閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳燕明，李雪梅，董龍剛，朱召陽(yáng)

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)粉體工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，尤其是超細(xì)粉體具有眾多優(yōu)異性能，使得粉體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[1-2]，這對(duì)粉體包裝技術(shù)也提出了更高的要求。粉體包裝中常選用閥口袋[3]作為包裝用袋。閥口袋有糊合閥口袋和縫合閥口袋之分[3-4]。目前，在粉體包裝中，縫合閥口袋包裝在水泥、礦粉等粉體的包裝中被普遍使用，其半自動(dòng)化包裝線已經(jīng)獲得了較廣泛地應(yīng)用，可自動(dòng)完成粉料的充填、計(jì)量、碼垛等，但在閥口袋的上袋環(huán)節(jié)卻尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[5]，如圖1 所示。因上袋時(shí)需要將疊壓成扁平狀態(tài)的軟質(zhì)閥口袋的閥口張開，再準(zhǔn)確套至充填機(jī)的出料管上，現(xiàn)有自動(dòng)上袋裝置[6-7]多采用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，柔性差且故障率較高，難以廣泛地應(yīng)用。人工上袋不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且現(xiàn)場(chǎng)裝袋工人不可避免地暴露在現(xiàn)場(chǎng)的粉塵中，遭受粉塵污染危害[8]，上袋作業(yè)場(chǎng)所已成國(guó)家安監(jiān)局職業(yè)健康執(zhí)法監(jiān)控重點(diǎn)范圍[9]。

圖1 閥口袋人工上袋作業(yè)Fig.1 Manual Bagging Operation of Valved Sack

與此同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用到包裝問(wèn)題的解決中來(lái)[10]。在粉體包裝過(guò)程中，將成熟的商品化工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集成到上袋系統(tǒng)中來(lái)，由視覺(jué)引導(dǎo)帶有上袋末端執(zhí)行器的工業(yè)機(jī)器人完成閥口袋的定位、拾取、夾緊、開袋、套袋等一系列上袋工序，從而較大幅度地簡(jiǎn)化系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)并提高系統(tǒng)柔性，已成為實(shí)現(xiàn)閥口袋自動(dòng)上袋的可行解決方案之一。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人集成系統(tǒng)主要由閥口袋輸送裝置、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人和控制系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2 所示。視覺(jué)子系統(tǒng)由智能相機(jī)、鏡頭、光源、相機(jī)支架等組成。工業(yè)機(jī)器人子系統(tǒng)由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、示教盒及上袋末端執(zhí)行器四大部分組成；其中前3 部分目前已商品化，整體外購(gòu)；而上袋末端執(zhí)行器根據(jù)閥口袋型進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與制造?？刂谱酉到y(tǒng)由系統(tǒng)控制柜、HMI 人機(jī)界面及分布在系統(tǒng)中的各傳感器、電磁閥等低壓電器組成，其中，系統(tǒng)控制柜以PLC 為核心來(lái)構(gòu)建。

圖2 閥口袋自動(dòng)上袋系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Three-Dimensional Structure Diagram of the Valved Sacks Automatic Bagging System

2.2 系統(tǒng)工作原理

圖3 系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Principle Diagram of System Working

閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人集成系統(tǒng)是通過(guò)各子系統(tǒng)的相互配合來(lái)完成上袋作業(yè)的。首先，輸送裝置將閥口袋連續(xù)運(yùn)送至拍照工位，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)閥口部位拍照，在線采集圖像，利用二次開發(fā)的圖像處理程序?qū)D像進(jìn)行處理，得到的閥口袋位姿信息傳送至PLC 控制器中，完成閥口袋的識(shí)別定位；然后，PLC 與機(jī)器人通信，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)接收到的定位坐標(biāo)信息及即定的路徑，通過(guò)上袋末端執(zhí)行器完成閥口袋的拾取，隨后末端執(zhí)行器將拾取來(lái)的閥口袋夾緊，并打開閥口，按即定的路徑將閥口袋套至充填機(jī)的出料管上；最后，機(jī)器人各活動(dòng)臂及末端執(zhí)行器各氣缸回到原點(diǎn)位置，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在套袋出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)工作原理，如圖3 所示。

