基于Webots的工業(yè)機(jī)器人分揀仿真

舒勝　劉麗煥　趙寧波

摘 要：針對(duì)工業(yè)機(jī)器人分揀目標(biāo)存在的問(wèn)題，搭建一個(gè)基于Webots的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行顏色和形狀的識(shí)別，由機(jī)器人完成分揀任務(wù)。結(jié)果表明，此方法可行。

關(guān)鍵詞：Webots；工業(yè)機(jī)器人；分揀；圖像識(shí)別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.003

1 概述

視覺(jué)系統(tǒng)因攝取信息量多，非接觸等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到到了廣泛的應(yīng)用。Webots是一種優(yōu)秀的機(jī)器人模擬軟件，由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)建模、編程、仿真，并支持五種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言[1]。目前已經(jīng)在全世界超過(guò)1028所大學(xué)及科研院所中使用，為全使用者節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。Webots開(kāi)發(fā)環(huán)境界面由四個(gè)部分組成：場(chǎng)景樹(shù)、3D仿真界面，程序代碼界面和控制臺(tái)編譯界面。北京理工大學(xué)在Webots建立仿生六足機(jī)器人，通過(guò)仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性和運(yùn)動(dòng)靈活性[2]。

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人分揀目標(biāo)的問(wèn)題，本文在Webots環(huán)境中，添加一個(gè)攝像機(jī)，搭建一個(gè)基于Webots的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)平臺(tái)，并進(jìn)行仿真。

2 分揀流程

如圖1所示是分揀流程圖。此分揀系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、傳送帶、攝相機(jī)、工件放置槽等。

系統(tǒng)運(yùn)行后，工件在傳送帶以恒定的速度從右向左移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行至光電傳感器位置時(shí)，觸發(fā)上方的攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，并發(fā)送給機(jī)器人控制器，通過(guò)顏色和形狀進(jìn)行識(shí)別，形狀的識(shí)別使用Hu不變矩，將圓形目標(biāo)物體就放置在工件槽中，將方形的目標(biāo)放置桌面上，由機(jī)器人完成分揀任務(wù)。

3 圖像識(shí)別

3.1 顏色識(shí)別

圖像識(shí)別分顏色識(shí)別和形狀識(shí)別。顏色識(shí)別：逐行對(duì)圖像進(jìn)行掃描，獲取圖像每個(gè)像素點(diǎn)的顏色分量，將這些個(gè)分量都進(jìn)行分別求和，設(shè)定一個(gè)閥值，當(dāng)某一分量總值超過(guò)設(shè)定的閾值則判斷是相對(duì)應(yīng)的顏色。

3.2 形狀識(shí)別

Hu不變矩主要能體現(xiàn)圖像幾何特征，具有平移、旋轉(zhuǎn)和尺度不變性。利用圖像的Hu不變矩描述圖像特征，可以識(shí)別常規(guī)幾個(gè)形狀。

形狀識(shí)別：如圖2所示為Hu不變矩識(shí)別流程。通過(guò)攝像機(jī)采集圖像，先選取合適閾值將圖像二值化，然后計(jì)算圖像的7個(gè)不變矩，再計(jì)算待識(shí)別圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板之間的歐式距離，當(dāng)歐式距離低于設(shè)定閾值，則認(rèn)為待識(shí)別目標(biāo)與模板是同一類形狀，反之，當(dāng)歐式距離高于設(shè)定閾值，則認(rèn)為待識(shí)別目標(biāo)與模板不是相同的形狀。

4 仿真環(huán)境搭建

Webots具有以下特點(diǎn)：（1）提供完整的傳感器與制動(dòng)器資料庫(kù)，可模擬多種機(jī)器人；（2）使用與內(nèi)建編輯器，可建構(gòu)機(jī)器人模型；（3）采用資料庫(kù)，加入實(shí)際參數(shù)可精確模擬機(jī)器人物理行為；（4）其他功能可將仿真設(shè)計(jì)的控制程序移植到實(shí)際機(jī)器人上。在Webots控制器的Makefile文件件中加入Opencv2.4.2的庫(kù)路徑，用Opencv代碼進(jìn)行圖像處理。

在實(shí)驗(yàn)前需要攝像機(jī)進(jìn)行建模，其步驟為在超級(jí)用戶中增加一個(gè)攝像機(jī)節(jié)點(diǎn)，在攝像機(jī)的子節(jié)點(diǎn)中增加一個(gè)形狀節(jié)點(diǎn)，在形狀節(jié)點(diǎn)里添加外觀和幾何形狀。調(diào)整好攝像機(jī)的視角，窗口大小設(shè)置為128×128。軟件中使用攝像機(jī)的步驟是：（1）指定攝像機(jī)的名稱；（2）根據(jù)設(shè)別標(biāo)號(hào)獲取到攝像機(jī)；（3）使能攝像機(jī)；（4）獲取最后捕捉的圖片；（5）啟動(dòng)運(yùn)行，指定攝像機(jī)的顯示位置。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用iprHD6M90二指機(jī)器人，模板是半徑為0.035m，圓細(xì)分?jǐn)?shù)為50的圓形工件，兩個(gè)待識(shí)別的目標(biāo)物體，一個(gè)是與模板同大小細(xì)分?jǐn)?shù)為12的圓形，和一個(gè)矩形。圓形與模板間的歐式距離為4.573e-0.05，矩形與模板的歐式距離為0.0268907。如圖3所示是分揀效果圖。（a）圖是識(shí)別出來(lái)與模板相同的圓形工件，通過(guò)機(jī)器手將目標(biāo)搬運(yùn)到放置槽上。（b）圖識(shí)別出來(lái)的目標(biāo)形狀不和模板相同，就不將其搬運(yùn)到放置槽里。實(shí)驗(yàn)證明，此方法可行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了Webots特點(diǎn)，分析工件分揀主要流程及Hu矩形狀識(shí)別算法，在Webots仿真軟件環(huán)境下融入攝像機(jī)，編寫程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。仿真結(jié)果表明：此方法設(shè)計(jì)合理可行，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域工件自動(dòng)分揀奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小川等.基于Webots仿真軟件的仿生六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃[J].仿真系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2009，21（11）：3241-3246.