機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用研究

宋博仕 傅繼軍 馬偉俊

摘? 要：工業(yè)機(jī)器人在智能制造中有著廣泛的應(yīng)用，其中視覺(jué)技術(shù)極大的擴(kuò)展了工業(yè)機(jī)器人的靈活性，提高了生產(chǎn)效率。文中基于ABB工業(yè)垂直串聯(lián)六關(guān)節(jié)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)以及PLC的硬件基礎(chǔ)，介紹工業(yè)機(jī)器人的基本組成、視覺(jué)系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)各單元的通信方式，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人模擬加工汽車(chē)輪轂的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)的協(xié)作使用在加工制造中更具靈活性。本文為工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)提供一種有效的思路和方法，具有一定的教學(xué)和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人? 機(jī)器視覺(jué)? 系統(tǒng)集成? 垂直串聯(lián)六關(guān)節(jié)

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（c）-0039-03

Abstract： Industrial robots have a wide range of applications in intelligent manufacturing. Among them， vision technology greatly expands the flexibility of industrial robots and improves production efficiency. Based on the hardware foundation of ABB industrial vertical six-joint robot， industrial camera and PLC， the article introduces the basic composition of the industrial robot， the working principle of the visual system and the communication method of each unit of the system. The program of simulating machining automobile wheel hub by industrial robot is designed. It shows that the collaborative use of industrial robots and vision systems is more flexible in manufacturing. This paper industry provides an effective idea and method for the integrated design of robot and vision system， which has certain teaching and engineering application value.

Key Words： Industrial robot; Machine vision; System integration; Vertical series six joints

隨著經(jīng)濟(jì)全球化浪浪潮及中國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，勞動(dòng)力成本越來(lái)越高，我國(guó)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn)，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，可有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度高、可適應(yīng)不同惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[2]。但早期的檢測(cè)技術(shù)日益無(wú)法滿足工業(yè)需求，通過(guò)工業(yè)相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，模擬人眼視覺(jué)功能，依據(jù)視覺(jué)結(jié)果控制機(jī)器人為生產(chǎn)制造帶來(lái)無(wú)限可能[3]。本文中利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)[4-6]，對(duì)汽車(chē)輪轂進(jìn)行模擬加工，規(guī)劃加工路徑，工業(yè)機(jī)器人完成工件的取料、搬運(yùn)，機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果，選擇不同的工藝流程。

1? 系統(tǒng)的組成和工作原理

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)單元、倉(cāng)儲(chǔ)單元、數(shù)控單元、打磨單元、分揀單元組成。其中工業(yè)機(jī)器人采用瑞士ABB公司IRB120型機(jī)器人，該機(jī)器人有6個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)載質(zhì)量3kg，重復(fù)定位精度0.01mm，機(jī)器人底座固定在可移動(dòng)基座上，通過(guò)PLC控制外部軸移動(dòng)機(jī)器人底座到達(dá)不同位置，增加機(jī)器人的作業(yè)空間。

視覺(jué)單元由omorn公司CCD相機(jī)、歐姆龍F(tuán)H-L550處理器、環(huán)形光源組成，其中鏡頭采用日本 COMPUTAR公司的 M0814-MP2型號(hào)的定焦鏡頭，焦距8mm，最大成像尺寸8.8mm×6.6mm;光源采用CCS公司的LED環(huán)形光源，具有響應(yīng)時(shí)間快，可獲得高品質(zhì)、高對(duì)比度圖像等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)工藝要求，工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)對(duì)汽車(chē)輪轂進(jìn)行模擬加工，視覺(jué)單元對(duì)6自由度工業(yè)機(jī)器人抓取的汽車(chē)輪轂特征進(jìn)行識(shí)別，并且把被識(shí)別的物體的顏色，二維碼等特征信息通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至工業(yè)機(jī)器人控制器，機(jī)器人根據(jù)判別結(jié)果選擇執(zhí)行對(duì)應(yīng)的工藝流程，實(shí)現(xiàn)取夾具、取工件、視覺(jué)檢測(cè)、打磨、數(shù)控加工、分揀、放夾具、放工件作業(yè)。

