基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術研究

摘" 要：基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術是利用機器視覺三維立體成像，自動識別需抓取對象信息，再通過機械臂柔性系統(tǒng)進行分揀的技術，面對工作環(huán)節(jié)繁多、多樣化與復雜化的分揀工作，該技術有著極高的應用價值。在分揀工作中，有效利用機器視覺的機械臂柔性分揀技術能加強分揀工作效率與質(zhì)量，提高分揀領域的智能化、信息化進程。因此，該文針對利用機器視覺的機械臂柔性分揀技術的實際應用進行分析。

關鍵詞：分揀；機械臂；機器視覺；應用研究；技術優(yōu)勢

中圖分類號：TP391.7" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0022-04

Abstract： The flexible sorting technology of manipulator based on machine vision is a technology that uses machine vision three-dimensional imaging， automatic recognition needs to grasp object information， and then sorts through the flexible system of manipulator. In the face of various work links， diversified and complicated sorting work， this technology has high application value. In the sorting process， the flexible sorting technology of mechanical arm with effective use of machine vision can enhance the efficiency and quality of sorting and improve the process of intelligence and information in the process of sorting. Therefore， this paper analyzes the practical application of flexible sorting technology of manipulator based on machine vision.

Keywords： sorting; mechanical arm; machine vision; applied research; technical advantage

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，分揀是一個不可忽視的環(huán)節(jié)，但是分揀過程繁雜，流程枯燥，且人力成本高。在此背景下，自動化分揀設備的研究開始成為研究熱點，人們通過利用工業(yè)機械臂替代人類手臂的分揀方式，初步實現(xiàn)自動化工作，一定程度上提高了生產(chǎn)效率。但是，隨著應用問題的不斷凸顯，在傳統(tǒng)工業(yè)機械臂進行分揀任務時，大多為通過循環(huán)程序設定在某一確定位置固定地抓取并重復，工作環(huán)境限制大。如果環(huán)境、對象改變，那么分揀流程受到影響。于是，如何通過機器視覺技術讓工業(yè)機械臂更加地智能化、柔性化，引起了國內(nèi)外學者的廣泛研究[1-2]。機器視覺技術與機械臂柔性分揀技術結合應用于分揀領域，雖取得了一定的研究成果，在一定程度上提升了智能化水平，但仍然存在諸多技術問題亟待解決。盡管如此，利用機器視覺的機械臂柔性分揀技術研究對于工業(yè)自動化、分揀自動化有著廣闊的應用前景。基于此，本文對基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術的應用進行研究。

1" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術的基本概念與技術優(yōu)勢

1.1" 機器視覺技術的概念

20世紀60年代，為拓寬機器人的工作領域范圍，提升機器人的工作效率，人們開始在機器人領域引入視覺概念，最終形成了機器視覺技術。而機器視覺技術是用攝像機和高性能計算機來模擬人類的視覺功能，實現(xiàn)自動獲取圖像并進行分析，以獲得拍攝圖像中目標景物的數(shù)據(jù)，將機器視覺應用在機器人上，主要是通過機器視覺系統(tǒng)，利用三維立體成像相機，進行圖像的識別與數(shù)據(jù)傳輸，將其反饋至上位機，然后通過上位機規(guī)劃機器人的運動路徑。

1.2" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術的基本概念

基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術是通過將機器視覺引入到分揀機械臂當中，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)利用機器視覺三維立體成像技術，獲取物體的相關信息，自動識別需抓取對象，完成分揀的自動化和智能化[3-6]。基于機器視覺構建的機械臂柔性分揀技術，可以根據(jù)各部分的不同作用進行劃分，主要分為視覺識別系統(tǒng)與機械臂運動控制系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)中的三維立體成像相機識別圖像并傳輸，上位機對圖像進行處理后得到被抓取物體的位置信息，機械臂的控制系統(tǒng)根據(jù)上位機傳輸?shù)奈恢眯畔ⅲ?guī)劃其運動軌跡路線，發(fā)送指令控制執(zhí)行末端的動作，并且實時反饋執(zhí)行末端的空間姿態(tài)，從而完成智能化的識別與抓取。

