智能分揀的應(yīng)用和探究

關(guān)鍵詞：智能分揀;工業(yè)機器人;3D相機

中圖分類號：TP311.56;TP391.44 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0075-03

Abstract：Before intelligent cameras were available，irregular objects were positioned by traditional positioning methods or special tools，which could not satisfy the positioning problem of multiple varieties using a single positioning method or a special tool. Based on the principle of triangulation or plane measurement，the point cloud data of workpiece can be scanned quickly by the speed of up to 12 million points per second，and then the 3D model of the object can be obtained by 3D modeling of the point cloud data，and the intelligent analysis of the modeling features can be made to determine the current position of the workpiece，and through network or special high-speed communication connection. ?The data is sent to the robot in front of the light. The robot obtains the relevant information of the workpiece，and then commands the robot to complete the grabbing action.

Keywords：intelligent sorting;industrial robots;3D cameras

1 ?智能分揀平臺簡介

對于工業(yè)機器人來說，操作重復(fù)的動作并不是一個有難度的任務(wù)，而如果是要面對一種無序的環(huán)境，就需要機器人對環(huán)境自主進行感知、分析和判斷，這意味著機器人就不能再依據(jù)傳統(tǒng)方式，即依靠之前設(shè)定好的程序繼續(xù)執(zhí)行動作了。隨著3C行業(yè)（計算機、通訊、電子產(chǎn)品）的興起，機器人視覺也被帶動起來，它的特點就是給原來的機器人裝上3D視覺識別系統(tǒng)，滿足工業(yè)對自動化的需求，解決工業(yè)機器人無序抓取的難題。本平臺為面向工業(yè)4.0的機器視覺以及機械手抓取教學(xué)示范平臺，旨在展示“工業(yè)4.0”概念下產(chǎn)品經(jīng)過3D相機掃描后輸出灰度及深度信息，從而確定產(chǎn)品在傳送帶上的位姿信息，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機械手笛卡爾坐標(biāo)系，以實現(xiàn)機械手精確智能分揀的智能化生產(chǎn)流程。

該平臺主要由機械手、3D相機、視覺主控機、傳送帶、按鈕控制盒及料盒等組成，具體布局如圖1所示。

1.1 ?智能分揀抓取平臺特色

（1）快速對無序物體進行3D識別、分割以及檢測;

（2）系統(tǒng)準確轉(zhuǎn)換成抓取的位置和姿態(tài);

（3）傳送帶可實現(xiàn)不同速度及高度需求;

（4）可實現(xiàn)多種維度姿態(tài)的抓取。

首先無序發(fā)生器把不同物品無規(guī)律地放到傳送帶上，當(dāng)有物品通過智能相機的拍攝區(qū)域時，相機自動觸發(fā)開始信號，并且開始拍攝物品位置，通過相機圖像成形技術(shù)建立物品三維模型，從而反饋和計算相應(yīng)物品抓取點的位置，并且同時反饋給關(guān)節(jié)機器人。同時，由于輸送帶一直在運行，所以機器人通過計算輸送帶速度，得到物品準確抓取位置，進而機器人開始運動，并且準確運動到物品位置，然后觸發(fā)吸盤吸氣，吸起物品，并且把物品放到指定的物品位置，從而再開始原先的動作，如此循環(huán)，直到再也沒有觸發(fā)信號，便結(jié)束整個流程。

2 ?產(chǎn)品硬件介紹

2.1 ?工業(yè)機器人

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的實際應(yīng)用范圍也在不斷擴大，即使是在很多的傳統(tǒng)行業(yè)中，人們也在想方設(shè)法嘗試使用機器人來代替人類工作。近年來，工業(yè)機器人越來越多地進入到了人類的生產(chǎn)和生活中，并且工業(yè)機器人不斷朝著智能化和信息化的方向發(fā)展，智能工業(yè)機器人將極大地拉動經(jīng)濟和社會進步，逐漸成為工廠自動化生產(chǎn)線的主要發(fā)展形式。比如在餐飲加工領(lǐng)域，技術(shù)人員已經(jīng)開發(fā)出了諸多應(yīng)用于不同場合的機器人，協(xié)助人類開展生產(chǎn)活動。

工業(yè)機器人是當(dāng)前新工業(yè)革命形勢下產(chǎn)生的，面向諸多領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器設(shè)備，依靠自身動力和控制系統(tǒng)，可以自動執(zhí)行任務(wù)和工作，來實現(xiàn)各種應(yīng)用功能和應(yīng)用場景需要的智能化的設(shè)備。其不僅可以按照人類的設(shè)定的方式，而且可以按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑和邏輯來運行，不厭其煩地工作，不需要休息。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的工業(yè)機器人已實現(xiàn)根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則和綱領(lǐng)行動，越來越智能，越來越高效。

