基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手

任 彬，張中然，張無極，馮 彪，高 翔，王洪旭，高 松，方 輝

(1.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 威海 264300; 2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品包裝的外觀越來越受到重視。紙盒包裝因其成本低廉、外觀靚麗一直在商品外包裝方面占有很大的市場份額；另外紙盒包裝還具有無毒無害、便于回收再利用、能自身降解、資源可再生、加工性能好、易于印刷、適應(yīng)大生產(chǎn)等優(yōu)點。在紙盒包裝制作的過程中要將紙盒側(cè)壁與底面用膠水粘貼起來，但紙盒包裝的形狀變化多，且尺寸較大，人工點膠存在勞動強(qiáng)度大、效率低等問題，正逐漸被自動點膠機(jī)取代[1-2]。

本文針對紙盒包裝在傳送帶運(yùn)行過程中出現(xiàn)的位置誤差問題進(jìn)行研究，開發(fā)了基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手，利用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像處理，從而實現(xiàn)了在線無夾具點膠。

1 基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手由工控機(jī)、下位機(jī)控制單元、工業(yè)相機(jī)、點膠機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳送帶、點膠針頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用工業(yè)相機(jī)對紙盒進(jìn)行拍照，將拍照后的圖片傳送至上位機(jī)進(jìn)行圖像處理[3]，得到形狀尺寸坐標(biāo)值；然后根據(jù)操作者設(shè)置參數(shù)進(jìn)行處理，將控制信號發(fā)送到下位機(jī)控制單元，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作。該平臺可以有效地解決紙盒包裝在傳輸帶運(yùn)行過程中出現(xiàn)的位置偏差，使流水線無人點膠作業(yè)成為可能。

1.2 下位機(jī)控制單元設(shè)計

下位機(jī)控制單元主要由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，采用STC89C52RC作為主控芯片，包括最小系統(tǒng)部分、EEPROM存儲模塊、矩陣鍵盤模塊、顯示模塊、接近開關(guān)傳感器模塊以及電機(jī)，如圖2所示。該部分主要控制點膠機(jī)三個直線坐標(biāo)軸之間的相互協(xié)調(diào)運(yùn)動，完成快速點定位控制、兩軸之間的插補(bǔ)運(yùn)動以及三軸之間的聯(lián)合運(yùn)動[4]。

圖1 基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)組成

圖2 下位機(jī)控制單元電路原理簡圖

2 控制系統(tǒng)算法設(shè)計

控制器是點膠機(jī)的核心，本文運(yùn)用逐點比較法對上位機(jī)發(fā)出的尺寸坐標(biāo)值進(jìn)行兩軸插補(bǔ)運(yùn)動，主要模擬插補(bǔ)的軌跡有方形、圓形、帶有倒圓角的方形等。在此基礎(chǔ)上搭配了工業(yè)相機(jī)，利用工控機(jī)對獲取的圖片進(jìn)行濾波、去噪等預(yù)處理操作，并且運(yùn)用Harris角點檢測算法進(jìn)行特征點拾取，用特征點定位取代傳統(tǒng)的邊定位，以解決紙盒包裝在傳輸帶運(yùn)行過程中出現(xiàn)的位置誤差以及在線無夾具點膠問題。

2.1 圖像處理算法

本文檢測的紙盒外形主要為矩形，對于矩形信息的檢測，大部分都轉(zhuǎn)化成直線信息檢測，而目前檢測直線最常用的圖像處理算法是Hough變換[5]。雖然Hough變換在直線檢測中發(fā)揮了很大作用，但也出現(xiàn)了很多問題，如運(yùn)算量大、檢測效率低、精度不高等，因此本文采用了Harris角點檢測算法。根據(jù)本文所設(shè)計的點膠任務(wù)以及所檢測到的紙盒包裝外形，確定的圖像處理算法流程如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

該算法思想是建立一個微小的矩形窗口即高斯窗口，在預(yù)處理后的圖片上進(jìn)行窗口移動。將移動后小窗口內(nèi)的灰度平均值與移動前小窗口內(nèi)的灰度平均值進(jìn)行比較，如果變化值大于設(shè)定的數(shù)值，即該小窗口內(nèi)有角點，也是本文所提取的角點坐標(biāo)。設(shè)以像素點(x,y)為中心的小窗口在X軸方向上移動u，Y軸方向上移動v，則窗口內(nèi)產(chǎn)生的灰度變化表達(dá)式為：

Ex,y=∑wx,y(Ix+u,y+v-Ix,y)2=

(1)

式(1)簡化后為：

Ex,y=∑wx,y[u2(Ix)2+v2(Iy)2+2uvIxIy]=
Au2+2Cuv+Bv2.