1.3" 傳統(tǒng)機械臂分揀技術

分揀是工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，人工分揀的形式更是枯燥乏味，長時間重復簡單的勞動，一方面人工成本高，另一方面不利于人的身心健康。而傳統(tǒng)機械臂分揀技術的出現(xiàn)，開始使用機器分揀，不僅效率高，而且工作時間長，可以取代人工。隨著國家的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化進程駛入快車道，目前國內(nèi)基于傳統(tǒng)機械臂技術構建的分揀系統(tǒng)，大多為提前設定抓取任務程序，固定工作位置與工作步驟，環(huán)境因素要求單一，利用傳統(tǒng)工業(yè)機械臂進行分揀的不足也逐漸凸顯，對工作環(huán)境要求苛刻，且工作任務簡單，其大多在預先設定好的有序的工作環(huán)境中，完成確定的簡單任務，一旦環(huán)境變化，分揀系統(tǒng)的工作必然受到影響。然而，在更多的情況下，分揀的環(huán)境是復雜的、不確定的，甚至是變化的，這就需要分揀系統(tǒng)具有一定的外部環(huán)境感知能力，以克服環(huán)境不確定性的影響。目前傳統(tǒng)機械臂分揀系統(tǒng)基本限定在固定的工作位置，在固定的程序下進行逐步任務，每一步都是根據(jù)指令的固定動作，對于柔性精確判別高效，自主性分揀工作顯得捉襟見肘，造成了工作流程繁雜且生產(chǎn)效率低下的現(xiàn)象。

1.4" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的機械臂分揀技術相比，基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術具有以下幾點優(yōu)勢。

1）自主性工作。在分揀任務中使用基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術可以做到大范圍、多數(shù)量識別分揀目標位置，對分揀目標依次進行分揀。相比傳統(tǒng)機械臂分揀技術，因需要固定點位抓取而進行人工精細化分揀貨物供應，基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術可以做到無處理的大批量供貨，且分揀全過程無需人力參與，實現(xiàn)了分揀系統(tǒng)的自主工作，進一步降低了人工參與帶來的人力成本。

2）環(huán)境適應性強。在分揀任務中使用基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術能夠通過機器視覺對分揀貨物進行三維立體成像，確定每個貨物位置、體積和形狀等物理信息，針對復雜的分揀場地、復雜的分揀目標都能進行高效作業(yè)，不會受到客觀的物理環(huán)境影響，能夠按時完成預定的分揀任務。除此之外，在其他工作流程中可有效地與其他輔助設備聯(lián)動，從而節(jié)省了人力物力資源成本投入，提高了經(jīng)濟效益。

3）分揀損壞率低。傳統(tǒng)分揀技術的抓取方式一旦運動幅度過大或抓取力度過大很容易發(fā)生物品損壞，在分揀任務中使用基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術能夠利用吸盤吸取的方式進行目標的分揀，極大降低分揀損壞率。而且對于工作環(huán)境和工作對象不限制，可靈活地在多種工作模式中切換，對于各工業(yè)領域具有較高的應用價值。

2" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術在分揀領域的重要性

2.1" 推進分揀領域的信息化建設

分揀在實際的工作過程中會涉及貨物卸車、貨物供給和貨物分類等多種不同類型的工作流程，每個流程對應著不同的工作步驟與環(huán)境。目前各個工作流程，在實際工作中的自動化設備應用率較低，大多是采用人工供包分揀設備分揀的形式，部分流程采用機械臂，但智能化水平較低、錯誤率高。隨著社會進步與科技發(fā)展，如果繼續(xù)延續(xù)舊的分揀模式與分揀技術，導致分揀工作依然處于人力成本高、分揀環(huán)節(jié)多及效率低，無法與分揀領域提出的智能化、自動化和柔性化要求相適應。而機器視覺技術的引入，讓物流分揀領域看到新的曙光，基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術在工作中能夠大幅度加強行業(yè)領域工作的數(shù)據(jù)化與現(xiàn)代化。基于此，在分揀領域中科學利用基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術，一方面避免分揀流程在實際工作中出現(xiàn)錯件、壞件和卡件等問題，影響分揀工作進程與效率。另一方面，進一步促進了物流快遞行業(yè)的智能化、信息化發(fā)展，推動我國工業(yè)現(xiàn)代化進程。

2.2" 提高分揀工作質(zhì)量

實際使用傳統(tǒng)的分揀技術在開展分揀工作過程中，尤其是對大批貨物進行分揀時，需要大量的人工進行費時費力的卸車、分裝及供包等重復性、長時間的重體力勞動，而且在分揀過程中無法對工作狀況實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障或問題，需要花費較長時間找到問題所在，拖慢了生產(chǎn)工作效率，且傳統(tǒng)分揀技術容易對目標造成不同程度的損壞。基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術，有效提高貨物分揀的準確性與工作效率，一方面能夠利用視覺技術識別特定的物理信息并記錄，將圖像信息傳輸至上位機處理后，形成指令，控制下一步工作流程，構建數(shù)據(jù)庫，將不同區(qū)域的貨物信息匯總，立體呈現(xiàn)分揀過程，精準確定故障錨點，進而提升分揀效率，減少人工勞動強度與成本。

3" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀系統(tǒng)的應用挑戰(zhàn)

3.1" 行業(yè)飛速發(fā)展但弊端顯露

據(jù)《中國服務機器人行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》分析，近年來全球機器人市場不斷擴大，僅工業(yè)機器人的銷量就在2014年達到了22.5萬臺。新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，也暴露了許多問題，機器人的智能化程度不夠，導致在復雜的工作環(huán)境中容易出現(xiàn)運行時反應能力不足、機器人功能不全、障礙物識別存在盲區(qū)、穩(wěn)定性差、行駛軌跡偏移和無差別損害貨物等嚴重問題。同質(zhì)化嚴重，機器人技術無論是硬件還是軟件都應該不斷創(chuàng)新，而不是“大同小異的標準”，一家推出新型產(chǎn)品，面向市場，隨之而來的第二家、第三家都是“換湯不換藥”，最為顯著的就是更改外觀進行營銷的現(xiàn)象。在本就被國外技術超越許多的情況下，創(chuàng)新企業(yè)所受困境更無法加大研發(fā)的投入，導致人才市場也十分凋零，市場標準與產(chǎn)品標準難以統(tǒng)一，質(zhì)量參差不齊。

3.2" 技術應用剛性較強，智能化自動化程度低

貨物破損率較高的問題一直被人們關注。企業(yè)會經(jīng)常被客戶投訴、進行理賠。首當其沖的就是在快遞領域，任務重、數(shù)量多及時間緊，造成了在網(wǎng)絡平臺看到的狀況，各類貨物“天上飛”的操作，各種大小形狀不一的郵件到了供包臺后，傳統(tǒng)的剛性機械臂基座過于粗壯，臂桿較短，操作地空間十分有限，而且靈活性較差，工業(yè)流程上缺乏柔性，無法判定各種形形色色的貨物，無差別的利用機械爪抓取貨物，非常容易導致貨物的損壞，發(fā)生問題后又需要進行人工處理，導致人工成本再次增加，無法有條不紊的實現(xiàn)智能化、自動化地供包分揀，自動化程度太低。如何實現(xiàn)智能化、自動化及柔性化分揀供包，成為了企業(yè)的核心痛點。因此，在目前的物流快遞分揀領域，如何利用機器視覺技術，實現(xiàn)機械臂分揀系統(tǒng)的工作柔性化、自動化和智能化，成為目前研究的一個重點突破方向。

3.3" 技術人才專業(yè)度不高

基于機器視覺的機械臂柔性分揀系統(tǒng)在使用過程中，需要人員有過硬的專業(yè)能力，且對工作安全性有著嚴謹?shù)囊庾R，專業(yè)能力素質(zhì)高，能夠在工作過程中有效操作示教器進行更改、編寫指令，了解視覺傳感系統(tǒng)及上位機系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機器視覺與機械臂的有效連接等。但是企業(yè)對高水平人才的招聘卻困難重重，現(xiàn)在的年輕人普遍認為學機械專業(yè)的性價比不高，課程難度大，學業(yè)壓力大，工作環(huán)境差，很多年輕人放棄了這門專業(yè)，所以在目前的就業(yè)環(huán)境下，符合要求的專業(yè)技能型人才較少，而放低標準招到的一些技術人員專業(yè)性差，需要花較多的時間在解決一些基礎問題上，部分技術人員在實際工作中不能及時排除故障，造成無法高效地進行機械臂柔性分揀工作，降低了分揀的工作效率。

4" 基于機器視覺的機械臂柔性分揀技術在分揀中的具體應用

4.1" 構建機器視覺自動識別抓取程序

在利用機械臂柔性分揀系統(tǒng)進行分揀工作中，需要對機器基礎性信息進行了解與檢查，如示教器的操作與程序編寫、銘牌的參數(shù)、氣壓是否穩(wěn)定和工作環(huán)境是否安全等。機械臂柔性分揀技術是一項自動化、智能化和細節(jié)化的分揀技術，在機器運行的任何一項環(huán)節(jié)中出現(xiàn)錯誤都可能直接影響到分揀物件的損壞，機器的磨損甚至對工作人員安全造成威脅，出現(xiàn)嚴重的失誤。利用可編程技術、傳感器技術能夠在機器運行前設定出自動識別抓取程序，利用機器視覺自動獲得分揀物品的大小、形狀等數(shù)據(jù)信息，同時能在上位機及示教器上規(guī)范化各種數(shù)據(jù)，使得機械臂自動化抓取變得更為準確，從而幫助工作人員有效分揀各類型的貨物，提高分揀的工作效率。

