視覺識別機(jī)器人在物流作業(yè)中的智能應(yīng)用

金桂根，穆建軍

（1. 昆明理工大學(xué)，昆明 650504；2. 云南財經(jīng)大學(xué)，昆明 650221；3. 昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司，昆明 650051）

0 概述

從作業(yè)方式來看，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用主要為產(chǎn)品的焊接和裝配，在物流作業(yè)中的應(yīng)用主要為物料的堆碼和拆垛。據(jù)不完整統(tǒng)計，前者的總數(shù)占比約為70%～80%，后者的總數(shù)占比約為20%～30%，近年來后者的增長速度較前者快。隨著物流領(lǐng)域?qū)ψ詣踊?、智能化的要求進(jìn)一步提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用也就不僅僅局限于規(guī)范物料的堆碼和拆垛，而需要處理復(fù)雜多變的工藝模式及形態(tài)各異的物料品項。例如，在卷煙生產(chǎn)物流作業(yè)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人除了對比較規(guī)范的成品件箱進(jìn)行堆碼、拆垛作業(yè)，還要對木夾板煙包進(jìn)行剪帶、切膜、抓板、去夾板作業(yè)，對形狀各異的卷煙輔料根據(jù)卷接包生產(chǎn)機(jī)組的需要進(jìn)行任意的堆碼配盤。

然而，對于多種尺寸不同形態(tài)的物料品項及復(fù)雜的物料處理工藝，傳統(tǒng)的條碼識別和RFID識別不能足以辨識物料信息與狀態(tài)信息。在機(jī)器人系統(tǒng)中集成先進(jìn)的機(jī)器視覺識別技術(shù)，就如給機(jī)器人配上了一雙眼睛，通過圖像獲取、圖像識別、圖像定位，并自編程序去適應(yīng)工作對象，能增加機(jī)器人自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，使之具有更高的智能性，并能完成復(fù)雜條件下的物料處理作業(yè)，從而進(jìn)一步提升工業(yè)機(jī)器人在物流作業(yè)系統(tǒng)中的適用性和可靠性。

1 視覺識別

“機(jī)器視覺”，即采用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷，通過CCD/CMOS圖像攝取裝置抓取圖像后將圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制相應(yīng)設(shè)備的動作。伴隨計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，視覺識別技術(shù)日臻成熟，已是現(xiàn)代制造業(yè)及現(xiàn)代物流業(yè)不可或缺的產(chǎn)品，目前已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。

圖1 視覺識別系統(tǒng)配置模式

視覺識別主要指在抓取或放置物品時的物品識別，主要由機(jī)器視覺及系統(tǒng)軟件組成，其配置模式如圖1所示。在接收到傳感器發(fā)出的物品識別及定位的請求后，系統(tǒng)通過攝像頭獲取物品圖像，再由視覺系統(tǒng)軟件利用獲取的物品圖像與預(yù)先攝取并存儲于圖像數(shù)據(jù)庫的物品信息比較，搜尋與獲取的物品信息相匹配的存儲圖像。需識別的物品便是與獲取的物品圖像相匹配的存儲圖像所對應(yīng)的物品，計算并返回系統(tǒng)該物品當(dāng)前的位置及狀態(tài)信息，進(jìn)而上傳給機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)動作。

2 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化、信息及人工智能等多學(xué)科交叉的自動化裝備，主要由本體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。本體包括臀部、臂部和手部等機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。

應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的自動作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對減輕工人勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，降低作業(yè)成本等方面均有著非常重要的意義。目前，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品已成為生產(chǎn)制造及物流作業(yè)中非常重要的自動化工具，進(jìn)而是智能化工具；就像計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。圖2為工業(yè)機(jī)器人在物流作業(yè)中的一般應(yīng)用。

圖2 工業(yè)機(jī)器人物流堆碼/拆垛作業(yè)

3 智能應(yīng)用案例

3.1 簡介

在卷煙工業(yè)生產(chǎn)自動化物流作業(yè)過程中，為了保證卷煙品質(zhì)，卷煙工藝要求不同品牌的生產(chǎn)煙絲中不能混合，所以對存貯原料的周轉(zhuǎn)容器的清潔度要求很高，在翻箱倒料后不能在箱底及內(nèi)側(cè)留下殘留物。如果采用人工方式對物料進(jìn)行檢查識別，并進(jìn)行殘留原料的清掃處理，勞動強(qiáng)度會很大，質(zhì)量不一定能得到保證，而且會影響工人的身體健康。

