用HuskyLens AI視覺模塊、西門子S7-200PLC及歡顏工業(yè)機器人，實現(xiàn)了視覺引導工業(yè)機器人抓取工件的功能。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

本設計以自動抓取工件的流水線為例，運用機器視覺檢測物塊并結(jié)合PLC，引導機器人夾取物塊送到碼垛區(qū)。本設計以機器視覺和工業(yè)機器人為核心，外加PLC、交流異步電機、傳感器、機械爪配套設備等構(gòu)成。其中機器視覺采用HuskyLens AI模塊實現(xiàn)；工業(yè)機器人采用HY1005A-085型號；各傳感器將采集到的信號傳輸給PLC，經(jīng)PLC處理后將控制命令傳給機器人。整個電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

在保證機器人在初始位置的情況下，啟動機器人運行程序，等待夾取信號。當視覺傳感器檢測到物塊后，機器人繼續(xù)運行并夾取物塊放置到傳送帶上。傳感器檢測到物塊后，電機帶動傳送帶將物塊傳送到碼垛區(qū)夾取一組后，機器人停止運行，系統(tǒng)流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 PLC外部接線圖

西門子S7-200PLC配合機器人等I和設O軟件程序功能，驅(qū)動硬件，實現(xiàn)機器人對物塊的抓取、放置。當機器人程序運行到等I時，等待PLC的輸出信號。當視覺檢測到物塊后，KF3線圈得電，其常開觸點接通。按下SB1后，KF2線圈得電，其常開觸點接通，給機器人的X5接入低電平，此時機器人的等I得到信號，繼續(xù)進行下一步的程序。當程序運行到設O時，機器人的輸出Y7輸出高電平，使KF1線圈得電，其常開觸點接通，使得氣閥得電動作，機器人夾取物體。程序運行到機器人放下物塊時，設O程序給Y7輸出低電平，KF1線圈失電，常開觸點斷開，電氣閥失電，物塊被放下。接線圖如圖3所示。

2.2 硬件介紹

2.2.1 機器人介紹

首先需要對機器人的系統(tǒng)操作畫面配置，可根據(jù)現(xiàn)場操作需求進行修改，出機默認的操作畫面配置如圖4所示。

圖4中主要模塊功能如下：

①抬頭列。

1）顯示系統(tǒng)版本號、目前的登入層級，點選此區(qū)域，可進入權(quán)限頁面。

標準曲線的制作：取蘆丁標準液（0.1 mg/mL）0.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于6只25 mL比色管中，用70%乙醇補充至12.5 mL，加入1.0 mL 5%亞硝酸鈉溶液，靜置5 min后加入1.0 mL 10%硝酸鋁，6 min后加入5 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，搖勻，用70%乙醇稀釋至刻度，靜置10 min，在510 nm波長下測吸光值，以蘆丁濃度為橫坐標吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到回歸方程為：y=10.775x-0.0026，R2=0.997。

3）顯示目前系統(tǒng)狀態(tài)及自動模式時的系統(tǒng)運行的速度百分比。

準備未了：當任何一個馬達的坐標未確認前，會停留在此狀態(tài)。此狀態(tài)下，自動模式無法使用，示教模式操作只可為關節(jié)坐標。

準備完成：當每一個馬達的坐標均已確認，會變成準備完成狀態(tài)，準備完成后才有辦法進入自動模式，因為系統(tǒng)需在各軸坐標均正確后，機器人的運動學演算路徑才是有意義的。

(3)判斷:用二進制變量δn來表示時刻t用戶衛(wèi)星Sn是否處于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星S0的通信窗口范圍，若0≤Ln(t)≤Lmax，δn=1，否則δn=0；

