基于圖像特征分析的智能機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

姚秋鳳，岳學(xué)民

（1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.新鄉(xiāng)市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，利用氣動(dòng)機(jī)械手是一種提高效率的工作方式。氣動(dòng)機(jī)械手具有氣源使用方便、不污染環(huán)境﹑動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠，操作維修簡(jiǎn)便以及適于在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，因而在流水線自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)、沖壓加工、機(jī)床下料、注塑、儀表及輕工業(yè)等行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。然而，傳統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)械手功能單一，只能完成簡(jiǎn)單重復(fù)性動(dòng)作，不具有智能功能，特別在自動(dòng)化流水線分揀工件時(shí)，不足之處顯得尤為突出。本文針對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)機(jī)械手的不足，構(gòu)建了一個(gè)基于視覺(jué)特征分析的智能型分揀機(jī)械手平臺(tái)，模擬人類視覺(jué)，獲取工件圖像，分析特征，依據(jù)判定規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工件的智能分揀。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

智能型分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文構(gòu)建的智能型分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)，采用主從式設(shè)計(jì)，主要由視覺(jué)特征分析單元，控制單元，氣動(dòng)機(jī)械手和CCD攝像機(jī)構(gòu)成。視覺(jué)分析單元由工控機(jī)（或PC機(jī)）和工業(yè)圖像采集卡（MV-200）組成，CCD攝像機(jī)（SONY FCB-EX480CP系列AF216X）［2］采集工件圖像傳送至PC機(jī)進(jìn)行圖像特征分析，并依據(jù)特征實(shí)現(xiàn)工件分揀智能決策。控制單元采用西門(mén)子S7-200系列PLC，此系列PLC，具有其通用性和擴(kuò)展性能良好、運(yùn)算指令豐富，并且它的體積小、安裝靈活、價(jià)格低廉、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化且非常適合在較惡劣的環(huán)境條件下使用［3］。分揀機(jī)械手由氣缸、電磁閥和相關(guān)傳感器組成，由控制單元控制其完成動(dòng)作執(zhí)行。

此平臺(tái)主要工作流程為：工控機(jī)和控制單元啟動(dòng)后，手動(dòng)設(shè)置工件特征。傳感器檢測(cè)有無(wú)工件，若有工件，控制單元停止工件傳送帶驅(qū)動(dòng)，發(fā)送采集圖像請(qǐng)求到工控，上位機(jī)接收到請(qǐng)求后采集圖像，進(jìn)行特征分析，判斷是否符合特征。如果符合設(shè)定特征，則發(fā)送分揀指令，觸發(fā)控制單元驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成相關(guān)動(dòng)作；反之，發(fā)送傳輸指令，控制單元啟動(dòng)工件傳送帶驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手不動(dòng)作?？刂茊卧獙?shí)時(shí)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)，工控機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī)械手動(dòng)作流程。

2 平臺(tái)硬件的構(gòu)建

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

分揀機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

其主要元件選型及功能如下：機(jī)械手前伸／后退的氣缸（D-C73）水平安裝在機(jī)械手立柱托架上，端頭安裝升降氣缸構(gòu)件。由雙電控電磁閥（4V120-06）控制氣路來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手前伸／后退，使用機(jī)械式磁敏傳感器（CXSM15-100）作為位置檢測(cè)。升降氣缸（C-Y59B）垂直安裝，氣缸伸出端向下，位置傳感器（CXSM15-100）檢測(cè)到位信號(hào)，由雙電控電磁閥（4V120-06）控制氣路來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。夾緊／松開(kāi)工件的氣缸（C-Y59B）構(gòu)件安裝在升降氣缸活塞的端頭，并裝有夾緊／松開(kāi)工件的機(jī)械爪（MHZ-IOD）。底座左右旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在機(jī)械手底座，有左右旋轉(zhuǎn)的功能，由雙電控電磁閥控制氣路來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右旋轉(zhuǎn)。

分揀機(jī)械手的氣動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 分揀機(jī)械手的氣動(dòng)控制

機(jī)械手工作過(guò)程為：符合分揀工件特征時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械手手臂前臂下降→氣動(dòng)手指夾緊工件→前臂上升→手臂右旋到位→手臂前伸→前臂下降→手爪松開(kāi)將工件放入右側(cè)工件臺(tái)→前臂上升→手臂縮回→機(jī)械手左旋返回原位，等待工控機(jī)命令到位后，重復(fù)前面的動(dòng)作。

2.2 控制單元的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求和輸入、輸出的分配，選擇西門(mén)子S7-200PLC，選用CPU226基本單元輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，滿足項(xiàng)目的需要?？刂七^(guò)程分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)過(guò)程用于調(diào)試運(yùn)行，自動(dòng)過(guò)程用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。具體的硬件連接如圖4所示。

圖4 控制單元硬件接線

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

此平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)和控制單元PLC控制軟件編寫(xiě)。工控機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)圖像特征識(shí)別和分揀機(jī)械手狀態(tài)的監(jiān)控，采用具有可視化界面的Visual C＋＋6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)。特征包括工件輪廓特征（矩形或圓形）和顏色（紅綠藍(lán)），對(duì)于聯(lián)合特征（輪廓和顏色）識(shí)別算法采用基于最小錯(cuò)誤的貝葉斯決策分類算法［4］。控制單元的程序主要完成機(jī)械手動(dòng)作以及向工控機(jī)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)信息。工控機(jī)和控制單元之間的通訊采用RS-232串口通信。工控機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)主要流程如圖5所示。PLC控制程序主要流程如圖6所示。

圖5 工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要流程

圖6 控制單元軟件設(shè)計(jì)主要流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的工控機(jī)軟件的運(yùn)行界面如圖7所示。平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作流程正確，響應(yīng)時(shí)間合理?？刂瓢粹o可以分別實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)功能。工控機(jī)與PLC之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的通訊，機(jī)械手的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)地在監(jiān)控界面中顯現(xiàn)。

圖7 工控機(jī)軟件監(jiān)測(cè)界面

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本文對(duì)工件物體輪廓、顏色特征以及兩者聯(lián)合特征件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 特征識(shí)別實(shí)驗(yàn)

結(jié)果表明，本平臺(tái)對(duì)于所給定的特征識(shí)別率較高，算法設(shè)計(jì)是有效的，具有一定的實(shí)用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)基于圖像特征分析的智能型分揀氣動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)。此平臺(tái)利用圖像特征分析，使其能依據(jù)工件圖形特征對(duì)工件進(jìn)行分揀，克服了傳統(tǒng)機(jī)械手的不足，并具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔穩(wěn)定、軟件可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。但此系統(tǒng)軟件識(shí)別的圖像特征較為簡(jiǎn)單，利用LVD神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［5］等其他方法進(jìn)行特征分析，是下一步研究的重點(diǎn)。

［1］劉軍，劉廣瑞.基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手［J］.信息化縱橫，2009，（9）：32-33，39.

［2］賈紅賓，毛曉波，等.實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤平臺(tái)的構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（1）：398-400.

［3］孫彥良，張厚江.基于PLC氣動(dòng)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)［J］.森林工程，2011，27（3）：43-49.

［4］鐘珞，潘昊，等.模式識(shí)別［M］，武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

［5］包曉安，張瑞林，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像處理的蘋(píng)果識(shí)別方法研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（3）：109-112.