碼垛機器人視覺系統(tǒng)設計*

張 星,吳麗明，曹 勁

(1.湄洲灣職業(yè)技術學院機械工程系，福建 莆田 351254;2.湄洲灣職業(yè)技術學校機械科，福建 莆田 351254)

人類在生產(chǎn)實踐過程中為了擺脫自身能力的局限性，發(fā)明和創(chuàng)造了許多智能機器來輔助或代替人類活動.[1]碼垛機器人是碼垛行業(yè)的關鍵設備，可以實現(xiàn)“機器換人”.將視覺系統(tǒng)引入碼垛機器人中，可以改變傳統(tǒng)的PLC或單處機控制，提升碼垛活動的靈敏性.同時，機器視覺系統(tǒng)具有適應能力強、智能化程度高等特點，這為移動機器人的開發(fā)奠定了基礎.

碼垛機器人的視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計算機、光學、電子技術的高科技系統(tǒng)[2].美國制造工程師協(xié)會機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會自動化視覺協(xié)會定義機器視覺是，通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置.[3]系統(tǒng)通過計算控制來采集和分析必要的數(shù)據(jù)，然后發(fā)出指令控制設備.碼垛機器人現(xiàn)已經(jīng)被應用到眾多領域，如鞋材的涂膠.借助于視覺傳感系統(tǒng)，碼垛機器人能夠自動捕捉鞋材的形狀，感知位置，實時進行路徑規(guī)劃和涂膠處理，能有效地控制涂膠質量，同時避免膠水給人體帶來的傷害，減輕人工操作的危險性和工作強度.

1 機器視覺系統(tǒng)設計思路

1.1 整體結構

圖1 系統(tǒng)的整體設計Fig. 1 Integrated Design of System

機器視覺系統(tǒng)的目的是給機器增加一套視覺系統(tǒng)，由計算機來模擬人眼視覺功能，其中視覺傳感器是關鍵.系統(tǒng)通過視覺傳感器獲取圖像，由計算機或者圖像處理系統(tǒng)進行圖像處理后，提取并輸出有用的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制.碼垛機器人視覺系統(tǒng)的整體設計如圖1所示.

1.2 主要功能

機器視覺系統(tǒng)的主要功能有如下3個方面：

(1)引導和定位.系統(tǒng)要求機器人能夠快速、準確地找到加工零件并確認其位置，引導機械手進行抓取、焊接或涂膠處理.[4]

(2)識別和采集.將經(jīng)過采集、分析和處理的圖像數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，建立可追溯系統(tǒng).

(3)外觀檢測.利用數(shù)據(jù)比對系統(tǒng)檢測加工的零件，判斷有無外觀缺陷等.

典型的機器視覺系統(tǒng)框架如圖2[5]所示.

圖2 系統(tǒng)整體框架Fig. 2 Overall System Framework

1.3 視覺匹配的原理

模型匹配是當前最常用的圖像處理方法之一.[6]碼垛機器人視覺系統(tǒng)采用IMAQ Vision模型匹配技術.該技術采用了3種新方法，即高效率的非均勻圖像采集、圖像的幾何建模和與旋轉無關的樣板信息提取.當物體進入相機曝光區(qū)域時，相機對圖像進行識別，并計算物體的空間坐標和方向數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到機械手控制器.基于以太網(wǎng)TCP/IP的通訊服務器，不斷偵聽來自機器人運動控制系統(tǒng)發(fā)出的視覺照片，以獲取目標的位置信息指令.如圖3所示，系統(tǒng)捕捉到加工零件的外形并自動定位中心.

圖3 系統(tǒng)采集圖像Fig. 3 System Acquisition Image

2 機器視覺系統(tǒng)設計

2.1 硬件部分

機器視覺系統(tǒng)的硬件部分主要是由光源、鏡頭、攝像機、控制機和執(zhí)行機構等組成.光學鏡頭和攝像機構成圖像采集部分，完成圖像的采集和轉換，是系統(tǒng)重要的組成部件；控制機是系統(tǒng)的基礎，是圖像抓取、模型匹配、運動目標標識和跟蹤目標選擇等功能程序的載體；執(zhí)行機構是系統(tǒng)的最后一環(huán)，也是最核心的部件，主要負責執(zhí)行各類動作.這里選用自行開發(fā)的六軸機械手作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構.

2.2 軟件部分

機器視覺系統(tǒng)的軟件部分采用LabVIEW(實驗室虛擬儀器工程工作臺)圖形化編程工具.LabVIEW是一個編程環(huán)境，具有直觀、易學易用、通用編程系統(tǒng)和模塊化等特點，人機界面友好，可實現(xiàn)多種功能，如數(shù)據(jù)采集、圖像處理、數(shù)據(jù)分析和運動控制等.在LabVIEW中用戶可用圖形符號編程，通過數(shù)據(jù)流實現(xiàn)連接功能節(jié)點，縮短了控制軟件的開發(fā)周期.視覺采集軟件界面如圖4所示，程序編寫軟件界面如圖5所示.

