基于AI視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)科技快速發(fā)展，勞動(dòng)力成本快速上升，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)也得到了越來(lái)越多人的關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人在智能制造業(yè)上成為了必不可少的裝備，它的使用，使智能化和自動(dòng)化的趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)。目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在主要用在裝配、搬運(yùn)、碼垛、焊接、點(diǎn)焊、涂膠、噴涂等各領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用HuskyLens AI視覺(jué)模塊、西門子S7-200PLC及歡顏工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人抓取工件的功能。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

本設(shè)計(jì)以自動(dòng)抓取工件的流水線為例，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)物塊并結(jié)合PLC，引導(dǎo)機(jī)器人夾取物塊送到碼垛區(qū)。本設(shè)計(jì)以機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)機(jī)器人為核心，外加PLC、交流異步電機(jī)、傳感器、機(jī)械爪配套設(shè)備等構(gòu)成。其中機(jī)器視覺(jué)采用HuskyLens AI模塊實(shí)現(xiàn)；工業(yè)機(jī)器人采用HY1005A-085型號(hào)；各傳感器將采集到的信號(hào)傳輸給PLC，經(jīng)PLC處理后將控制命令傳給機(jī)器人。整個(gè)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

在保證機(jī)器人在初始位置的情況下，啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行程序，等待夾取信號(hào)。當(dāng)視覺(jué)傳感器檢測(cè)到物塊后，機(jī)器人繼續(xù)運(yùn)行并夾取物塊放置到傳送帶上。傳感器檢測(cè)到物塊后，電機(jī)帶動(dòng)傳送帶將物塊傳送到碼垛區(qū)夾取一組后，機(jī)器人停止運(yùn)行，系統(tǒng)流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC外部接線圖

西門子S7-200PLC配合機(jī)器人等I和設(shè)O軟件程序功能，驅(qū)動(dòng)硬件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)物塊的抓取、放置。當(dāng)機(jī)器人程序運(yùn)行到等I時(shí)，等待PLC的輸出信號(hào)。當(dāng)視覺(jué)檢測(cè)到物塊后，KF3線圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通。按下SB1后，KF2線圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，給機(jī)器人的X5接入低電平，此時(shí)機(jī)器人的等I得到信號(hào)，繼續(xù)進(jìn)行下一步的程序。當(dāng)程序運(yùn)行到設(shè)O時(shí)，機(jī)器人的輸出Y7輸出高電平，使KF1線圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，使得氣閥得電動(dòng)作，機(jī)器人夾取物體。程序運(yùn)行到機(jī)器人放下物塊時(shí)，設(shè)O程序給Y7輸出低電平，KF1線圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，電氣閥失電，物塊被放下。接線圖如圖3所示。

2.2 硬件介紹

2.2.1 機(jī)器人介紹

首先需要對(duì)機(jī)器人的系統(tǒng)操作畫面配置，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作需求進(jìn)行修改，出機(jī)默認(rèn)的操作畫面配置如圖4所示。

圖4中主要模塊功能如下：

①抬頭列。

1）顯示系統(tǒng)版本號(hào)、目前的登入層級(jí)，點(diǎn)選此區(qū)域，可進(jìn)入權(quán)限頁(yè)面。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液（0.1 mg/mL）0.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于6只25 mL比色管中，用70%乙醇補(bǔ)充至12.5 mL，加入1.0 mL 5%亞硝酸鈉溶液，靜置5 min后加入1.0 mL 10%硝酸鋁，6 min后加入5 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，搖勻，用70%乙醇稀釋至刻度，靜置10 min，在510 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光值，以蘆丁濃度為橫坐標(biāo)吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到回歸方程為：y=10.775x-0.0026，R2=0.997。

3）顯示目前系統(tǒng)狀態(tài)及自動(dòng)模式時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行的速度百分比。

準(zhǔn)備未了：當(dāng)任何一個(gè)馬達(dá)的坐標(biāo)未確認(rèn)前，會(huì)停留在此狀態(tài)。此狀態(tài)下，自動(dòng)模式無(wú)法使用，示教模式操作只可為關(guān)節(jié)坐標(biāo)。

準(zhǔn)備完成：當(dāng)每一個(gè)馬達(dá)的坐標(biāo)均已確認(rèn)，會(huì)變成準(zhǔn)備完成狀態(tài)，準(zhǔn)備完成后才有辦法進(jìn)入自動(dòng)模式，因?yàn)橄到y(tǒng)需在各軸坐標(biāo)均正確后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)演算路徑才是有意義的。

(3)判斷:用二進(jìn)制變量δn來(lái)表示時(shí)刻t用戶衛(wèi)星Sn是否處于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星S0的通信窗口范圍，若0≤Ln(t)≤Lmax，δn=1，否則δn=0；

