基于視覺的機器人擰蓋控制系統(tǒng)

雷豐順

（廣州達意隆包裝機械股份有限公司，廣東 廣州 510530）

0 引言

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了飛速發(fā)展，智能化程度也在不斷提高，其在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。針對市場上220 L這類大油桶的生產(chǎn)線，在旋蓋和擰蓋這個工藝段，大部分工廠還是通過人工手動操作。由于人力成本和管理成本越來越高，很多工廠都希望可以實現(xiàn)自動化升級。而難點在于如何讓設(shè)備具備人眼一樣的識別功能，同時需要設(shè)計必要的工具代替人手的操作。由于空油桶在輸送線上行走時，油桶口的位置可能在任意一個角度，這里就要用到代替人眼功能的視覺相機，精確識別桶口的位置。通過機器人和視覺與電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，最終實現(xiàn)智能化的機器人作業(yè)，降低了工廠的人力成本和管理成本，提高了生產(chǎn)效率。

1 工藝流程

方案布局圖如圖1所示，系統(tǒng)包括空桶拔蓋區(qū)B1、灌油區(qū)B2、封蓋旋緊區(qū)B3、空桶區(qū)視覺識別S1、滿桶區(qū)視覺識別S2以及機器人和夾具。

圖1 方案布局圖

首先是機器人執(zhí)行初始化，根據(jù)擰蓋夾爪的狀態(tài)判斷是進入松蓋子程序還是擰蓋子程序。當(dāng)松蓋區(qū)B1傳感器檢測到空油桶到位后，機器人停在等待視覺S1拍照位置，視覺S1第1次拍照，識別出油桶塑料蓋相對于基準線的角度位置，并將角度參數(shù)發(fā)給機器人，機器人執(zhí)行動作，通過夾具上的吸盤吸附空油桶后旋轉(zhuǎn)到基準0度位置，然后機器人回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第2次拍照，識別白色塑料蓋位置，并將識別角度與基準位置進行比較，偏差在允許的數(shù)值范圍內(nèi)判斷為正常，同時把白色塑料蓋的X，Y坐標發(fā)給機器人，機器人得到白色塑料蓋的坐標位置，執(zhí)行拔除白色塑料蓋的動作，并將白色塑料蓋放入塑料蓋料倉，然后機器人再次回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第3次拍照，判斷白色塑料蓋已經(jīng)拔出。視覺S1第4次拍照，識別鐵蓋內(nèi)2個凸頭的角度R和鐵蓋的X，Y坐標位置，伺服電機根據(jù)角度R旋轉(zhuǎn)伺服電機，實現(xiàn)擰鐵蓋的夾爪與鐵蓋凸頭成90°交叉，機器人根據(jù)X，Y坐標運行到松鐵蓋的位置，伺服電機逆時針旋轉(zhuǎn)，將鐵蓋擰出來，機器人回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第5次拍照，判斷鐵蓋是否被擰出來。蓋子都擰出來了，則允許松蓋區(qū)的空油桶進入灌裝區(qū)。

灌裝區(qū)B2傳感器檢測空桶到位后，灌裝機開始灌裝，灌裝完后允許油桶運行到擰蓋區(qū)，通過B3傳感器檢測擰蓋區(qū)的油桶到位。機器人運行到等待視覺S2拍照位置，B3傳感器檢測擰蓋區(qū)的油桶到位，視覺S2第1次拍照，將桶口的X，Y坐標發(fā)給機器人，機器人執(zhí)行擰蓋程序，夾具上的伺服電機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動擰蓋夾爪順時針轉(zhuǎn)動，伺服電機達到擰緊所需的扭力時停止動作，機器人上升回到等待視覺S2拍照位置，擰蓋動作完成。視覺S2第2次拍照，判斷鐵蓋已經(jīng)擰緊旋好，則允許擰蓋區(qū)的油桶出去，機器人回到等待視覺S1拍照位置，準備下一個空油桶的拔蓋流程。

2 機器視覺系統(tǒng)原理

機器視覺系統(tǒng)就是利用機器來代替人眼實現(xiàn)各種測量和判斷。其原理是通過相機成像建立圖像模板，然后建立圖像坐標與機器人坐標（二維）之間的函數(shù)關(guān)系。在工作中，相機能夠識別視野范圍內(nèi)的工件二維方向的位置并計算出坐標，使機器人能移動到工藝要求的精確位置，配合相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為。在工件位置不固定、工件型號多樣化并且顏色有差異時，通過視覺系統(tǒng)可以識別工件型號、顏色并定位物體坐標，引導(dǎo)機器人將識別的工件放置在指定區(qū)域或通過機器人驅(qū)動相應(yīng)的夾具完成工藝操作。視覺軟件通過多點標定的方法在圖像坐標系與機器人坐標系之間建立聯(lián)系，引導(dǎo)機器人對已定位的目標完成工藝操作。

2.1 視覺系統(tǒng)設(shè)計說明

為了提高視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及整個工藝的高速要求，這里將2個視覺分別固定在支架上，S1處采用條形光源，S2處采用圓形光源?？沼屯皡^(qū)的視覺選用500萬像素的廣角相機。在滿油桶區(qū)，由于相機的視野只有桶口這個區(qū)間，精度不用太高，所以選用30萬像素的普通相機就可以滿足要求。為了讓機器人抓放蓋子的位置準確，利用視覺系統(tǒng)的功能計算出位置偏差值，通過函數(shù)計算出X，Y坐標位置，并利用PLC處理數(shù)據(jù)后，通過PROFINET現(xiàn)場總線傳送給機器人，機器人根據(jù)X，Y坐標值完成高精度的松蓋、擰蓋工作。