圖4 圖像采集界面截圖Fig. 4 Screenshot of Image Acquisition Interface

圖5 程序運行控制界面截圖Fig. 5 Screenshot of Program Operation Controlling Interface

2.3 執(zhí)行部分

機械手執(zhí)行部分主要是用Visual C++ 6.0開發(fā)的通用六軸機器人控制軟件，實現(xiàn)控制功能.此控制系統(tǒng)具有界面美觀、操作方便、功能齊全、性能穩(wěn)定的人機操作接口和控制特點[7]，全漢字化的程序和代碼顯示為程序編寫提供了極大方便.模塊化功能設置，優(yōu)化的DH架構，適應多種結構形式的本體控制，使得只需通過一定的參數(shù)設定和硬件上的線路連接，就可實現(xiàn)各種姿態(tài)的點位、直線、圓弧等運動控制，保證機器人高速、高精度運行且運動平穩(wěn)，從而實現(xiàn)精密、快速、智能化、柔性化的生產(chǎn).執(zhí)行的部分程序如下：

0000 程序開始

0001 速率=25.0%

0002 加減速的時間=250 ms

0003 工具轉換=1

……

0006 *相機拍照獲取物體坐標

0007 *開啟相機拍照后工作偏移模式

……

0009 平滑開啟

0010 點位運動J(18)，速度=20.0%

0011 直線運動J(19)，速度=默認速度

……

0017 直接運動J(25)，速度=默認速度

0018 直接運動J(26)，速度=默認速度

……

0031 *關閉拍照后工作偏移模式

……

0033 設置輸出3=ON

……

0035 點位運動J(17)，速度=35.0%

0036 等待3 000 ms

0038 轉到0006行

……

0057 結束

3操作實例

以鞋材涂膠為例，為了提高鞋材涂膠的精度和效率，根據(jù)生產(chǎn)的實際要求自行開發(fā)碼垛機器人涂膠系統(tǒng).操作步驟如下：

(ⅰ)啟動電源，顯示開機界面.

(ⅱ)登錄涂膠系統(tǒng)，進入六軸視覺系統(tǒng)，再進入?yún)?shù)設置界面.

(ⅲ)參數(shù)界面單擊【零點設置】，成功后進入程序設計.

(ⅳ)單擊【參數(shù)設置】，再點取【外掛視覺設置】，連接控制器，相機開始捕捉信號.

(ⅴ)視覺系統(tǒng)識別目標并進行圖像處理.

(ⅵ)圖像信號分析、處理完畢后，機械手開始執(zhí)行命令，對鞋材進行涂膠處理.

信號捕捉和處理如圖6所示.

圖6 信號捕捉和處理截圖Fig. 6 Screenshot of Signal Capture and Processing

4 結語

在簡單重復作業(yè)中，人工操作費時費力、效率低、誤差大.碼垛機器人增加視覺系統(tǒng)后更具智能性，顯著提高生產(chǎn)效率和作業(yè)精度[8-9]，為“機器換工”奠定基礎.目前，系統(tǒng)已完成軟硬件安裝，初步測試結果顯示達到了預期目標.下一步的研究方向是針對系統(tǒng)的以下不足加以改善：(1)通信的原因，只實現(xiàn)了單目功能，這與人眼的雙目成像還有一定的距離，成像效果需進一步提升，算法可以更加優(yōu)化；(2)視覺系統(tǒng)的圖像采集優(yōu)化程度不夠，對于不規(guī)則物體的識別能力有限.

[1] 張 星.基于VB6.0平面盤形凸輪機構CAD系統(tǒng)的研究[J].鹽城工學院學報,2013,26(1):29-32.

[2] 張文化.視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人集成系統(tǒng)中的應用[J].價值工程,2016,27:164-166.

[3] 魏 嘉.視覺識別系統(tǒng)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2012.

[4] 李紫艷，劉奇付，李春曉.基于計算機視覺系統(tǒng)的機器人焊接路徑修正研究[J].鑄造技術,2017,38(2):412-415.

[5] 申一歌，靳 果.基于DSP和μC/OS-Ⅱ的采摘機器人視覺系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究,2017(6):223-226.

[6] 李化東，吳明光，陳大力，等.基于LabVIEW的運動物體跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)[J].科技通報,2009,25(3):332-336.

[7] 張 星.基于平面盤形凸輪CAD系統(tǒng)知識庫的構建[J].吉首大學學報(自然科學版),2013,34(5):45-48.

[8] 賈丙西，劉 山，張凱祥，等.機器人視覺伺服研究進展:視覺系統(tǒng)與控制策略[J].自動化學報,2015,41(5):861-869.

[9] 陳善本,呂 娜.焊接智能化與智能化焊接機器人技術研究進展[J].點焊機,2013(5):28-37.