融合機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人虛擬平臺(tái)構(gòu)建

白瑞峰， 房朝暉， 靳荔成， 于赫洋， 張拓迷

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

融合機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人虛擬平臺(tái)構(gòu)建

白瑞峰， 房朝暉， 靳荔成， 于赫洋， 張拓迷

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

為滿足電氣信息類專業(yè)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)控制、機(jī)器視覺等先進(jìn)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)需求，提高工科大學(xué)生自主創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)及實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)開發(fā)了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用虛擬仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深層融合，設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為了便于虛擬教學(xué)資源的有效管理，依據(jù)學(xué)科特色與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，構(gòu)建了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，擴(kuò)大了共享范圍。探索了三核心、三層次、一體化的“三三一”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系，促進(jìn)了虛擬教學(xué)資源的開發(fā)與建設(shè)，推進(jìn)了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新開辟新的道路。

工業(yè)機(jī)器人； 虛擬仿真； 機(jī)器視覺； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 管理體系

0 引 言

隨著我國(guó)智能制造2025的提出，加速了工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器視覺等科技人才的需求[1]，涉及工業(yè)機(jī)器人和視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、控制和維修等。工業(yè)機(jī)器人，作為集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造裝備，廣泛應(yīng)用于焊接、物流、切割及測(cè)量等領(lǐng)域[2-4]，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平標(biāo)志之一。

以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和綜合設(shè)計(jì)能力為教學(xué)目標(biāo)，緊密結(jié)合學(xué)科及工業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)和學(xué)院教師科學(xué)研究的成果，天津大學(xué)于2006年校企共建了貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境又符合高等教育教學(xué)規(guī)律的“模擬啤酒自動(dòng)化生產(chǎn)線”[5]。

隨著機(jī)器視覺、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及新技術(shù)的教學(xué)需求，在原有平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)啤酒裝箱分布進(jìn)行改造，增加了三菱RV-3SQ工業(yè)機(jī)器人和康耐視5100視覺傳感器等相關(guān)設(shè)備，完成了生產(chǎn)線上的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了該生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，增加了工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器視覺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

電氣工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，目標(biāo)是針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)等電氣信息類相關(guān)專業(yè)的高成本、高消耗、大型綜合、高危等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)將其虛擬化，將已有的實(shí)驗(yàn)資源整合構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提高共享范圍。智能生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器視覺設(shè)備價(jià)格昂貴、易于損耗、資源有限、對(duì)環(huán)境要求苛刻，屬于大型綜合、高成本、高消耗、高危的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是中心重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)模擬啤酒生產(chǎn)線的工藝流程，主要分為3個(gè)部分：供箱系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

供箱系統(tǒng)包含PLC、伺服電機(jī)、變頻器、傳感器、箱體、傳送帶等。PLC可控制裝箱系統(tǒng)中的伺服電機(jī)、變頻器，通過以太網(wǎng)與機(jī)器視覺系統(tǒng)和機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。PLC根據(jù)視覺檢測(cè)獲得的裝箱工作臺(tái)上箱體的裝瓶位置(瓶位)，將待裝箱瓶體按照規(guī)劃的軌跡和速度，依次裝入箱體的瓶位中。

機(jī)器視覺系統(tǒng)使用康耐視In-Sight 5100，通過攝像頭，拍攝裝箱工作臺(tái)上的箱體，并完成圖像處理，獲取瓶位的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并將坐標(biāo)傳送至工業(yè)機(jī)器人控制器中。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括三菱RV-3SQ六自由度工業(yè)機(jī)器人、Q03UDCPU和Q172DRCPU、CR1Q-700控制器等。其中，Q03UDCPU為主CPU，Q172DRCPU為從CPU，即機(jī)器人CPU。

2 硬件系統(tǒng)連接

RV-3SQ工業(yè)機(jī)器包含六個(gè)關(guān)節(jié)[6]?？刂破髋c工業(yè)機(jī)器人通過馬達(dá)動(dòng)力線和編碼器信號(hào)線連接，其中馬達(dá)線用提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，信號(hào)線控制電機(jī)并將機(jī)器人各軸位置信息反饋給控制器。

工業(yè)機(jī)器人與視覺整合的硬件連接如圖2所示，康耐視In-Sight 5100視覺系統(tǒng)配備工業(yè)攝像頭，采集空間坐標(biāo)信息，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，為工業(yè)機(jī)器人提供裝瓶位坐標(biāo)值。使用一個(gè)Hub把Insight 5100、上位PC機(jī)、工業(yè)機(jī)器人控制器和機(jī)器人CPU連接起來組成一個(gè)局域網(wǎng)。