4.2" 機械臂柔性分揀的具體體現(xiàn)

機械臂柔性分揀工作中使用機械臂分揀技術、視覺傳感技術主要體現(xiàn)在以下幾方面。首先是機械臂分揀技術。通過工業(yè)機械臂進行柔性化抓取，通過機器視覺的聯(lián)動反饋得到的目標物理信息，對抓取的路線進行進一步優(yōu)化，以此建立智能化的自主抓取系統(tǒng)，滿足自動化、智能化供包，能夠支持快遞行業(yè)、果蔬采摘行業(yè)及汽車自動化制造行業(yè)等，具有廣泛兼容性，實現(xiàn)任務的柔性化。其次是視覺傳感系統(tǒng)，三維立體成像相機對待抓取的物件進行檢測，分析出物品的形狀和體積，得到了更加直觀準確的數(shù)據(jù)后，反饋至上位機并根據(jù)具體情況而制定不同的解決方式策略。與傳統(tǒng)機械臂相比，機械臂柔性分揀能應用的范圍更廣，完善的系統(tǒng)反饋與控制，充分降低了物品的損壞率，且效率更高，成本更低。

4.3" 完善機械臂編程

在機械臂柔性分揀系統(tǒng)中應用可編程技術，能更好地提高機械臂智能化抓取質(zhì)量，并且在一定程度上控制抓取的柔性，要科學地利用編程，提升完善高速抓取分揀體系。在編程過程中，要結合工作環(huán)境及實際分揀物件各種因素，在以往的基礎上完善程序，確保在不同環(huán)境下的良好應用。一是要抓取物件的規(guī)格參數(shù)，編程時要合理處理機械臂抓取各大小物件的既定位置，避免出現(xiàn)損壞、空抓及抓取沖突的現(xiàn)象，自動化抓取過程中，要保證機械臂抓取的柔性，符合設計的規(guī)定要求。二是科學設計機械臂抓取時運行的軌跡方式，確保底部吸盤能夠平滑吸住物件，避免吸盤吸力過大損壞物件，避免機械臂抓取后轉運到其他平臺時速度不穩(wěn)，物品在分揀過程中突然掉落，從而造成損壞。要充分保證運動軌跡準確合理，設計程序環(huán)節(jié)要充分考慮到載荷恒定，達到柔性分揀效率高的效果，體現(xiàn)技術的優(yōu)勢。

4.4" 柔性分揀技術應用注意事項

機械臂柔性分揀系統(tǒng)開機前，工作人員進行設備安全檢查、程序運行檢查和工作環(huán)境檢查，之后即可開展機械臂柔性分揀工作，在整個工作環(huán)節(jié)需要嚴格地執(zhí)行相關操作標準，確保分揀的每個工作環(huán)節(jié)有序安全地進行。在分揀過程中，人身安全是必須考慮的問題，需要遵守以下要求：在操作時正確穿戴安全防護器具，遵守安全規(guī)范。在機械臂柔性分揀過程中，機器運轉時，不可站在機械手下落范圍或者既定的動作范圍內(nèi)，不允許為解決故障把手或者其他物品伸入機械手動作范圍內(nèi)。若有異響或擺動不順，應立即停止檢查。必須嚴格遵守相關操作規(guī)程。視覺傳感系統(tǒng)的物理位置必須固定，以此為基準確定抓取物體信息，配合著機械臂操作系統(tǒng)形成精準抓取，保證各項流程之間的關聯(lián)性、流暢性。同時，一旦出現(xiàn)緊急情況，工作人員要迅速做出反應，按下急停按鈕，切斷工作電源，做好保護措施后著手處理。

5" 結束語

隨著我國不斷推進科技創(chuàng)新發(fā)展，《中國制造2025》作為一項重大發(fā)展戰(zhàn)略更是對工業(yè)領域的自動化、智能化提出更高要求。分揀作為工業(yè)領域不可忽略的一項產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)分揀已經(jīng)無法滿足我國工業(yè)智能化、自動化發(fā)展的更高要求，也與如今快速發(fā)展的物流快遞行業(yè)不再適配。因此，將機器視覺技術與機械臂柔性分揀技術結合應用到分揀領域，仍需不斷深入研究創(chuàng)新，進一步推動工業(yè)自動化水平。

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