基于機(jī)器視覺(jué)的智能組裝物流系統(tǒng)

賈茜偉，閆 娟，楊慧斌，劉向前JIA Xiwei, YAN Juan, YANG Huibin, LIU Xiangqian

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

如今，隨著生活水平的不斷提升，物流已經(jīng)是生活中不可或缺的一部分，在人們的日常購(gòu)物中扮演著重要的角色?，F(xiàn)代物流隨著科技的不斷進(jìn)步，正在朝著智能化、自動(dòng)化的方向快速前進(jìn)，很大程度上方便了人們的生活，提高了人們的生活質(zhì)量。自動(dòng)化在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)處不在，一個(gè)工廠自動(dòng)化水平的高低直接影響該家企業(yè)的生產(chǎn)效率和利益高低，自動(dòng)化程度起著相當(dāng)重要的作用。在此背景下，自動(dòng)化已然成為一種潮流，組裝物流自然也不會(huì)缺少它。隨著自動(dòng)化技術(shù)的逐漸成熟，自動(dòng)化的組裝物流慢慢取代人工，在生產(chǎn)效率方面有了明顯的提高。

機(jī)器視覺(jué)是人工智能的一個(gè)重要組成部分，它的興起在一定程度上代替了人的雙眼，可以達(dá)到自動(dòng)精準(zhǔn)識(shí)別的效果，使得企業(yè)的生產(chǎn)靈活性和自動(dòng)化水平提高了很多。機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用范圍極其廣泛，其非接觸式測(cè)量方式避免了在危險(xiǎn)場(chǎng)所對(duì)人一定量的危害，另外，系統(tǒng)的可靠性也明顯提高。在工件的組裝物流中還有很多可以優(yōu)化的地方，機(jī)器視覺(jué)在物流方面的應(yīng)用不是很廣泛，工件組裝環(huán)節(jié)始終存在一些不安全、工作效率低、精準(zhǔn)度不夠等問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)的智能組裝物流系統(tǒng)加入了機(jī)器視覺(jué)，使該物流系統(tǒng)具有更加便利和多樣性的功能，同時(shí)節(jié)省了一大批勞動(dòng)力，并且可以使不同大小的貨物實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的出庫(kù)、組裝和入庫(kù)，極大地提高了工作效率。

1 總體物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能物流組裝系統(tǒng)由機(jī)器視覺(jué)裝置、頂部工件料倉(cāng)、PLC 控制器、HMI 觸摸屏、兩個(gè)ABB 機(jī)器人、無(wú)桿氣缸、底部工件料倉(cāng)和成品庫(kù)等組成。其中機(jī)器視覺(jué)裝置包括相機(jī)架、攝像頭、條形光源等。系統(tǒng)工作流程為：觸摸屏點(diǎn)擊開(kāi)始，機(jī)器視覺(jué)捕捉工件信息，并將工件進(jìn)行分類；再將得到的信息發(fā)送給PLC 控制器，作為控制核心的PLC，對(duì)其收到的信息進(jìn)行解析，將下一步的指令發(fā)送給ABB 機(jī)器人；操作者在觸摸屏上點(diǎn)擊相應(yīng)的貨物類別號(hào)，ABB 機(jī)器人則按照信息指令將該類貨物放在滑軌氣缸上，進(jìn)行傳輸，到達(dá)指定位置后，再次在觸摸屏上選擇工件所需入庫(kù)的庫(kù)位號(hào)，另一個(gè)ABB 機(jī)器人根據(jù)觸摸屏上的指令將成品工件放入規(guī)定的庫(kù)位中。為了保證在貨物運(yùn)輸過(guò)程中觸摸屏不會(huì)被亂點(diǎn)，在觸摸屏中有正在進(jìn)行的屏幕保護(hù)，使操作者更加放心，不易出錯(cuò)。第一個(gè)機(jī)器人在抓取的過(guò)程中會(huì)依據(jù)該類工件擺放的先后順序進(jìn)行抓取，使整個(gè)流程井然有序的進(jìn)行。

整個(gè)物流控制系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，統(tǒng)一控制HMI 觸摸屏、攝像頭、傳感器、ABB 機(jī)器人、無(wú)桿氣缸，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。PLC 控制器通過(guò)工業(yè)級(jí)交換機(jī)與機(jī)器視覺(jué)、ABB 機(jī)器人和觸摸屏進(jìn)行TCP 通訊，進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，觸摸屏中可以實(shí)時(shí)顯示倉(cāng)庫(kù)庫(kù)位的信息，進(jìn)一步提高了倉(cāng)庫(kù)管理的高效性。