A為繞+Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。

暫停、區(qū)段停止：系統(tǒng)已運行但是因故障進入暫停狀態(tài)。

4）提示目前系統(tǒng)是否有警報警告，在警報警告區(qū)點擊，可以顯示目前的警報警告內(nèi)容。點擊重置可以清除目前的警報警告，如果該警報警告的成立條件已經(jīng)消失。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)是課程改革的主題，將會貫穿課程的教授和考核。創(chuàng)新體現(xiàn)在兩個方面：（1）教學創(chuàng)新，教師將基于教材但不再拘泥于教材，采用案例驅(qū)動，從“電子商務概論”中抽取案例與場景，將所有知識點穿插于案例與場景中進行講解。（2）考核創(chuàng)新，教師不再為學生指定考核題目，而是以創(chuàng)業(yè)為范圍，以模擬路演風投為考核重要依據(jù)。創(chuàng)業(yè)體現(xiàn)在：為學生模擬設置實際場景，以創(chuàng)業(yè)為目標構(gòu)思項目，并以“網(wǎng)站規(guī)劃與設計”課程所教授知識和技術完成項目原型，并撰寫風險項目計劃書，參與模擬路演風投。

世界坐標：以機械手底座中心為原點，工具末端點的的位置與姿態(tài)。

推薦理由:這是一套看著看著饞蟲會叫的書，這是一套讀著讀著心向往之的書。蔡瀾以尋味為目的，開啟全球美食之旅。一路行，一路玩，一路吃，不僅僅記錄美食、美景，更記錄人生百態(tài)，體味人間煙火氣。那味，是珍饈之味；那味，是美景之味；那味，是妙人之味。人間百味，非酸甜苦辣可以概括；世態(tài)萬千，豈Internet可以盡覽。若是不能親歷，那么自是翻開本書看蔡瀾先生說說也好。

2）此區(qū)域會依照系統(tǒng)模式（維護、自動、示教），及選取的坐標系（世界、工作、工具、關節(jié)），呈現(xiàn)該坐標系下的坐標值。

②左邊功能選單區(qū)。

維護模式：可對單馬達進行運轉(zhuǎn)控制。通常用于配機時期。

防止泥漿污染，海洋鉆井公司從源頭入手，加大科技投入，與高校及相關科研單位聯(lián)合攻關，研發(fā)環(huán)保泥漿，獲得了國家海洋局的無毒泥漿證書。該環(huán)保泥漿體系已經(jīng)在勝利七號鉆井平臺進行埕北326井作業(yè)時應用。

關節(jié)坐標：馬達坐標經(jīng)過機構(gòu)耦合關系轉(zhuǎn)換后的坐標值。（外觀上可視的機構(gòu)狀態(tài)）

武漢市軌道交通21號線工程途徑武漢市江岸、黃陂和新洲三個區(qū)，兩端均預留延伸條件，從江岸區(qū)后湖大道至新洲區(qū)金臺，線路全長34.864km，共設車站15座，一段一場，其中地下站5座，位于江岸區(qū)，高架站10座，位于黃陂區(qū)和新洲區(qū)。跨巨龍大道連續(xù)梁橋位于梅教街站～武湖站區(qū)間，橋跨布置（60m+100m+100m+60m），為預應力混凝土鋼構(gòu)連續(xù)梁橋體系，全長319.8m（含兩側(cè)梁端至支座中心各0.55m），橋面頂寬9.4～12.123m，線間距4.4～6.723m。橋面縱坡處于變化，橋面橫坡2%，通過防水層保護層進行調(diào)節(jié)。

一是領會戰(zhàn)略深意。恩格斯說，軍隊的全部組織和作戰(zhàn)方式以及與之有關的勝負，取決于物質(zhì)的即經(jīng)濟的條件。強大的經(jīng)濟實力、科技實力和綜合國力是實現(xiàn)黨在新時代的強軍目標、建設世界一流軍隊的基本依托。當前，國防現(xiàn)代化建設的資源供給方式與強軍需求還不相適應，我軍傳統(tǒng)的建設發(fā)展模式與全面建成世界一流軍隊的要求還不相適應，必須從國家安全發(fā)展的政治高度和我軍建設現(xiàn)狀的實際角度，深刻領悟軍民融合發(fā)展的戰(zhàn)略定位，把準戰(zhàn)略方向、強化戰(zhàn)略引領。