工業(yè)機器人主要由主體（機械手）、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成，另外還包括各種連接電纜和應(yīng)用軟件?？刂萍夹g(shù)的主要職責(zé)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信息，并執(zhí)行控制?？刂葡到y(tǒng)是整個機器人的大腦，是決定機器人的性能和功能的主要要素，且具備編程語言簡單、操作簡易、人機交互界面美觀等特點。

i5 Robot是一種串聯(lián)型的六關(guān)節(jié)機器人，包括底座、轉(zhuǎn)盤、大臂、肘部、小臂、腕部、手部相鄰部件之間均是關(guān)節(jié)相連。部件的運動都由伺服電機驅(qū)動，控制系統(tǒng)由沈機智能自主研發(fā)和設(shè)計。

i5工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于機械加工、裝配等自動化行業(yè)，不同抓取能力的機器人能滿足不同行業(yè)的需求。每個關(guān)節(jié)都有自己的限位角度，因此在操作機器人之前要要先了解機器人的工作范圍。

2.2 ?智能視覺

（1）智能視覺是一項綜合技術(shù)，是計算機科學(xué)的一個重要發(fā)展方向，更是人工智能快速發(fā)展的一個方向，它綜合了電氣、機械、通訊等多學(xué)科的技術(shù)，涉及計算機運算、電氣邏輯控制、運動控制、機械等多個領(lǐng)域。換一句話來說，智能視覺就是用計算機來模擬人的眼睛，實現(xiàn)對物體位置、姿態(tài)、形狀的獲取。智能視覺系統(tǒng)是通過智能視覺產(chǎn)品（3D相機）將物品轉(zhuǎn)化成圖像，并輸送給特殊的圖像處理機構(gòu)，從而得到物體的位置、姿態(tài)、形狀等信息數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)變成可設(shè)別的數(shù)字化信號;圖像處理機構(gòu)再對這些信息進行各種運算，并對物體進行識別，根據(jù)識別結(jié)果來做出反饋，然后驅(qū)動現(xiàn)場的設(shè)備有所動作。圖像處理機構(gòu)和模式識別等科技的發(fā)展，極大地推動了智能視覺的發(fā)展，具有高自定義、高穩(wěn)定性、高定制性、高集成度以及靈活的IO輸出方式、良好的接口保護等特點。物品識別與分割3D相機能夠精準獲取小型物體位姿信息并對其進行處理，可實現(xiàn)3D點云數(shù)據(jù)的生成，深度方向的測量誤差為4.87μm，最高掃描速度可25000Hz/s，測量距離高達197mm。

i5Vision為CNC提供了一個視覺定位和視覺測量的功能，可以對工件表面某一形狀特征進行坐標(biāo)定位、旋轉(zhuǎn)角測量和尺寸測量。

智能視覺系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了提升生產(chǎn)率、信息化、自動化程度。隨著科學(xué)技術(shù)的快速的發(fā)展，特別是在諸多危險高、勞動強度大的工作的場合，就需要選擇機器視覺來代替人工視覺，同時在重復(fù)性的工作中，用傳統(tǒng)的人工視覺來檢查產(chǎn)品效率低下且質(zhì)量不高，如果采用視覺檢測方案，則可以大大提高生產(chǎn)作業(yè)效率和生產(chǎn)節(jié)奏的自動化程度。機器視覺技術(shù)應(yīng)用前景極為廣闊，目前應(yīng)用于生活各領(lǐng)域，但在工業(yè)領(lǐng)域中實用化、商業(yè)化還有很大差距，因為工業(yè)現(xiàn)場具有條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣、變化情況多等特點，因此亟待提高我國機器視覺技術(shù)的發(fā)展速度和水平，達到工業(yè)生產(chǎn)的智能化和現(xiàn)代化，為中國制造2025計劃做出巨大的貢獻。

（2）3D相機可切換3D輸出模式和灰度輸出模式，灰度輸出模式即普通相機模式，輸出原始的灰度圖像，圖像分辨率為1600×1088，可用于研究片光法三維建模方法。3D模式下，相機內(nèi)自帶處理模塊及算法，可根據(jù)激光點偏離距離計算出每個點的z軸高度（高度圖），另外，還可以選擇輸出每個激光點的寬度值（激光分布圖）及光強度（強度圖）。它們都是1600點的一維數(shù)據(jù)。此項目采用3D模式輸出一維高度圖，可以預(yù)先調(diào)試標(biāo)定好相機高度及相機參數(shù)，如此相機輸出的高度圖就是物體上點距離傳送帶的高度。傳送帶帶動物體勻速運動，3D相機對其連續(xù)拍照，拼合多幀高度圖，即可得到整個傳送帶通過3D相機掃描區(qū)域的物體深度信息。