3 視覺(jué)系統(tǒng)及閥口袋的識(shí)別定位

準(zhǔn)確識(shí)別閥口袋的位置是保證機(jī)器人上袋成功的關(guān)鍵動(dòng)作之一。將機(jī)器視覺(jué)引入到上袋系統(tǒng)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟質(zhì)閥口袋的非接觸式識(shí)別定位，是本系統(tǒng)的主要特征。一般而言，機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)方式主要有Eye-in-hand 和Eye-to-hand 兩種[11]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]分析總結(jié)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮閥口袋上袋過(guò)程中的特點(diǎn)，如：拍攝物位置固定、上袋節(jié)拍較快及視覺(jué)系統(tǒng)成本等因素，將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為Eye-to-hand 單目視覺(jué)系統(tǒng)。但在超細(xì)礦粉、水泥等粉體包裝中常用閥口袋尺寸通常較大（如其中一種規(guī)格為：長(zhǎng)*寬＝660*420mm），一般的視覺(jué)系統(tǒng)視場(chǎng)很難完全覆蓋這一范圍，閥口袋的視覺(jué)識(shí)別屬于超視場(chǎng)物體識(shí)別范疇[13]。

因此，本設(shè)計(jì)提出了一種對(duì)閥口袋局部特征信息進(jìn)行識(shí)別提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥口袋定位的方法。首先，在閥套附近進(jìn)行拍照，采集局部圖像，如圖4 所示。然后，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)二次開發(fā)程序?qū)D像進(jìn)行處理，提取閥口袋前端和側(cè)邊特征信息，求取前端傾角θ 和兩線交點(diǎn)P0坐標(biāo)，即定位點(diǎn)位姿P0Q0（x0，y0，θ），實(shí)現(xiàn)閥口袋的定位。這樣，后續(xù)機(jī)器人進(jìn)行引導(dǎo)拾取時(shí)，只需根據(jù)上袋工藝要求及拾取方案，經(jīng)坐標(biāo)變換，即可獲得拾取點(diǎn)的準(zhǔn)確位姿PQ（x，y，θ）。

圖4 閥口袋視覺(jué)識(shí)別定位方案圖Fig.4 Visual Recognition Positioning Scheme of Valved Sack

由于智能相機(jī)具備使用方便、占用空間不大等優(yōu)點(diǎn)[14]，本設(shè)計(jì)中，采用了以SV4-30M 智能相機(jī)與H0514-MP2 鏡頭[15]為核心器件的XSIGHT 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，支持100M 以太網(wǎng)通信，可以通過(guò)網(wǎng)線與PLC、電腦通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的管理、調(diào)試與二次開發(fā)。該視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)閥口袋局部圖像處理過(guò)程及結(jié)果，如圖5 所示。拍照采集的原始圖像具備較多信息，如圖5（a）所示。為了獲得穩(wěn)定的結(jié)果，視覺(jué)系統(tǒng)還需對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理。二值化后，可以讓圖像變得簡(jiǎn)單，消除許多無(wú)關(guān)特征信息的干擾，讓目標(biāo)特征更突出，如圖5（b）所示。進(jìn)行斑點(diǎn)濾波后，將目標(biāo)特征附近的斑點(diǎn)進(jìn)行濾除，使圖像更清晰，如圖5（c）所示。對(duì)閥口袋前端與側(cè)邊線進(jìn)行了特征提取，開發(fā)腳本程序，獲取到了閥口袋交點(diǎn)P0坐標(biāo)和前端傾角，如圖5（d）所示。由圖5（e）、圖5（f）灰度圖可知，在前端邊緣與側(cè)邊緣處灰度跳變明顯，特征識(shí)別清晰，圖像處理結(jié)果較為穩(wěn)定。

圖5 閥口袋的圖像處理Fig.5 Image Processing of Valved Sack

4 工業(yè)機(jī)器人及上袋末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

4.1 工業(yè)機(jī)器人選型

工業(yè)機(jī)器人發(fā)展至今已比較成熟，由于其高效、高可靠性及重復(fù)精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[16-17]。將機(jī)器人引入上袋系統(tǒng)中來(lái)，并設(shè)計(jì)與機(jī)器人相適應(yīng)的上袋末端執(zhí)行器，完成目前普遍依賴人工來(lái)完成的縫合閥口袋上袋作業(yè)，是本系統(tǒng)的另一主要特征。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用埃夫特ER10-C10 六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，其最大運(yùn)動(dòng)半徑1640mm、末端額定負(fù)載10kg、重復(fù)定位精度（±0.05）mm，支持PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，方便系統(tǒng)集成，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)合理布置的情況下，該機(jī)器人可以同時(shí)為兩臺(tái)以上的粉體充填機(jī)上袋。