2.2 視覺系統(tǒng)任務(wù)

通過視覺系統(tǒng)采集油桶的蓋子及桶口的中心點二維坐標（X，Y）和當(dāng)前油桶相對于視覺模板中圖像的角度R，發(fā)給PLC進行處理后，在圖像坐標系與機器人坐標系之間建立聯(lián)系，并最終引導(dǎo)機器人完成工藝控制作業(yè)。

2.3 相機標定

在做視覺任務(wù)前，需要先做好相機的標定工作。這是由于相機默認輸出的坐標值是相機采集到的像素值，并非實際工件位置的尺寸，所以需要對物理坐標與像素值進行映射標定。要想將相機采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機器人坐標系下的位置數(shù)據(jù)，必須建立相機坐標系與機器人坐標系的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，該過程通過相機標定來實現(xiàn)。設(shè)定校準后，可使測量結(jié)果像素值轉(zhuǎn)換為實際尺寸并輸出，相機標定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工件的定位精度。因此，做好相機標定是進行后續(xù)工作的前提[2]。

2.3.1 標定前準備

標定前需要調(diào)整好相機和光源的高度，相機光源曝光以及鏡頭焦距，并固定好，在機器人夾具上安裝標定針頭，打印用于標定的校準網(wǎng)格紙，并固定在油桶表面水平鋪平。

2.3.2 相機標定方法

這里采用九點標定法，通過標定針頭在校準網(wǎng)格紙中取9組點，每組點都會記錄一個機器人坐標系下的值和一個圖像坐標系下的值。通過這9組坐標，在In-Sight軟件里調(diào)用函數(shù)，可以實現(xiàn)像素與毫米的轉(zhuǎn)換、圖像坐標系與機器人坐標的夾角以及矯正鏡頭的畸變。九點標定后，圖像坐標系與機器人坐標系已經(jīng)平行了，只差原點不重合，即機器人走幾毫米，圖像里面就會走幾毫米[1]。

2.3.3 標定過程

基于該文工藝要求，需要分別標定2個相機和機器人，標定步驟具體分為3步。1） 用機器人三點法示教出一個機器人的用戶坐標系。用戶坐標系的原點根據(jù)實際情況而定，一般選擇流水線上一個固定位置參考點，該參考點要方便相機進行坐標轉(zhuǎn)化標定。2）創(chuàng)建空油桶標定模板，需要進行標定的空油桶通過自動運行進入工作位，在油桶蓋子上面平鋪一張用于校準的網(wǎng)格紙，在In-Sight軟件中實時查看畫面，確認其在相機S1視野內(nèi)，然后移動機器人，使機器人夾具上安裝好的標定針頭移動到第1個標記點，獲取圖像坐標和機器人坐標，再移動機器人，依次獲取其他8個位置的機器人坐標和圖像坐標，完成標定。3）創(chuàng)建滿油桶標定模板，當(dāng)空油桶固定在拔蓋工作位后，在油桶桶口上面平鋪一張用于校準的網(wǎng)格紙，在In-Sight軟件中實時查看畫面，確認其在相機S2視野內(nèi)，然后移動機器人，使機器人夾具上安裝好的標定針頭移動到第1個標記點，獲取圖像坐標和機器人坐標，再移動機器人，依次獲取其他8個位置的機器人坐標和圖像坐標，完成標定。

完成標定后，統(tǒng)一相機輸出坐標系和機器人坐標系，通過10次視覺系統(tǒng)拍照讀取油桶的10個隨機位置，再搖動機器人，使標記工件分別停到這10個位置，對數(shù)據(jù)信息進行記錄，算出平均誤差值，在PLC的算法內(nèi)，通過這個誤差值對坐標系進行糾偏。

3 控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由S7-1500PLC、ABB機器人、康耐視視覺系統(tǒng)以及伺服V90PN，通過PROFINET現(xiàn)場總線組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中S7-1500自帶PROFINET接口，在硬件組態(tài)中配置好網(wǎng)絡(luò)和IP地址，并添加好V90PN和視覺從站，其中ABB從站的配置需要先從ABB機器人硬盤拷貝出與實際硬件和系統(tǒng)版本一致的PROFINET的GSD文件，在硬件組態(tài)里添加ABB從站，分配好名稱和IP地址，在ABB機器人的控制面板配置好PROFINET通信的相關(guān)配置和變量[3]。

PROFINET網(wǎng)絡(luò)配置好后，通過PLC采集視覺數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行運算，并對工藝進行精確控制，最終實現(xiàn)由視覺系統(tǒng)代替人眼的識別功能，機器人及相關(guān)夾具組件代替人手進行松蓋、擰蓋的操作。人機界面可以對視覺系統(tǒng)每次拍照的步驟進行監(jiān)控。設(shè)備工作區(qū)域采用防護網(wǎng)圍蔽保護，操作員出入的門有雙回路的門檢測開關(guān)，并接入機器人的安全回路，實現(xiàn)人機隔離，確保設(shè)備運行過程中的人員安全。

4 結(jié)語

該文介紹的機器人視覺系統(tǒng)已經(jīng)在益海糧油投入使用。在使用過程中系統(tǒng)運行良好。系統(tǒng)中使用的康耐視視覺系統(tǒng)，In-Sight軟件的電子表格功能強大、設(shè)計簡單、便于維護，整個系統(tǒng)穩(wěn)定高效，滿足生產(chǎn)的需求，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力成本和管理成本。隨著機器人和視覺技術(shù)的發(fā)展，基于視覺的機器人控制系統(tǒng)，在智能化的工業(yè)升級中將會得到更多的應(yīng)用。