(2)

其中：Ix為Ix，y對x的偏導(dǎo)數(shù)；Iy為Ix，y對y的偏導(dǎo)數(shù)；A=(Ix)2?wx,y；B=(Iy)2?wx,y；C=(IxIy)?wx,y。

將Ex,y化為二次型有：

(3)

實對稱矩陣M為：

(4)

因此分析實對稱矩陣M的兩個特征值即可判斷是否有角點，但為了簡化分析，定義角點響應(yīng)函數(shù)為：

R=det(M)-k·trace2(M).

(5)

其中：det(M)表示矩陣M的行列式；trace(M)表示矩陣的跡；k為常數(shù)，一般為0.04。

當(dāng)目標(biāo)像素點的R值大于給定的閾值時，該像素點即為角點。如果圖像區(qū)域里的灰度值恒定，沒有角點，則往任何方向移動其灰度值都不會有任何大的變化，如圖4(a)所示；如果圖像區(qū)域有一條直線，則窗口只有沿著直線的方向移動，其灰度值無任何變化，但沿著直線垂直的方向移動灰度值會有很大的變化，如圖4(b)所示；如果微小窗口內(nèi)包含一個角點，則窗口無論往哪個方向移動，其窗口內(nèi)的灰度值都會發(fā)生很大的變化，如圖4(c)所示。

圖4 圖像區(qū)域信息

圖5為本文運(yùn)用的Harris角點檢測算法檢測到的角點。把提取到的邊緣角點坐標(biāo)往里收縮一定的距離，從而進(jìn)行點膠，如圖6所示。

圖5 Harris算法檢測到的角點圖6點膠軌跡模擬圖

2.2 插補(bǔ)算法

本文對根據(jù)圖像處理得到的角點坐標(biāo)運(yùn)用逐點比較法實現(xiàn)基于單片機(jī)的軌跡插補(bǔ)。假設(shè)點膠的一個直線線段為AB，取該直線的起點坐標(biāo)值為A(X0,Y0)，終點坐標(biāo)值為B(Xe,Ye),點Pi(Xi,Yi)為點膠軌跡的其中一個點[6]，如圖7所示。若Pi點在直線段AB上，則方程可表示為：

圖7 直線插補(bǔ)軌跡

(6)

Yi(Xe-X0)-Xi(Ye-Y0)-XeY0+X0Ye=0.

(7)

現(xiàn)定義Pi點的偏差判別函數(shù)為：

Fi=Yi(Xe-X0)-Xi(Ye-Y0)-XeY0+X0Ye.

(8)

若Fi=0，則表明點Pi在AB直線上；若Fi>0，則表明點Pi在AB直線的上方，即Pi′處；若Fi<0，則表明點Pi在AB直線的下方，即Pi″處。

由此可得出其插補(bǔ)原理是從直線的起點開始計算，首先要進(jìn)行偏差判別，如果偏差Fi≥0，沿著X軸的正方向走一步，之后要進(jìn)行下一步的偏差計算；如果偏差Fi<0時，沿著Y軸的正方向走一步，之后進(jìn)行下一步的偏差計算；當(dāng)兩軸走的步數(shù)分別與終點坐標(biāo)相等時，則插補(bǔ)結(jié)束[7]。

3 點膠機(jī)實驗平臺功能測試

為了驗證點膠機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能搭建了實驗平臺，如圖8所示。該平臺由傳送帶完成紙板的運(yùn)輸，根據(jù)視覺檢測結(jié)果由三坐標(biāo)機(jī)械手進(jìn)行點膠生產(chǎn)過程的軌跡模擬。系統(tǒng)可對圓形以及帶圓角方形等點膠軌跡進(jìn)行編程控制。

圖8 點膠機(jī)實驗平臺

4 結(jié)語

為了解決紙盒包裝在人工點膠中所出現(xiàn)的問題從而代替人工點膠，本文針對紙盒包裝設(shè)計了基于視覺識別的點膠用直角坐標(biāo)機(jī)械手，利用工業(yè)相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行位姿檢測，通過驅(qū)動直角坐標(biāo)機(jī)械手完成點膠過程，實現(xiàn)了流水線機(jī)械手自動點膠作業(yè)，提高了點膠效率。最后通過搭建實驗平臺進(jìn)行了測試，證明了系統(tǒng)的有效性。