4.2 上袋末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

受現(xiàn)有的制袋工藝水平局限，閥口袋個(gè)體差異較大，為防止漏料開口一般設(shè)計(jì)得較小，且常疊壓成扁平狀供貨，這些因素的存在給自動(dòng)開袋帶來(lái)了較大的困擾。因此，設(shè)計(jì)了一種吸附式上袋末端執(zhí)行器，包括拾取、夾緊、開袋等三大功能模塊，由氣壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)末端安裝板過(guò)渡連接至機(jī)器人末端，總重量約5kg，如圖6 所示。該末端執(zhí)行器在合理對(duì)各功能模塊進(jìn)行布置的情況下，不需機(jī)器人大幅改變姿態(tài)，即可完成對(duì)閥口袋的真空吸附、夾緊、開袋任務(wù)；使所述系統(tǒng)可選工業(yè)機(jī)器人范圍更寬。另外，配置商品化成熟的帶有傳感器的專用氣缸、導(dǎo)軌、聯(lián)軸器、軸承等，集成化設(shè)計(jì)，使整體裝置緊湊。

圖6 閥口袋自動(dòng)上袋末端執(zhí)行器Fig.6 Automatic Bagging End Effector for Valved Sack

該末端執(zhí)行器控制運(yùn)行較為方便：首先，當(dāng)機(jī)器人控制器獲得有效的閥口袋位置姿態(tài)坐標(biāo)信息（x，y，θ）后，將末端執(zhí)行器引導(dǎo)至拾取點(diǎn)并同時(shí)調(diào)整拾取角度使拾取吸盤安裝軸與閥口袋前端平行；真空開啟，拾取吸盤吸住閥口袋，機(jī)器人按即定路徑拾取閥口袋達(dá)到一個(gè)閥口袋的高度后，拾取完成。然后，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，將閥口袋前端插入兩夾板之間；夾緊氣缸動(dòng)作，夾緊閥口袋前端；真空關(guān)閉，拾取吸盤松開，旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)拾取吸盤復(fù)位；至此，夾袋完成，閥口袋夾在末端執(zhí)行器兩對(duì)夾板之間，袋體下垂。最后，開袋氣缸動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開袋吸盤向閥口袋的閥口運(yùn)動(dòng)，至開袋吸盤貼合于閥口袋閥口的側(cè)面停止；真空開啟，開袋吸盤吸牢閥口外壁，開袋氣缸反向動(dòng)作打開閥口，開袋完成。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

5.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閥口袋自動(dòng)上袋系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此，本系統(tǒng)采用PLC 進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。PLC 是控制系統(tǒng)的中心，各主要硬件通過(guò)網(wǎng)線經(jīng)工業(yè)交換機(jī)連接至PLC，組成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與PLC 之間的通信；其它外部控制元件，如按鈕、指示燈、傳感器、變頻器、電磁閥等連接至PLC 的I/O點(diǎn)上。本自動(dòng)上袋系統(tǒng)選用S7-1200PLC 作為控制系統(tǒng)核心器件，它是西門子公司新一代模塊化的小型PLC，系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便。S7-1200 集成的PROFINET 以太網(wǎng)接口可用于與編程計(jì)算機(jī)、HMI 及其它支持以太網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備通信。本系統(tǒng)選用的S7-1200 CPU 的具體模塊型號(hào)為1215C DC/DC/DC 版本[18]：其工作存儲(chǔ)器125KB，裝載存儲(chǔ)器2MB；擴(kuò)展了1 個(gè)型號(hào)為SM1223DC/RLY 的數(shù)字量I/O 模塊，總計(jì)擴(kuò)展了16 個(gè)輸入和16 個(gè)繼電器輸出口。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure Diagram of the Control System

5.2 控制流程設(shè)計(jì)

圖8 主循環(huán)控制流程圖Fig.8 Main Loop Control Flow Chart

控制流程是系統(tǒng)各主要程序編寫的依據(jù)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的執(zhí)行效率與魯棒性，盡量做到各子系統(tǒng)的有機(jī)統(tǒng)一。本系統(tǒng)單次正常循環(huán)中，PLC 與視覺(jué)系統(tǒng)有1 次信息交互，與工業(yè)機(jī)器人控制器有5 次信息交互。PLC 主要通過(guò)與各子系統(tǒng)信息交互的這種方式，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成上袋作業(yè)。主循環(huán)控制流程，如圖8 所示。