3 ?輸送帶

輸送帶一般按是否有牽引件來進行分類，一般分為：有牽引件的輸送帶設(shè)備、無牽引件的傳送帶設(shè)備。有牽引件的傳送帶設(shè)備種類多，應(yīng)用范圍廣，在我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷挠械竟葯C、機場中行李輸送帶和架空索道等;無牽引件的傳送帶設(shè)備，常見的有旋轉(zhuǎn)輥道、螺旋輸送機和振動輸送機等。

該平臺使用的傳送帶又叫柔性鏈板輸送機，是鏈板輸送機械設(shè)備中的一種，具有靈巧美觀、安裝簡便、結(jié)構(gòu)標(biāo)準、干凈無污染等特點，柔性鏈輸送機廣泛地應(yīng)用于食品、藥品、罐頭飲料、紙制品、乳業(yè)、化妝品、煙草等對衛(wèi)生要求比較嚴苛的行業(yè)。該平臺傳送帶由傳動機械結(jié)構(gòu)、減速機以及伺服電機組成，通過機器人CNC控制伺服電機的運轉(zhuǎn)速度及其編碼器的反饋從而能夠確定物品在傳送帶上的具體位置，以實現(xiàn)機械手準確抓取。

4 ?視覺UI界面

視覺UI界面是特定開發(fā)的一款人機交互軟件，它集成了相機開關(guān)、數(shù)據(jù)采集開關(guān)、與機器人連接、標(biāo)定、傳送帶速度匹配以及匹配模型等功能，相機相關(guān)的代碼是在halcon上開發(fā)的，UI是在QT上開發(fā)的。本平臺使用的界面為沈機（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計有限公司自主設(shè)計和研發(fā)，該公司是一家專注于運動控制系統(tǒng)研發(fā)及提供運動控制整體解決方案的面向工業(yè)4.0，致力于高端電子產(chǎn)品設(shè)計、制造，并提供智能制造高端服務(wù)、定制化服務(wù)的工業(yè)服務(wù)公司。

本平臺中應(yīng)用的有圓柱體、長方體、三角體和立方體，從而可以在相機軟件中人為來標(biāo)定，可以設(shè)定不同物品和不同形狀，由于外置環(huán)境總是不斷變化的，比如光線、溫度等，因此檢測出來的結(jié)果一般不可能同設(shè)定物品百分百相符，所以說可以設(shè)置相似度達到多少就認為合格，相似度在多少以下就認為不合格，開放這個接口，用戶根據(jù)實際情況來確定。

5 ?結(jié) ?論

隨著人工智能的興起與快速發(fā)展，機器視覺作為人工智能的一個重要分支，在人們的生產(chǎn)生活中不斷發(fā)揮著越來越重要的作用。而隨著人們對工作要求的不斷提高，以及不愿意從事重復(fù)勞動的要求，且人的眼睛容易疲勞，從而容易導(dǎo)致錯誤或漏檢情況的發(fā)生，因此智能分揀平臺就有了其市場需求，簡單來說就是利用機器來代替人的眼睛，從而達到對物體的準確判斷和測量，其特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，并且在工業(yè)批量生產(chǎn)中可以大大提高作業(yè)效率，而且通過視覺也容易實現(xiàn)信息集成化，并對自動化生產(chǎn)過程實現(xiàn)高度兼容性，從而實現(xiàn)輕易驅(qū)動機械手等設(shè)備動作。智能分揀平臺就是利用機器視覺實現(xiàn)動態(tài)獲取物體位置姿態(tài)，然后驅(qū)動機械手實現(xiàn)動態(tài)抓取等一系列動作。

參考文獻：

[1] 吳旭清，黃家才，周磊，等.并聯(lián)機器人智能分揀系統(tǒng)設(shè)計 [J].機電工程，2019，36（2）：224-228.

[2] 劉瀟，萬其，倪銀堂，等.基于視覺的移動分揀機器人系統(tǒng)研究 [J].工業(yè)控制計算機，2018，31（12）：91-93.

[3] 王迎暉.基于機器視覺的物料分揀工業(yè)機器人技術(shù)研究 [J].儀器儀表標(biāo)準化與計量，2018（5）：28-30.

作者簡介：楊愛?。?983.07-），男，漢族，江蘇淮安人，中級工程師，本科，主要研究方向：自動化。