基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人智能分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

高 健，劉青川，范 蕊，樊新乾，殷忠敏

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢 臺(tái) 054000）

1 視覺分揀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 是視覺分揀機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中需要四個(gè)模塊相互配合來(lái)完成，每一模塊都有其各自的工作和職責(zé)。 其中，工件傳送單元主要是由三相交流電機(jī)與傳送帶構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)將工件進(jìn)行傳送。 實(shí)踐證明，為了保證工件的準(zhǔn)確識(shí)別和跟蹤，給機(jī)械手有效抓取奠定基礎(chǔ)，分揀工件的選擇最好是與傳送帶具有較大顏色反差，比如螺帽和大小螺栓等。 圖像采集單元的任務(wù)是對(duì)傳送帶上的工件進(jìn)行圖像采集，該單元主要由工業(yè)相機(jī)、光學(xué)鏡頭、圖像采集卡以及照明設(shè)備構(gòu)成，對(duì)工件的圖像采集是否準(zhǔn)確，將直接影響到后續(xù)分揀作業(yè)的順利開展和分揀質(zhì)量。 信息處理單元主要依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要采用視覺算法對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，同時(shí)獲取目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)，最后將信息傳遞到機(jī)械手控制器完成分揀任務(wù)。 機(jī)械手與控制器單元是分揀流程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，即根據(jù)上述環(huán)節(jié)對(duì)目標(biāo)工件相關(guān)信息的搜集，引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)施分揀操作。 目前，為了保證機(jī)械手與控制單元之間可以實(shí)現(xiàn)效率最高化，通常會(huì)選用RC40 控制器和SCARA 的四自由度機(jī)械手臂。 系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行流程如下：所有類別的工件都是被隨意放置在傳送帶上的，當(dāng)各類工件被傳送至圖像采集設(shè)備處時(shí)，圖像采集卡會(huì)逐一對(duì)工件圖像序列進(jìn)行采集，并由計(jì)算機(jī)對(duì)其實(shí)時(shí)坐標(biāo)進(jìn)行獲取，所有與工件相關(guān)的信息提取后，由系統(tǒng)打包好傳遞到控制器，控制器通過(guò)對(duì)信息的分析從而指揮機(jī)械手完成分揀工作[1-2]。

圖1 視覺分揀機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)介紹

2.1 發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人

在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的分揀環(huán)節(jié)中，應(yīng)用比較普遍的機(jī)器人就是發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人，此類機(jī)器人是一種內(nèi)置6 軸伺服電機(jī)、諧波減速器和制動(dòng)器系統(tǒng)的具有四自由度的圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人。 在上述四個(gè)自由度中，第一、第二自由度屬于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要由小機(jī)械臂和大機(jī)械臂兩部分構(gòu)成，通過(guò)這兩個(gè)自由度的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)水平連桿的各類旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且能夠在一定程度上保證定位的精準(zhǔn)性。 第三自由度是移動(dòng)關(guān)節(jié)，具有垂直升降功能，可以完成垂直于平面的各項(xiàng)操作。 第四自由度同樣為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，類似于人體的手指部分，通過(guò)該關(guān)節(jié)運(yùn)行，可以更好實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象抓取。 與其他類型機(jī)器人相比，發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人所具備的優(yōu)勢(shì)是整體結(jié)構(gòu)比較緊湊，安裝占用空間較小，而且定位精確度很高，可以大幅度提高分揀效率和質(zhì)量[3-4]。

2.2 發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人控制器

基于機(jī)器視覺的發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用時(shí)若想收獲預(yù)期目標(biāo)，為其搭配科學(xué)、完善的控制器至關(guān)重要。 目前，RCX 系列的控制器作為發(fā)那科工業(yè)機(jī)器人配套的控制設(shè)備，其自身具有十分強(qiáng)大的功能，可以同時(shí)開展多至8個(gè)任務(wù)，具有中斷處理能力及端口信息并行處理能力。 與此同時(shí)，該系列的控制還可以對(duì)原點(diǎn)復(fù)歸進(jìn)行保存和記錄，斷電后再啟動(dòng)無(wú)需進(jìn)行重新設(shè)置，大大提高了運(yùn)行效率。 RCX 系列的控制器具有類似PLC 的控制效果，在沒有PLC 控制器的情況下，同樣可以對(duì)周圍器件的控制功能。

3 圖像采集系統(tǒng)部件選型

1）對(duì)工業(yè)相機(jī)的選擇。 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的攝像機(jī)與普通相機(jī)不同，其功能需要在一定程度上滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，并且能夠與光學(xué)鏡頭緊密配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的圖像采集。 在分揀工作中，圖像采集質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系著機(jī)械手分揀的效率，而且很大程度上決定著對(duì)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。 所以，在對(duì)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇，比較理想的是噪聲低、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)以及對(duì)比度高的工業(yè)相機(jī)。 具體選擇時(shí)，需要從攝像機(jī)的芯片類型、 分辨率以及幀率等幾個(gè)方面進(jìn)行選擇。

從芯片類型來(lái)看，目前廣泛應(yīng)用的主要有兩大類，即CCD 攝像機(jī)和CMOS 攝像機(jī)。 前者的構(gòu)成主要依賴于光敏二極管，在應(yīng)用過(guò)程中可以有效實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電荷信號(hào)二者之間的轉(zhuǎn)換，并在此基礎(chǔ)上利用采樣放大電路得到圖像信號(hào)，通常情況下，圖像信號(hào)是以數(shù)字方式呈現(xiàn)的。 CCD 攝像機(jī)之所以會(huì)得到如此廣泛的應(yīng)用，原因是其具有其他攝像機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 比如說(shuō)，受外界因素的影響較小、成像過(guò)程中的畸變較小以及成像速度快等。 正因?yàn)榇祟悢z像機(jī)具有諸多優(yōu)勢(shì)，才能夠在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 CMOS 攝像機(jī)與CCD 攝像機(jī)相比，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用此類攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像采集模塊和處理模塊集成化。 就目前CMOS 攝像機(jī)的應(yīng)用效果來(lái)看，其成像效果能夠滿足大部分科研需求，但是若將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，由于其攝影目標(biāo)對(duì)象為移動(dòng)中的機(jī)械零件，攝像機(jī)在移動(dòng)圖像采集方面并沒有較好的效果，因此此類攝像機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用并不廣泛。

2） 對(duì)光學(xué)鏡頭的選擇。 光學(xué)鏡頭在機(jī)器元件分揀工作中所起的作用就是光束調(diào)制。 隨著工業(yè)發(fā)展腳步的不斷加快，對(duì)光學(xué)鏡頭的要求也越來(lái)越高。 在基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，鏡頭將待成像目標(biāo)的光束變換到圖像傳感器的光敏面上，通過(guò)相機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為最終的圖像信號(hào)。 鏡頭質(zhì)量對(duì)于基于機(jī)器視覺的分揀系統(tǒng)整體性能會(huì)產(chǎn)生重要影響，所以要合理地選擇鏡頭，以便獲得最佳效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分揀工作是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 在過(guò)去的時(shí)間里，此項(xiàng)工作大多以人工分揀的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，巨大的工作量不僅降低了工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時(shí)也增加了企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。 自從機(jī)器視覺技術(shù)被應(yīng)用到工業(yè)智能化分揀系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用攝像機(jī)來(lái)模擬人類的視覺功能來(lái)對(duì)客觀事物進(jìn)行測(cè)量和判斷，所以大幅度提高了分揀結(jié)果的可靠性，不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)的智能化程度，而且也促進(jìn)了工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。