在案例中采用了Siemens機(jī)器視覺識別系統(tǒng)，配合ABB工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)，其基本流程為：周轉(zhuǎn)箱輸送到站臺工位，機(jī)器人抓取后旋轉(zhuǎn)，完成翻箱倒料作業(yè)，并在機(jī)器視覺系統(tǒng)和清掃裝置的配合下，完成箱體內(nèi)側(cè)殘留煙絲的清掃工作，完全滿足卷煙生產(chǎn)工藝及質(zhì)量要求。由于抓取箱體的重量超過150千克，長寬高尺寸均大于1m，應(yīng)用了較大寬度尺寸的機(jī)器人夾具，其三維示意圖如圖3所示。

機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動作的自動化，但難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)作業(yè)的智能化。可以想象，在該案例中，除了視覺識別，似乎沒有其它感應(yīng)及檢測技術(shù)能自動識別箱體內(nèi)殘留物的隨機(jī)出現(xiàn)的位置及狀態(tài)，以使機(jī)器人能夠有效地進(jìn)行智能作業(yè)，所以該案例具有一定的代表性。

圖3 視覺識別機(jī)器人作業(yè)示意圖

3.2 系統(tǒng)配置

機(jī)器視覺識別系統(tǒng)主要包括光源、照相機(jī)系統(tǒng)、圖像處理單元、圖像處理組態(tài)軟件、監(jiān)視設(shè)備、通訊輸入輸出單元等，系統(tǒng)配置如圖4所示，其中VS Link具備了多種實(shí)用的接口，可同時觀測多幅圖像和結(jié)果表，可通過工業(yè)以太網(wǎng)集中監(jiān)測多個視覺傳感器，SIMATIC S7是系統(tǒng)的主控制器，具備以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP接口，VS72X是機(jī)器視覺識別系統(tǒng)的主要部件，它通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)其他部件進(jìn)行通訊。

圖4 視覺識別系統(tǒng)配置示意圖

3.3 識別功能

通過軟件組態(tài)，機(jī)器視覺識別系統(tǒng)提供了以下五種功能：

1）灰度識別：使用灰度測試的軟傳感器對灰色范圍分布作測定；

2）顏色分析：顏色照相功能可以將不同顏色的物體分割、分配和預(yù)處理；

3）斑點(diǎn)分析：通過對幾何圖形的分析，實(shí)現(xiàn)對斑點(diǎn)的查找、計數(shù)和跟蹤功；

4）代碼讀?。涸诟鞣N窗口中讀取一維或二維代碼進(jìn)行翻譯；

5）測量工具：可用于測量距離和角度。

3.4 應(yīng)用結(jié)果

由于原料為深黃色，而且比較吸光，因此使用了機(jī)器視覺識別系統(tǒng)中的灰度識別功能對殘原料進(jìn)行識別。經(jīng)過認(rèn)真組態(tài)，系統(tǒng)對具有殘留原料的箱體能夠做出正確的評判（報告結(jié)果分為三種狀態(tài)：正常、報警和失敗），完成監(jiān)測和操作任務(wù)，識別準(zhǔn)確率及機(jī)器人作業(yè)成效均達(dá)到了卷煙生產(chǎn)的工藝及質(zhì)量要求，總體應(yīng)用各項指標(biāo)良好。

4 結(jié)束語

機(jī)器視覺識別系統(tǒng)的應(yīng)用，在一定程度上解放了人眼，增強(qiáng)了機(jī)器人的智能特征。但在上述案例實(shí)施過程中，我們發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境的改變將直接影響到系統(tǒng)識別的穩(wěn)定性。首先，照相機(jī)與待識別物之間的相對位置應(yīng)盡量固定，位置的改變將導(dǎo)致捕獲的圖像有所偏移，直接影響到識別效果，因此相機(jī)的固定非常重要；其次，由于光源的變化會影響成像質(zhì)量，在精度要求較高的情況下，這將直接影響到識別效果；另外，由于是對物體的成像進(jìn)行識別，箱體顏色應(yīng)盡量與物料顏色區(qū)別開，近似的顏色及紋理不利于識別。

所以，在機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)集成視覺識別技術(shù)的過程中，需要針對作業(yè)環(huán)境作相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。隨著3D機(jī)器視覺、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新進(jìn)步，集成有視覺識別技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人將具有更高的智能和柔性，從而能適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)對象，能在物流領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用空間。

[1] 張鶴松.煙草生產(chǎn)物流中機(jī)器人作業(yè)的應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2009(05).

[2] 曹月琴,穆建軍,樓冬梅.機(jī)器視覺識別技術(shù)在煙絲/煙葉箱式自動存儲系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2010(05).