圖1 總體布局

2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制模塊

PLC 在該套控制系統(tǒng)中，主要扮演著控制通訊的作用，所有控制器之間通過(guò)TCP/IP 通訊實(shí)際上的輸入點(diǎn)只有兩個(gè)，輸出點(diǎn)也是兩個(gè)。另外，可編程控制器PLC 還有一些預(yù)留的輸入輸出點(diǎn)，以便后續(xù)的功能擴(kuò)展。表1 為I/O 輸入輸出分配情況，磁性開(kāi)關(guān)接線圖如圖2 所示。

表1

圖2 I/O 接線圖

2.2 機(jī)器視覺(jué)模塊

在該套物流系統(tǒng)中，工件在倉(cāng)庫(kù)中的位置坐標(biāo)依靠機(jī)器視覺(jué)來(lái)計(jì)算。為更好地獲取工件的清晰圖片，對(duì)其進(jìn)行了一定的補(bǔ)光，攝像頭拍取的實(shí)物如圖3 所示。首先，對(duì)所有工件進(jìn)行拍照，照片中工件的下邊緣有一排黑色小三角，用來(lái)區(qū)分工件，兩個(gè)黑三角之間距離的不同數(shù)值代表一種工件類型，并對(duì)每一種工件進(jìn)行數(shù)字標(biāo)記處理，例如1,2,3；其次，根據(jù)工件的大小可以計(jì)算得出每個(gè)工件的具體位置，計(jì)算過(guò)程如下：

圖3 工件實(shí)物圖

工件緊挨著為直線排列，故只要取橫坐標(biāo)就可以，縱坐標(biāo)設(shè)為0。

設(shè)工件的中心到第一個(gè)工件邊緣的距離為其所在位置，因此，設(shè)第一個(gè)工件的長(zhǎng)度為a，故坐標(biāo)為（0, a/2 ）；

第二個(gè)工件的長(zhǎng)度為b，故其中心到第一個(gè)工件邊緣的距離為（a+b/2 ），坐標(biāo)為（0, a+b/2 ）。

依次類推，計(jì)算出每一個(gè)工件的位置。機(jī)器視覺(jué)將計(jì)算得到的工件位置發(fā)送給可編程控制器PLC，PLC 將其進(jìn)行解析，再發(fā)給機(jī)器人1 和機(jī)器人2，從而機(jī)器人根據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)位置來(lái)控制機(jī)械手對(duì)工件進(jìn)行抓取。

2.3 工件組裝與運(yùn)輸模塊

組裝與運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)流程是：機(jī)器人2 將工件放在無(wú)桿氣缸上，動(dòng)作完成后，PLC 收到完成指令之后再控制無(wú)桿氣缸滑到最左邊，此時(shí)，機(jī)器人1 將倉(cāng)庫(kù)中的工件與無(wú)桿氣缸上的工件完成組裝，接著無(wú)桿氣缸滑到最右邊，機(jī)器人2 再將成品工件放在成品庫(kù)位中。整個(gè)流程如圖4 所示。

圖4 組裝與運(yùn)輸流程圖

2.4 軟件模塊

本物流系統(tǒng)采用STEP 7—MicroWIN SMART 設(shè)計(jì)PLC 程序，程序流程如圖5 所示。

圖5 PLC 設(shè)計(jì)流程圖

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，分別單獨(dú)建立與機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人1 和機(jī)器人2 的通訊，三者之間互不通訊，統(tǒng)一由PLC進(jìn)行控制。部分程序如圖6 所示。

圖6 部分PLC 程序

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

通過(guò)試運(yùn)行，將測(cè)試得到的結(jié)果與單人完成以上操作得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，使用本套物流系統(tǒng)后，工作效率提高了一倍之多，每臺(tái)設(shè)備至少減少了2 個(gè)人力，減少了企業(yè)的用人成本。該套設(shè)備較穩(wěn)定，日常維護(hù)僅需一人即可，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1） 傳統(tǒng)的組裝與運(yùn)輸模式以人工為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率低下，而且還存在安全隱患、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，因此，本文設(shè)計(jì)了智能組裝物流系統(tǒng)。

（2） 本文系統(tǒng)是以西門子PLC 200 SMART 為核心，通過(guò)控制機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人1 和機(jī)器人2 來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的組裝與入庫(kù)。機(jī)器視覺(jué)可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)中的工件進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，而機(jī)器人則可以實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確安裝與入庫(kù)，解放了人工，生產(chǎn)效率也提高了一倍之多。

（3） 該套設(shè)備可以節(jié)省2～3 個(gè)人力，幫助企業(yè)節(jié)省了不少用人成本，并且本設(shè)備不需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，15 臺(tái)設(shè)備配備一個(gè)人員管理即可，方便企業(yè)進(jìn)行管理。