高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用大賽智能相機(jī)識(shí)別優(yōu)化研究與實(shí)踐

凌旭 周潮 戴俊良

摘要：隨著全國高職院校職業(yè)技能大賽的開展，高職組工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)題目難度越來越大，對學(xué)生的要求越來越高。根據(jù)大賽內(nèi)容，其中智能相機(jī)對拍照圖片的識(shí)別正確率高低，直接決定比賽學(xué)生的最終成績。通過多次試驗(yàn)與優(yōu)化相機(jī)識(shí)別方法，結(jié)合PLC觸摸屏技術(shù)以及與工業(yè)機(jī)器人相配合，最終完成工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)零件的識(shí)別與裝配過程。為以后的工業(yè)機(jī)器人技能競賽操作過程指明方向。

關(guān)鍵詞：智能相機(jī);工業(yè)機(jī)器人;PLC;圖像識(shí)別

中圖分類號：G714? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0245-02

0? 引言

全國職業(yè)院校技能大賽高職組工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)以“中國制造2025”規(guī)劃為背景，通過技能競賽促進(jìn)和引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)建設(shè)，以賽促教，為工業(yè)機(jī)器人及系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用提供人才保障[1-2]。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)依托工業(yè)機(jī)器人智能工作站系統(tǒng)作為競賽平臺(tái)，多名參賽選手協(xié)作，以現(xiàn)場操作的方式完成工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工作站系統(tǒng)中的配套設(shè)備機(jī)械電氣系統(tǒng)的裝調(diào)、工業(yè)機(jī)器人標(biāo)定及示教器示教編程、通訊設(shè)置及操作編程、視覺系統(tǒng)編程調(diào)試、AGV機(jī)器人及碼垛機(jī)器人的編程調(diào)試等基本工作任務(wù)，并通過對系統(tǒng)的人機(jī)界面開發(fā)及控制程序設(shè)計(jì)等完成工業(yè)機(jī)器人智能工作站系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)運(yùn)行和特定制造流程等綜合任務(wù)[3-5]。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)行多年，每年的題目難度都在增加，對學(xué)生的要求越來越高。分析歷年來比賽的各個(gè)環(huán)節(jié)，其中視覺系統(tǒng)編程調(diào)試和工業(yè)機(jī)器人編程兩個(gè)項(xiàng)目成為學(xué)生最大的失分項(xiàng)目。其中，相機(jī)識(shí)別的正確率決定了比賽得分高低，因此，本文通過試驗(yàn)與測試，優(yōu)化編程，大大提高智能相機(jī)對圖片的識(shí)別率。

1? 工作原理

機(jī)器人處于托盤流水線和裝配流水線的中心，相機(jī)處于機(jī)器人抓取工位之前，先進(jìn)行識(shí)別再進(jìn)行抓取，裝配流水線能夠配合機(jī)器人來回移動(dòng)，保證機(jī)器人的工作范圍足夠。

托盤流水線擁有入口光電開關(guān)、拍照工位光電開關(guān)、抓取工位光電開關(guān)以及拍照工位和抓取工位的兩個(gè)氣檔。

帶著工件的托盤從入口進(jìn)入流水線，入口光傳感器電能夠記錄，到了拍照工位的光電傳感器開關(guān)會(huì)打開，使氣檔升起進(jìn)行拍照。拍照完畢之后進(jìn)入抓取工位，光電傳感器開關(guān)打開，氣檔隔斷后方來的托盤，等到當(dāng)前工件抓取完畢，托盤回收完成后氣檔降下，接收下一個(gè)托盤。

裝配流水線從左至右依次為成品庫、裝配工位、廢料庫工位三個(gè)部分。裝配工位配置有四個(gè)定位工作位，規(guī)定為1號位、2號位、3號位和4號位。每個(gè)定位工作位安裝了伸縮氣缸用于二次定位，當(dāng)機(jī)器人將工件送至裝配工位后，必須通過氣缸進(jìn)行二次定位，提高機(jī)器人的抓取精度，以保證能夠順利完成裝配，廢料庫用于存放缺陷工件。