2? 視覺(jué)系統(tǒng)工作原理

視覺(jué)系統(tǒng)是一種非接觸式光學(xué)傳感系統(tǒng)，如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工件到了環(huán)形led光源上方，機(jī)器人通過(guò)程序觸發(fā)相機(jī)拍照采集圖像，相機(jī)控制器將采集的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像對(duì)其處理[4]，在圖2中，電子標(biāo)簽區(qū)域1中識(shí)別二維碼、在視覺(jué)檢測(cè)區(qū)域1和2中識(shí)別顏色，最后通過(guò)以太網(wǎng)將判別結(jié)果發(fā)送至工業(yè)機(jī)人控制單元。根據(jù)零件顏色標(biāo)簽及二維碼標(biāo)簽，在相機(jī)控制器同一場(chǎng)景組下配置兩種不同場(chǎng)景分別檢測(cè)顏色和二維碼，輸出檢測(cè)結(jié)果，機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)通信獲取識(shí)別結(jié)果。

3? 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)通信。

ABB機(jī)器人與相機(jī)控制器是基于無(wú)協(xié)議socket通信，Socket協(xié)議位于TCP/IP傳輸層之上，信息主要由5部分組成：協(xié)議、本地IP地址、本地端口號(hào)、遠(yuǎn)程IP地址、遠(yuǎn)程IP端口號(hào)[5]。其中以相機(jī)控制器為服務(wù)器，ABB機(jī)器人為客戶端，通訊流程如圖3所示。

ABB機(jī)器人控制器外部擴(kuò)展IO模塊、打磨單元、分揀單元、倉(cāng)儲(chǔ)單元以及CNC單元的擴(kuò)展IO模塊是基于西門(mén)子S-1200PLC分布式控制，PLC通過(guò)以太網(wǎng)與各模塊I/O設(shè)備通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控各模塊運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)本地分布式運(yùn)行。

（2）空間軌跡規(guī)劃。

模擬輪轂加工工藝步驟如下，依據(jù)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)位置關(guān)系如圖4所示，可將機(jī)器人作業(yè)任務(wù)分解為機(jī)器人作業(yè)初始化，取夾具、從倉(cāng)儲(chǔ)單元取工件、視覺(jué)檢測(cè)、打磨作業(yè)、數(shù)控加工等獨(dú)立的動(dòng)作，并將最終加工完的零件送至分揀單元或倉(cāng)儲(chǔ)單元。

ABB機(jī)器人程序采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)作業(yè)任務(wù)集中管理，將程序分為幾個(gè)模塊（見(jiàn)表1）。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文模擬汽車(chē)輪轂工件進(jìn)行加工，基于機(jī)器視覺(jué)軟件和ABB Rotbotstudio軟件進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)配置與工業(yè)機(jī)器人編程，介紹基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成，分析各單元完成的功能，機(jī)器視覺(jué)的工作原理、系統(tǒng)通信方式，最終對(duì)加工程序進(jìn)行整體規(guī)劃，并控制機(jī)器人完成取料、視覺(jué)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輪轂的精加工，滿足教學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)需求，對(duì)工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)單元的集成有重要的參考意義，但對(duì)生產(chǎn)線上移動(dòng)工件的視覺(jué)技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)未進(jìn)行試驗(yàn)，在后續(xù)工作中會(huì)進(jìn)一步展開(kāi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 計(jì)時(shí)鳴，黃希歡.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].機(jī)電工程，2015，32（1）：1-13.

[2] 楊代明.探討工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技展望，2017，27（2）：144.

[3] 何鵬，潘鑫，汪雪聰，等.基于機(jī)器視覺(jué)的SCARA機(jī)器人的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2016（10）：72-76.

[4] 徐建明，潘湘飛.基于Socket通信的工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控 系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017，25（7）：70，73.

[5] 李伯平.機(jī)器視覺(jué)的雙工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)分析研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2018（9）：4-6，10.

[6] 盧俊華，朱海飛，梁經(jīng)倫，等.雙足爬壁機(jī)器人三維壁面環(huán)境全局路徑規(guī)劃[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，52（1）：148-155.