圖2 工業(yè)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)的硬件連接圖

3 工業(yè)機(jī)器人編程及路徑規(guī)劃

RV-3SQ工業(yè)機(jī)器人可使用RT-ToolBox2編程環(huán)境進(jìn)行控制，編程語言為Melfa Basic V。

RT-ToolBox2環(huán)境包含RV-3SQ工業(yè)機(jī)器人虛擬對(duì)象，如圖3所示，提供仿真運(yùn)行模式，能夠脫離工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行離線仿真運(yùn)行。在實(shí)操操作前可行仿真運(yùn)行，以檢驗(yàn)其是否能完成設(shè)計(jì)的動(dòng)作，是否可以使用，從而避免了操作不當(dāng)而造成的機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞及人身危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)中，通過對(duì)生產(chǎn)線工藝流程的分析，進(jìn)行路徑規(guī)劃。使用編程軟件按照程序編寫運(yùn)行指令，仿真運(yùn)行成功后，轉(zhuǎn)換自動(dòng)運(yùn)行，工業(yè)機(jī)器人能夠按照規(guī)劃軌跡運(yùn)行。

RT-ToolBox2可與PLC的進(jìn)行通信，完成多CPU配置，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與機(jī)器人控制器的實(shí)時(shí)通信，操縱與監(jiān)視工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行。

圖3 RV-3SQ工業(yè)機(jī)器人虛擬對(duì)象

4 視覺系統(tǒng)校準(zhǔn)及特征提取

Insight Explorer環(huán)境可完成視覺系統(tǒng)的圖像獲取、校準(zhǔn)、坐標(biāo)裝換、通過PatMax圖案工具進(jìn)行特征提取與定位[7]、通信設(shè)置、數(shù)據(jù)傳出等配置等。

考慮到模擬啤酒生產(chǎn)線裝箱工藝及運(yùn)行速度，圖像獲取設(shè)置為連續(xù)觸發(fā)模式，間隔為500 ms，曝光時(shí)間為8 ms，瓶位區(qū)域設(shè)置為采集圖像的50%，避免因?qū)ο蟮囊苿?dòng)而使目標(biāo)對(duì)象移出視域。

在工作環(huán)境中，系統(tǒng)捕獲到圖像會(huì)具有遠(yuǎn)景畸變，可采用網(wǎng)格(帶基準(zhǔn))校準(zhǔn)方式[8]。網(wǎng)格間距越小，校準(zhǔn)精度越高，計(jì)算耗時(shí)越長(zhǎng)，考慮箱體、瓶位尺寸及計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格間距定為10 mm。

瓶位的形狀為圓形，可采用PatMax模型進(jìn)行定位方式，該方法根據(jù)物體的形狀進(jìn)行定位，適用于外觀發(fā)生旋轉(zhuǎn)，測(cè)量縮小或者拉伸的物體。

為了避免由于光照強(qiáng)度的變化而引起的誤差，利用LED平面光源進(jìn)行補(bǔ)光。為了提高定位的準(zhǔn)確性，箱體設(shè)置為白色，瓶位中心的底箱上，用黑色標(biāo)記了圓心位置。

5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象虛擬化

雖然RT-ToolBox2本身具有工業(yè)機(jī)器人的虛擬對(duì)象，可完成路徑規(guī)劃的虛擬實(shí)驗(yàn)，但功能簡(jiǎn)單無法完成工藝流程以及復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在原有真實(shí)三菱機(jī)械臂的基礎(chǔ)上，引入機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)(見圖4)，利用3D效果的VC(Visual Components)虛擬仿真軟件[9-10]，搭建了虛擬對(duì)象，可替代原有的機(jī)械對(duì)象(機(jī)器人系統(tǒng)以及裝箱系統(tǒng))。該虛擬對(duì)象可通過以太網(wǎng)與其他視覺系統(tǒng)或工業(yè)控制器通信。

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在向?qū)W生提供豐富的虛擬工業(yè)機(jī)器人操控實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備和真實(shí)設(shè)備的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器人和實(shí)際機(jī)器人的同步，使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中不脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，保證理論與實(shí)際的同步研習(xí)。

圖4 虛擬機(jī)器人仿真平臺(tái)

虛擬對(duì)象的應(yīng)用擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可完成虛擬硬件系統(tǒng)搭建、機(jī)器人系統(tǒng)虛擬路徑規(guī)劃、機(jī)器視覺系統(tǒng)校準(zhǔn)與定位、基于GX Developer及VC虛擬對(duì)象的仿真實(shí)驗(yàn)、基于PLC及VC虛擬對(duì)象的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，以及融合機(jī)器視覺及機(jī)器人系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

6 平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系

6.1 平臺(tái)建設(shè)