成品庫主要用于存放已裝配完成的工件，機(jī)器人按工件號1→2→3→4的次序在裝配工位定位后依次進(jìn)行裝配;當(dāng)4號工件裝配到位后，機(jī)器人帶動(dòng)4號工件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度扣緊，整套工件組裝完成。組裝完成之后機(jī)器人將成品移動(dòng)到成品庫。

2? 程序設(shè)計(jì)

2.1 通訊程序設(shè)計(jì)

通訊交換的數(shù)據(jù)包括：相機(jī)識(shí)別工件的位置信息數(shù)據(jù)，工件實(shí)時(shí)位置信號數(shù)據(jù)，機(jī)器人抓取、裝配、送料等信號數(shù)據(jù)，PLC狀態(tài)、聯(lián)機(jī)信號數(shù)據(jù)，同時(shí)也包括一些放在觸摸屏上的動(dòng)畫信號數(shù)據(jù)。

通訊系統(tǒng)以工業(yè)交換機(jī)為核心交換各種數(shù)據(jù)，從相機(jī)處獲取的工件數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理最終將其發(fā)送至機(jī)器人處進(jìn)行抓取，PLC與機(jī)器人之間需要不斷交換數(shù)據(jù)來保證程序的同步運(yùn)行，觸摸屏要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控全局?jǐn)?shù)據(jù)，并且進(jìn)行要能設(shè)置一些基本功能完成程序運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)要能夠輸入各種程序，基于以上條件來設(shè)計(jì)通訊，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本次的機(jī)器人不需要編寫通訊程序，只有PLC需要設(shè)計(jì)通訊程序以及相機(jī)軟件中的輸出配置，最后再設(shè)計(jì)好觸摸屏的動(dòng)畫布局，整個(gè)通訊系統(tǒng)就建立完成了。將機(jī)器人和相機(jī)的預(yù)設(shè)地址輸入ModBus_CLENT塊建立通訊。

當(dāng)在監(jiān)控模式下STATUS顯示“0000”說明通訊正常，若不為“0000”說明通訊出現(xiàn)問題，需要查表解決。

通過通訊連接，PLC能接受相機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)，處理后再發(fā)送給機(jī)器人。相機(jī)與PLC之間是單向傳輸，所以只需要一個(gè)ModBus CLENT塊來讀，PLC與機(jī)器人之間是雙向傳輸，所以需要兩個(gè)ModBus_CLENT塊，一個(gè)寫一個(gè)讀。

2.2 相機(jī)程序設(shè)計(jì)

相機(jī)的識(shí)別工具要能夠清楚地記錄到工件的位置、角度信息，并且某一工件的識(shí)別工具其他工件是不能通過的，這方便輸入腳本，確定工件的類型。同樣識(shí)別一個(gè)工件的圖像，有很多的方法，但是每個(gè)方法的識(shí)別度有所差異，我們需要實(shí)驗(yàn)得到識(shí)別度最高得方法，以設(shè)計(jì)出較穩(wěn)定的相機(jī)程序。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，光照對工件識(shí)別的影響最為大。當(dāng)光過亮或過暗，識(shí)別工具的準(zhǔn)確性會(huì)極大地下降。所以實(shí)驗(yàn)要對光源進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn)，找出最合適的光照強(qiáng)度。

在合適的光照強(qiáng)度下，可以對不同識(shí)別工具的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先實(shí)驗(yàn)的是定位工具的定位準(zhǔn)確度。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，圓環(huán)內(nèi)圓定位的精度遠(yuǎn)在圖案定位之上，使用圓環(huán)內(nèi)圓定位來確定位置更為準(zhǔn)確，但是機(jī)器人還是需要工件的角度信息才能正確抓取，所以需要將兩個(gè)工具搭配使用，一個(gè)提供位置，一個(gè)提供方向。

圖1所示，2號工件雖然不是一個(gè)圓形，但是圓環(huán)內(nèi)圓定位工機(jī)具可以補(bǔ)全圓，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)2號工具也能使用該工具進(jìn)行定位。