本系統(tǒng)PLC 主控制程序與人機(jī)界面是基于西門子TIA 博途軟件平臺(tái)來(lái)開發(fā)的。TIA 博途軟件可在同一開發(fā)環(huán)境中組態(tài)幾乎所有的西門子PLC、HMI 和驅(qū)動(dòng)裝置[18]。利用TIA 博途軟件來(lái)開發(fā)程序，可以降低連接和組態(tài)成本。機(jī)器人程序的開發(fā)主要包括上袋主程序、拾取子程序、套袋子程序、套袋異常處理程序等，可以在示教盒上編寫，也可以利用ER_Factory 工具進(jìn)行離線編程。視覺(jué)系統(tǒng)圖像處理程序利用X-Sight Studio 工具進(jìn)行二次開發(fā)。

5.3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

開發(fā)的閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人集成系統(tǒng)樣機(jī)，如圖9 所示。將所有程序編寫完成，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)閥口袋的視覺(jué)識(shí)別定位與上袋作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試。

圖9 閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)Fig.9 Automatic Bagging Robot System Prototype for Valve Sacks

表1 視覺(jué)系統(tǒng)重復(fù)定位精度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data for Visual System Repeat Positioning Accuracy

在本樣機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)中，每個(gè)像素（pixel）所代表的物理尺寸有如下固定關(guān)系：

式中：d—相機(jī)像元尺寸，為0.006mm；Z0—鏡頭離閥口袋的距離，為500mm；f—鏡頭焦距，為5mm。用標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)衡量重復(fù)定位精度：

對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行20 次，并按式（1）、式（2）計(jì)算，數(shù)據(jù)，如表1 所示。結(jié)果表明：視覺(jué)系統(tǒng)完成對(duì)閥口袋的識(shí)別定位約需20ms，x、y兩 個(gè) 方 向 的 重 復(fù) 定 位 精 度 分 別 為±0.002mm、±0.096mm，角度θ 的重復(fù)定位精度為±0.0136°，該速度與精度能較好地滿足閥口袋的上袋工藝要求。其中y方向相對(duì)于x方向的定位精度偏低，主要由于閥套側(cè)邊較短進(jìn)行邊緣識(shí)別時(shí)提取的數(shù)據(jù)量偏少而引起的。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)器人上袋末端執(zhí)行器拾取、夾緊、開袋三個(gè)模塊運(yùn)行流暢且穩(wěn)定，配合工業(yè)機(jī)器人以（7～10）袋/分鐘的速度完成了縫合閥口袋的自動(dòng)上袋作業(yè)，上袋成功率可達(dá)97.8%。相對(duì)于本團(tuán)隊(duì)按文獻(xiàn)[7]開發(fā)的自動(dòng)上袋裝置來(lái)說(shuō)，樣機(jī)的上袋速度、上袋成功率分別提高了40%、2.8%。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)各粉體生產(chǎn)廠家亟需解決的閥口袋自動(dòng)上袋問(wèn)題進(jìn)行研究，將商品化的工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)引入到上袋系統(tǒng)中來(lái)，設(shè)計(jì)了一種與機(jī)器人相適應(yīng)的吸附式上袋末端執(zhí)行器，最終設(shè)計(jì)出了一套基于機(jī)器視覺(jué)定位的閥口袋自動(dòng)上袋機(jī)器人集成系統(tǒng)，并制作了樣機(jī)。

（2）針對(duì)閥口袋這種超視場(chǎng)物體，提出了一種對(duì)閥口袋局部特征進(jìn)行識(shí)別提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥口袋定位的視覺(jué)識(shí)別定位方案，x、y方向及角度θ 的重復(fù)定位精度分別為±0.002mm、±0.096mm、±0.0136°，滿足了上袋工藝要求，降低了系統(tǒng)成本。

（3）樣機(jī)按所設(shè)計(jì)的控制流程運(yùn)行，自動(dòng)上袋速度達(dá)（7～10）袋/分鐘，上袋成功率97.8%，該速度能同時(shí)滿足2 臺(tái)粉體充填包裝機(jī)的上袋要求，可取代人工裝袋。