A為繞+Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。

暫停、區(qū)段停止：系統(tǒng)已運(yùn)行但是因故障進(jìn)入暫停狀態(tài)。

4）提示目前系統(tǒng)是否有警報(bào)警告，在警報(bào)警告區(qū)點(diǎn)擊，可以顯示目前的警報(bào)警告內(nèi)容。點(diǎn)擊重置可以清除目前的警報(bào)警告，如果該警報(bào)警告的成立條件已經(jīng)消失。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)是課程改革的主題，將會(huì)貫穿課程的教授和考核。創(chuàng)新體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）教學(xué)創(chuàng)新，教師將基于教材但不再拘泥于教材，采用案例驅(qū)動(dòng)，從“電子商務(wù)概論”中抽取案例與場(chǎng)景，將所有知識(shí)點(diǎn)穿插于案例與場(chǎng)景中進(jìn)行講解。（2）考核創(chuàng)新，教師不再為學(xué)生指定考核題目，而是以創(chuàng)業(yè)為范圍，以模擬路演風(fēng)投為考核重要依據(jù)。創(chuàng)業(yè)體現(xiàn)在：為學(xué)生模擬設(shè)置實(shí)際場(chǎng)景，以創(chuàng)業(yè)為目標(biāo)構(gòu)思項(xiàng)目，并以“網(wǎng)站規(guī)劃與設(shè)計(jì)”課程所教授知識(shí)和技術(shù)完成項(xiàng)目原型，并撰寫風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目計(jì)劃書，參與模擬路演風(fēng)投。

世界坐標(biāo)：以機(jī)械手底座中心為原點(diǎn)，工具末端點(diǎn)的的位置與姿態(tài)。

推薦理由:這是一套看著看著饞蟲(chóng)會(huì)叫的書，這是一套讀著讀著心向往之的書。蔡瀾以尋味為目的，開(kāi)啟全球美食之旅。一路行，一路玩，一路吃，不僅僅記錄美食、美景，更記錄人生百態(tài)，體味人間煙火氣。那味，是珍饈之味；那味，是美景之味；那味，是妙人之味。人間百味，非酸甜苦辣可以概括；世態(tài)萬(wàn)千，豈Internet可以盡覽。若是不能親歷，那么自是翻開(kāi)本書看蔡瀾先生說(shuō)說(shuō)也好。

2）此區(qū)域會(huì)依照系統(tǒng)模式（維護(hù)、自動(dòng)、示教），及選取的坐標(biāo)系（世界、工作、工具、關(guān)節(jié)），呈現(xiàn)該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

②左邊功能選單區(qū)。

維護(hù)模式：可對(duì)單馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)控制。通常用于配機(jī)時(shí)期。

防止泥漿污染，海洋鉆井公司從源頭入手，加大科技投入，與高校及相關(guān)科研單位聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)環(huán)保泥漿，獲得了國(guó)家海洋局的無(wú)毒泥漿證書。該環(huán)保泥漿體系已經(jīng)在勝利七號(hào)鉆井平臺(tái)進(jìn)行埕北326井作業(yè)時(shí)應(yīng)用。

關(guān)節(jié)坐標(biāo)：馬達(dá)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)耦合關(guān)系轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值。（外觀上可視的機(jī)構(gòu)狀態(tài)）

武漢市軌道交通21號(hào)線工程途徑武漢市江岸、黃陂和新洲三個(gè)區(qū)，兩端均預(yù)留延伸條件，從江岸區(qū)后湖大道至新洲區(qū)金臺(tái)，線路全長(zhǎng)34.864km，共設(shè)車站15座，一段一場(chǎng)，其中地下站5座，位于江岸區(qū)，高架站10座，位于黃陂區(qū)和新洲區(qū)?？缇摭埓蟮肋B續(xù)梁橋位于梅教街站～武湖站區(qū)間，橋跨布置（60m+100m+100m+60m），為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼構(gòu)連續(xù)梁橋體系，全長(zhǎng)319.8m（含兩側(cè)梁端至支座中心各0.55m），橋面頂寬9.4～12.123m，線間距4.4～6.723m。橋面縱坡處于變化，橋面橫坡2%，通過(guò)防水層保護(hù)層進(jìn)行調(diào)節(jié)。

一是領(lǐng)會(huì)戰(zhàn)略深意。恩格斯說(shuō)，軍隊(duì)的全部組織和作戰(zhàn)方式以及與之有關(guān)的勝負(fù)，取決于物質(zhì)的即經(jīng)濟(jì)的條件。強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力和綜合國(guó)力是實(shí)現(xiàn)黨在新時(shí)代的強(qiáng)軍目標(biāo)、建設(shè)世界一流軍隊(duì)的基本依托。當(dāng)前，國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的資源供給方式與強(qiáng)軍需求還不相適應(yīng)，我軍傳統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展模式與全面建成世界一流軍隊(duì)的要求還不相適應(yīng)，必須從國(guó)家安全發(fā)展的政治高度和我軍建設(shè)現(xiàn)狀的實(shí)際角度，深刻領(lǐng)悟軍民融合發(fā)展的戰(zhàn)略定位，把準(zhǔn)戰(zhàn)略方向、強(qiáng)化戰(zhàn)略引領(lǐng)。