3號4號工件與1號工件同樣為圓形，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較小。定位完成之后進(jìn)行工件型號識(shí)別的實(shí)驗(yàn)，圖案定位工具由于是通過軟件學(xué)習(xí)工件圖像，具有一定的識(shí)別功能，對于1號工件和2號工件這種差異較大的工件識(shí)別起來比較準(zhǔn)確，工件對應(yīng)圖案定位的識(shí)別度能達(dá)到95%以上，但對于3號工件和4號工件，由于形狀差異較小，識(shí)別度只能保持在60%，經(jīng)過不同工具的實(shí)驗(yàn)，我們挑選出了矩形區(qū)域內(nèi)目標(biāo)計(jì)數(shù)，通過識(shí)別3號工件和四號工件孔的數(shù)目的不同來區(qū)分這兩個(gè)工件，在1號工件識(shí)別沒通過的情況下，如果當(dāng)前圖像具有三個(gè)孔為3號工件，兩個(gè)孔為4號工件。

矩形區(qū)域內(nèi)目標(biāo)計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性非常高，只有光照強(qiáng)度過高或者過低才會(huì)識(shí)別不到相應(yīng)的孔，在光照適中的時(shí)候，識(shí)別率能達(dá)到100%。

之后需要設(shè)置腳本，添加5個(gè)變量分別表示所拍到圖像的X、Y坐標(biāo)信息，還有Z為工件的高度信息，A為工件的角度信息，TEY為工件的類型。

之后根據(jù)需求來輸入腳本，如以下2號工件的識(shí)別腳本：

Tool3工具是用來識(shí)別2號工件的，當(dāng)Tool3工具通過時(shí)，識(shí)別的工件為2號工件。

if（tool3.Out.objectNum>0）#當(dāng)tool3通過時(shí)

{

tool5.X=（tool2.Out.centroidPoint[0].x-323）*80/156;#計(jì)算工件當(dāng)前X坐標(biāo)

tool5.Y=（tool2.Out.centroidPoint[0].y-211）*80/156;#計(jì)算工件當(dāng)前Y坐標(biāo)

tool5.A=tool3.Out.centroidPoint[0].angle;#計(jì)算工件當(dāng)前角度信息

tool5.Z=55;#賦值2號工件的高度信息

tool5.TEY=2;#賦值2號工件的工件類型

}

由于工件像素值與實(shí)際尺寸之間存在差異，所以在計(jì)算工件坐標(biāo)的時(shí)候要乘以像素比。工件位置的X或Y坐標(biāo)計(jì)算為：（當(dāng)前X或Y坐標(biāo)-中心點(diǎn)X或Y坐標(biāo)）*像素值/實(shí)際尺寸。

2.3 工業(yè)機(jī)器人程序編寫

工業(yè)機(jī)器人首先需要示教抓取位位、托盤回收位置、工件放置位置的點(diǎn)，示教完成之后輸入與PLC所配套的程序，即可完成流程，如圖2所示。

1號工件需要用單爪進(jìn)行抓取，2、3、4號工件需要雙吸盤抓手進(jìn)行抓取，機(jī)器人要根據(jù)相機(jī)識(shí)別出的工件型號選取合適的抓手進(jìn)行抓取。

在合適的環(huán)境下，調(diào)整好相機(jī)的光圈及焦距，編寫的相機(jī)程序?qū)ぜ淖R(shí)別率能達(dá)到100%，確保了作為整套系統(tǒng)“眼睛”的部分的穩(wěn)定性。

智能相機(jī)作為大賽系統(tǒng)中外界變量可能會(huì)引起精度浮動(dòng)較大的設(shè)備有著較高的不確定性，比賽場環(huán)境不確定性，使得參賽學(xué)生在不同環(huán)境因地制宜做出調(diào)整，通過對光圈焦距進(jìn)行一定的修正，以及相機(jī)軟件內(nèi)部參數(shù)的調(diào)試，通過上述識(shí)別方法會(huì)有不俗的表現(xiàn)。

3? 總結(jié)

結(jié)合全國高職院校職業(yè)技能大賽工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)賽項(xiàng)的要求，分析智能相機(jī)在圖像識(shí)別方面的特點(diǎn)，優(yōu)化圖像識(shí)別操作方法和工業(yè)機(jī)器人配套程序。通過多次的試驗(yàn)證明方法可行性強(qiáng)。為以后的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大賽學(xué)生備賽提供很好的思路和方法。

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