為了推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，響應(yīng)國(guó)家及學(xué)校對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展要求[11-13]，電氣工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)涉及高危、高能耗、大型綜合的電氣信息類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行虛擬環(huán)境開發(fā)以及仿真系統(tǒng)構(gòu)建，同時(shí)積極促進(jìn)科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化，先后建設(shè)了“融合機(jī)器視覺工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)”“智能電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”“多相流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境”“高電壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境”“工業(yè)生產(chǎn)線虛擬模型”等一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。為了更好地管理和優(yōu)化教學(xué)資源、提高和完善應(yīng)用效果，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與共享平臺(tái)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理平臺(tái)是基于J2EE架構(gòu)的B/S結(jié)構(gòu)[14]，如圖5所示，系統(tǒng)用戶角色包括實(shí)管理員、教師、學(xué)生等角色。系統(tǒng)依托校園網(wǎng)絡(luò)，可完成局域網(wǎng)、校園網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)共享。

圖5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與共享平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)包括虛擬實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)的開課管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、典型實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)前的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)管理等內(nèi)容。

6.2 管理體系

秉承將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科學(xué)研究、前沿技術(shù)緊密結(jié)合，利用虛擬仿真技術(shù)將學(xué)科優(yōu)勢(shì)資源服務(wù)于教學(xué)[15]，依托學(xué)科發(fā)展，針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)及資源管理，電氣與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建了“三核心、三層次、一體化”的“三三一”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系，如圖6所示。

圖6 “三三一”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心以電氣工程及自動(dòng)化領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，設(shè)置了“電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分中心”、“電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分中心”以及“自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分中心”3個(gè)核心，體現(xiàn)廣范圍、寬領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)體系以及優(yōu)質(zhì)資源共享的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念；根據(jù)每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)分中心所涉及的學(xué)科知識(shí)，對(duì)其相應(yīng)實(shí)驗(yàn)依照基礎(chǔ)實(shí)踐、專業(yè)綜合、學(xué)科創(chuàng)新3個(gè)層次進(jìn)行劃分，由內(nèi)層向外層輻射式擴(kuò)展，體現(xiàn)學(xué)科的縱向延伸；根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，層與層之間既各自獨(dú)立又互為支撐、相互包容，三大核心所代表的學(xué)科之間既各具特色又互為補(bǔ)充、相互聯(lián)系，體現(xiàn)多學(xué)科互融互聯(lián)的一體化建設(shè)模式。

7 結(jié) 語

以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，緊密結(jié)合電氣信息類學(xué)科及工業(yè)發(fā)展的融合機(jī)器視覺、機(jī)器人技術(shù)等前沿技術(shù)，提升了模擬啤酒自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)踐平臺(tái)自動(dòng)化水平，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。應(yīng)用虛擬化技術(shù)，解決了大型綜合高消耗實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)瓶頸，降低了維護(hù)成本，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的拓展與再開發(fā)，擴(kuò)大了受益面。

構(gòu)建了統(tǒng)一的開放管理平臺(tái)，擴(kuò)大了共享范圍，促進(jìn)了虛擬教學(xué)資源的開發(fā)與建設(shè)。該平臺(tái)的構(gòu)建也填補(bǔ)充實(shí)了本科生實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，豐富了工程教育培養(yǎng)手段，是滿足多專業(yè)、多層次學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)?！叭弧碧摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源共享，綜合利用，提高辦學(xué)效率，將會(huì)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

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Industrial Robot Virtual Platform Construction Integrated with Machine Vision

BAIRuifeng,FANGChaohui,JINLicheng,YUHeyang,ZHANGTuomi

(School of Electric Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to meet electrical information specialty practice teaching requirements of industrial robots, automatic control, machine vision and other advanced technology, improve the independent innovation ability, entrepreneurship and practice ability of engineering students, a robot experimental system was designed and developed. Combining virtual simulation technology, internet technology with specialty requirement, a virtual experiment object was designed to expand the experimental content. In order to facilitate the management of virtual teaching resources, according to the characteristics of subject and virtual experiment teaching, a unified network management platform was established to expand the scale of sharing. A "331" virtual simulation experiment teaching management system which has three centers, three levels and the integration of construction, was explored. That system promotes the development and construction of virtual teaching resources, promotes the informatization construction of experimental teaching in college, and will open up a new path for the innovation of experimental teaching reform.

industrial robots; virtual simulation; machine vision; experimental teaching; management systems

2016-08-15

天津大學(xué)2014年校級(jí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)改革項(xiàng)目(LAB2014-16)；天津大學(xué)2014年實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(2014-44)；天津大學(xué)2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610056030)；天津大學(xué)2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610056310)； 天津大學(xué)2016年校級(jí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理改革項(xiàng)目(LAB2016-05)

白瑞峰(1987-)，男，天津人，碩士，工程師，控制科學(xué)與工程，工業(yè)機(jī)器人與阻抗測(cè)量技術(shù)。

Tel.：13516248559；E-mail：bairuifeng@tju.edu.cn

TP 391.0

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1006-7167(2017)05-0246-04