基于工業機器人控制的物料視覺分揀系統的研究與設計

王曉蓮

（江陰職業技術學院，江蘇江陰， 214405）

0 引言

隨著工業技術的快速發展，在如今工業智能化生產過程中，工業機器人已經成為制造業實現全面自動化中的重要環節。同時，由于現在的生產線上的任務越來越繁瑣，仍然使用人工進行一些繁瑣的工件分類已經無法使企業生產產能得到提高。并且隨著工作量的加大，人工分揀出現的失誤頻率也會逐漸提高。因此，迫切需要能夠代替人工且高效率的同時不易出錯的工業機器人來完成分揀工作。利用視覺控系統與工業機器人相結合的方法，就可以實現這種快速分揀作業任務。

1 工業機器人分揀系統硬件結構

系統的整個運行流程如下：將所有類別的物料都隨機放入推料模塊，通過推料裝置將物料推入傳送帶上，機器人從輸送帶的末端夾取物料放入視覺檢測工作臺上進行檢測，最后通過視覺控制器來分配存儲地址，分配物料入庫。

工業機器人視覺分揀系統主要由工業機器人、供料單元、物料輸送單元、視覺分揀系統單元等模塊組成。其中，視覺分揀系統單元主要由光學鏡頭，照明設備，工業相機以及視覺控制器構成。工業相機連續拍攝采集工作臺上的物料，并將獲取到的信息傳遞到圖像采集系統中，為后續視覺控制器辨別處理做好準備。信息處理單元主要由計算機組成，該單元對圖像采集傳輸上來的信息進行分析處理，其中包括視覺控制器對目標物料進行顏色比對，并將比對后的信息傳遞給機械手，完成指定的動作。

上位機作為監控系統，監視下位機以及其他設備的工作情況。計算機系統根據上位機監控軟件的指令來對機器人控制器進行運行狀態的操作。機器視覺則通過前期比對模型及程序的建立，對所需分揀的物件進行一個存儲位置的鎖定，將物料的存儲地址發送給機器人控制器，最后控制機械手來進行分揀工作。

■1.1 工業機器人的選擇

本系統采用的機器人型號為ABB機器人家族中目前最小的機器人—IRB 120型機器人，圖2是本系統使用的機器人實物圖。IRB 120型工業機器人在緊湊空間內凝聚了ABB機器人系列的全部功能與技術，該機器人只有25kg的重量，幾乎可以被安裝在任何地方[1]。雖然IRB 120機器人的工作范圍只有580mm，但其結構輕巧，功率強勁，在所有應用到的場景中都能確保優異的精確度與敏捷性。

圖2 IRB120型工業機器人

■1.2 視覺檢測模塊硬件設計

視覺檢測模塊中的硬件組成部分包括HIKVISION的視覺控制器、智能相機，以及FA工業鏡頭等相關硬件。

（1）視覺控制器

圖3 視覺控制器的側面示意圖

HIKVISION視覺控制器是專門為控制系統而開發的控制器，該控制器集成了機器視覺應用中的各類接口與圖像處理算法。并且該控制器具有2個獨立的HDMI顯示輸出，支持GPIO輸入輸出功能。由于觸發輸入可以通過上位機的控制以及輸入I/O的控制兩種方式實現，因此提供三種輸入模式可供選擇。

（2）相機型號與鏡頭

本設計選擇的相機型號是MV-CE050-31GC。作為一款經濟型面陣相機，它采用的CMOS芯片是Aptina SR0521。在采用這種芯片的情況下，它在圖像采集信息的傳輸上都可以達到預期的要求。并且支持自動與手動的兩種調節方式來調節相機曝光時間，且具有千兆以太網接口。在無中斷的情況下，100m是該相機所能達到的最大傳輸距離[3]。表1為該款相機的基本技術參數。

表1 MV-CE050-31GC通用技術參數

圖4 Hikvision MV—CE050—31GC

圖5 FA工業鏡頭

鏡頭在機器人視覺分揀系統中擔任著十分重要的角色，它在系統中的功能是收集物料的反射光，并將反射光聚焦在面陣相機上[2]。一個優異的鏡頭可以獲得良好的拍攝效果，所以就對鏡頭的選擇必須滿足兩個基本的要求，首先對拍攝物料的成像必須比較清晰，另外還要求圖像的畸變很小。而本次研究鏡頭的選擇為FA工業鏡頭，圖5為本次所選鏡頭的實物。其優異的性能以及高性價比都完全符合本次的研究中鏡頭的選擇。