示教：可以選擇世界、工作、工具、關節(jié)等坐標系方向作為移動的參考，進行移動。

③手動操作區(qū)。

用以選擇動作的坐標、連續(xù)、速度比例，然后按移動鍵進行手動移動。

機器人是一個六關節(jié)機械手，機械手的坐標一般是指末端點的位置與姿態(tài)。由圖4外加工具后的示意圖可知，XYZ軸的方向定義可以將手臂想成是一個人，與熟知的坐標軸方向相同，右邊是+X，前方是+Y，上方是+Z。

如圖5所示，想要表示，通過獲取機器人的位置和機器人的姿態(tài)，即可獲得工業(yè)機器人的空間坐標信息，就如一般理解并常用的（X，Y，Z），但是姿態(tài)信息（A，B，C）就不是這么容易理解了。ABC是用來表示末端點的方向，它有一個特定的規(guī)則，統(tǒng)稱尤拉角（Eulers rotation theorem），用來表示出各種方向的可能性。尤拉角的規(guī)則在各家的機器人系統(tǒng)里，定義不一定相同。研華寶元的尤拉角定義為ZXZ，通用右手定則，即：

運行中：自動程序運行中。

傳統(tǒng)的設計思維是根據(jù)用戶的不同角色設計不同功能，這在一定程度上造成了功能的重用和代碼的冗余。而這次的高校宿舍管理系統(tǒng)的設計是主要圍繞四個大功能模塊對三個不同角色的用戶設置不同的權(quán)限，如圖1所示。

聯(lián)合國的任務講規(guī)則、講標準、講計劃，一般不采取突擊的方式。但中國軍人傳統(tǒng)上習慣對領受的任務進行突擊，搶進度，提前完成任務，導致聯(lián)合國認為交給中國軍人的任務過輕而增加工作量。結(jié)果，中國維和官兵始終處于高強度工作狀態(tài)，不堪重負。此外，維和行動一般都是多國參與，意識形態(tài)、文化觀念和風俗習慣等方面大相徑庭，這些因素都會影響維和任務執(zhí)行的效率和質(zhì)量。

B為繞（經(jīng)過A旋轉(zhuǎn)后的+X）軸旋轉(zhuǎn)的角度。

C為繞（經(jīng)過AB旋轉(zhuǎn)后的+Z）軸旋轉(zhuǎn)的角度。

本系統(tǒng)包含多種機器人型式，均采用相同的觀念進行開發(fā)，以下為一些專用名詞的說明：

馬達坐標：馬達的實際坐標值，與機構(gòu)間的同動無關。

自動：用于啟動程序，或是操作各頁面中的特定動作。

示教中：執(zhí)行示教中。

正向運動學：由馬達坐標轉(zhuǎn)換到世界坐標的運算法則。

1.4統(tǒng)計學分析:對所有的數(shù)據(jù)都使用SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計和分析。組間資料使用t進行檢驗,計數(shù)資料則采用X2進行檢驗。差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

反向運動學：由世界坐標轉(zhuǎn)換到馬達坐標的運算法則。

2.2.2 PLC控制器

本設計選用的PL C型號是西門子S7-200系列，CPU型號為CPU 226，西門子S7-200具有很快的運行速度。主要優(yōu)點是通訊能力強和生產(chǎn)能力強。西門子S7-200也可以是獨立的PLC或其他控制器的組合。這種類型的PLC輸入和輸出點分別為24個和16個。

2.2.3 Arduino控制板

Arduino模塊開放所有的源碼，可根據(jù)用戶自身的需要修改程序。微處理器的成本低，可通過USB接口進行供電。也可以使用外部5VDC輸入，而無需連接電源。Arduino通過各種傳感器感知環(huán)境的變化，可以控制各類傳感器，并反饋測試的信息。是一種可以在其他PC上運行的軟件，可以相互進行通信（例如Flash、Processing、MaxMSP）。

作為對“世界怎么了，我們怎么辦”的理論解答，人類命運共同體有著其深層的思想資源。學術界主要從馬克思主義以及中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化兩個方面來解讀。