■1.3 輸送模塊硬件設計

光電傳感器以及減速電機等硬件組成了本系統的輸送模塊，圖6為系統中輸送模塊實物示意圖。

圖6 輸送模塊實物圖

（1）光電傳感器

GTB6-N1211是一款迷你型光電傳感器，其工作原理是漫反射光電傳感器。并且具有90%反射率的掃描對象[3]。其輕小的體積可以輕松地安裝在各種場合，減少占地面積的使用。本次研究中推料模塊、輸送模塊、存儲模塊都將使用到此傳感器，以用來檢測物料是否到達預定位置。圖7為光電傳感器的實物圖以及其觸發感應距離圖表。

圖7 GTB6—N1211實物圖及觸發感應距離圖表

①具有90%反射比的目標對象；

②觸發感應距離為灰色，18%反射比；

③觸發感應距離為黑色，6%反射比。

（2）圓柱齒輪減速機

本次研究輸送模塊中電機的型號為80UYT25GV22，輸送模塊中的圓柱齒輪減速機是一種動力傳達機構，其利用齒輪的速度轉換器，將電機的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩的裝置[4]。在本系統中主要運用于輸送模塊，通過減速電機的精確控制，將輸送帶上的物料輸送到預定位置。下面為皮帶輸送簡易圖以及相關皮帶輸送時馬達容量（Pg）的具體計算方法，減速電動機運動過程示意圖如圖8所示。

圖8 減速電動機運動過程示意圖

無負荷動力p1 =9.8uωVL[w]， 水平動力垂直動力運送帶長度[m]，ω：環狀帶比量[kgf/m]，μ：摩擦系數，η：效率[%]，Q：運送量[kgf/h]，V：環狀帶的速度[m/sec]，H：傾斜運送機的兩端高低差[m]。

■1.4 通用倉儲模塊硬件設計

倉儲模塊主要為各模塊的物料提供一個存儲位。倉庫庫位都有檢測傳感器，通過傳感器測物料，將數據傳輸給其他設備。工業機器人通過快換工具和庫位信息，進行物料的入庫。

■1.5 系統I/O地址分配表

表2 I/O信號分配表

2 工業機器人分揀系統程序設計

■2.1 系統程序流程圖

基于工業機器人控制的物料視覺分揀系統的內部通信設置完成之后，進行機器人程序設計。而視覺系統的任務就是將需要分揀對象的顏色信息傳遞給機器人的控制系統，由于本系統是面向分揀臺上的物體，所以只需將機器人放置的物料進行分揀。圖9為系統程序流程圖。

圖9 系統程序流程圖

■2.2 視覺模塊程序設計

在識別前需進行模塊的建立，在建立完模塊后加載運行時，視覺控制器會根據拍攝到的相機成像與模塊中已有的數據進行數據比對。圖10為視覺檢測模塊流程圖，以及各程序模塊相關信息。

圖1 系統硬件框圖

圖10 視覺檢測模塊流程圖

圖像采集：通過相機對物料進行拍攝成像，并以圖片的形式反饋給圖像預處理。

圖像預處理：去除圖像中的噪聲，獲取清晰的圖像。

顏色模板：將相機成像后的圖片與建立模塊中的圖片進行顏色的檢測比對，以確定存儲地址。

由于需要分揀兩種不同顏色物料進行分別入庫，因此需要調用保存在子程序中的任務指令，可以通過視覺控制器輸出信號給出的信號來調用需要的指令，Routine1指令是黑色物料存儲地址指令，而Routine2是白色物料存儲地址指令。

主程序中從推料模塊到開始判斷物料顏色的執行步驟的指令是不用改變的，其中讓機器人從輸送末端夾取物料到檢測模塊的相關指令的編寫代碼如下：

3 系統調試

視覺模塊設計主要依托于VisonMaster軟件平臺，其擁有強大的視覺分析工具庫，可以簡單靈活的搭建機器視覺應用方案，并且無需編程。首先打開VisonController軟件，選擇串口、點擊光源亮度調節光源亮度，應用后即可使光源以特定亮度打開并且保持不變。

圖11 VisonController控制界面

在顏色處理方面，首先在軟件VisionMaster 3.2.0中新建一個全新方案。顏色識別主要依靠顏色為模板進行分類識別，當同種類物體有著比較明顯的顏色差異時，相機就可以實現精準的物體分類并輸出相關的分類信息。通訊管理方面選取協議類型為“IO”與“OK時輸出”，通訊串口號改為“COM2”。啟動狀態改為“非連續運行”。圖12為通訊管理設置。

圖12 通訊管理

在處理物料時，根據不同顏色物料進行多次拍攝檢測，觀察并檢測各通道值進行對比分析，選擇通道值差距較大的一組數值對物料進行測量分類。圖13為拍攝物料后顏色對比模塊。

圖13 模塊狀態示意圖

4 結論

綜上所述，利用視覺系統來模擬人類的視覺來對物料進行測量和判斷在生產效率上，可以長時間保持生產能力，不僅可以解放人工視覺分揀時的視覺疲勞，而且大大提高了企業的生產效率，促進企業生產可持續的發展目標。