2.2.4 AI視覺傳感器

HuskyLens（中文名：哈士奇，或二哈）AI視覺傳感器擁有智能設計，采用AI芯片，內(nèi)置多種算法，只需一鍵操作，便可讓二哈識圖智能識別更多新事物。內(nèi)置強大機器學習技術，使其具有人臉識別、顏色識別、標簽識別和物體識別和追蹤等能力，比普通傳感器更智能更強大。二哈識圖AI視覺傳感器自帶2.0寸IPS顯示屏，體積小巧，調(diào)參無需電腦輔助，本地處理所有算法直接輸出結(jié)果，識別率更高。

2.2.5 SYN6288語音模塊

為了實現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換，語音模塊選用了SYN6288，成本低，連接簡單，其還支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；其語音合成效果的優(yōu)點是清晰、自然和準確；每次合成的文本量最多可達200字節(jié)；最終產(chǎn)品提供SSOP貼片封裝形式，體積業(yè)內(nèi)最小。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計主要包括三個部分，分別為西門子S7-200 PLC核心控制器程序設計、機器人控制程序設計、視覺傳感器檢測模塊設計。

3.1 PLC梯形圖

本次程序設計的PLC軟件是專門為西門子S7-200 PLC開發(fā)的STEP7-Micro/WIN編程軟件，采用梯形圖進行編寫。

當檢測到物體滿足要求時，按下啟動按鈕SB1，常開觸點I0.0接通，線圈Q0.0得電，并形成自鎖，機器人動作。機器人每夾取一次，I0.2接通一次，計數(shù)器C

加1，當累計到12次時，計數(shù)器清零，并斷開Q0.0線圈。部分程序如圖6所示。

3.2 機器人程序

歡顏機器人的編程語言簡單、靈活，能讓使用者快速掌握。通過快速、直線、等I、設O等指令，完成機器人夾取任務。

為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，政府于1996年開始在糧食主產(chǎn)區(qū)集中連片地建設“穩(wěn)定高產(chǎn)”的大型商品糧生產(chǎn)基地。

整個程序的編寫步驟如下：

MDA含量的測定采用Jin[8]等的方法。樣品組織用 10 mL 100 g/L三氯乙酸(TCA)溶液勻漿，4 ℃13000 r/min下離心30 min，在10 mL 試管中一次加入2 mL上清液、2 mL 0.67% TBA混勻，于沸水裕中20 min，冷卻，然后測定450 nm、560 nm和600 nm處吸光值。

快速指令讓機器人末端抓手快速到達物塊附近；慢速指令讓其慢慢逼近物塊，到達指定位置；等I指令等待夾取信號；設O指令讓抓手夾取物塊；快速指令讓機器人移動到想要放置物塊的地點附近；慢速指令讓機器人慢慢將物塊放置帶傳送帶上。

3.3 視覺程序

視覺程序采用Mind+進行程序的編寫，它提供簡單的繪制工具，可以添加圖形、文字、顏色，拖動圖形積木即可進行編程。在程序編寫過程中，首先對二哈視覺模塊進行設置，初始化引腳，然后通過編程把視覺模塊切換到顏色識別功能組，通過對視覺設置，將藍色設置為ID1，當開始工作時，視覺模塊請求一次數(shù)據(jù)存入結(jié)果中，通過比對，當比對結(jié)果滿足條件時，語音播報為檢測完成，執(zhí)行抓取，此時給數(shù)字引腳發(fā)送一個低電平，用于啟動鏈接到PLC的線圈，當結(jié)果不匹配時，播報為請放入分類物體，并給10引腳一個高電平，使得PLC不工作，就不執(zhí)行抓取，直到檢測到藍色物料，才執(zhí)行抓取。

4 結(jié)論

經(jīng)過不斷地調(diào)試、完善，本設計完成了AI視覺傳感器引導工業(yè)機器人對工件的抓取，且性能穩(wěn)定可靠、操作簡單、生產(chǎn)效率高。

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