示教：可以選擇世界、工作、工具、關(guān)節(jié)等坐標(biāo)系方向作為移動(dòng)的參考，進(jìn)行移動(dòng)。

③手動(dòng)操作區(qū)。

用以選擇動(dòng)作的坐標(biāo)、連續(xù)、速度比例，然后按移動(dòng)鍵進(jìn)行手動(dòng)移動(dòng)。

機(jī)器人是一個(gè)六關(guān)節(jié)機(jī)械手，機(jī)械手的坐標(biāo)一般是指末端點(diǎn)的位置與姿態(tài)。由圖4外加工具后的示意圖可知，XYZ軸的方向定義可以將手臂想成是一個(gè)人，與熟知的坐標(biāo)軸方向相同，右邊是+X，前方是+Y，上方是+Z。

如圖5所示，想要表示，通過(guò)獲取機(jī)器人的位置和機(jī)器人的姿態(tài)，即可獲得工業(yè)機(jī)器人的空間坐標(biāo)信息，就如一般理解并常用的（X，Y，Z），但是姿態(tài)信息（A，B，C）就不是這么容易理解了。ABC是用來(lái)表示末端點(diǎn)的方向，它有一個(gè)特定的規(guī)則，統(tǒng)稱尤拉角（Eulers rotation theorem），用來(lái)表示出各種方向的可能性。尤拉角的規(guī)則在各家的機(jī)器人系統(tǒng)里，定義不一定相同。研華寶元的尤拉角定義為ZXZ，通用右手定則，即：

運(yùn)行中：自動(dòng)程序運(yùn)行中。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維是根據(jù)用戶的不同角色設(shè)計(jì)不同功能，這在一定程度上造成了功能的重用和代碼的冗余。而這次的高校宿舍管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是主要圍繞四個(gè)大功能模塊對(duì)三個(gè)不同角色的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，如圖1所示。

聯(lián)合國(guó)的任務(wù)講規(guī)則、講標(biāo)準(zhǔn)、講計(jì)劃，一般不采取突擊的方式。但中國(guó)軍人傳統(tǒng)上習(xí)慣對(duì)領(lǐng)受的任務(wù)進(jìn)行突擊，搶進(jìn)度，提前完成任務(wù)，導(dǎo)致聯(lián)合國(guó)認(rèn)為交給中國(guó)軍人的任務(wù)過(guò)輕而增加工作量。結(jié)果，中國(guó)維和官兵始終處于高強(qiáng)度工作狀態(tài)，不堪重負(fù)。此外，維和行動(dòng)一般都是多國(guó)參與，意識(shí)形態(tài)、文化觀念和風(fēng)俗習(xí)慣等方面大相徑庭，這些因素都會(huì)影響維和任務(wù)執(zhí)行的效率和質(zhì)量。

B為繞（經(jīng)過(guò)A旋轉(zhuǎn)后的+X）軸旋轉(zhuǎn)的角度。

C為繞（經(jīng)過(guò)AB旋轉(zhuǎn)后的+Z）軸旋轉(zhuǎn)的角度。

本系統(tǒng)包含多種機(jī)器人型式，均采用相同的觀念進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以下為一些專用名詞的說(shuō)明：

馬達(dá)坐標(biāo)：馬達(dá)的實(shí)際坐標(biāo)值，與機(jī)構(gòu)間的同動(dòng)無(wú)關(guān)。

自動(dòng)：用于啟動(dòng)程序，或是操作各頁(yè)面中的特定動(dòng)作。

示教中：執(zhí)行示教中。

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)：由馬達(dá)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)的運(yùn)算法則。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:對(duì)所有的數(shù)據(jù)都使用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。組間資料使用t進(jìn)行檢驗(yàn),計(jì)數(shù)資料則采用X2進(jìn)行檢驗(yàn)。差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

反向運(yùn)動(dòng)學(xué)：由世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到馬達(dá)坐標(biāo)的運(yùn)算法則。

2.2.2 PLC控制器

本設(shè)計(jì)選用的PL C型號(hào)是西門子S7-200系列，CPU型號(hào)為CPU 226，西門子S7-200具有很快的運(yùn)行速度。主要優(yōu)點(diǎn)是通訊能力強(qiáng)和生產(chǎn)能力強(qiáng)。西門子S7-200也可以是獨(dú)立的PLC或其他控制器的組合。這種類型的PLC輸入和輸出點(diǎn)分別為24個(gè)和16個(gè)。

2.2.3 Arduino控制板

Arduino模塊開(kāi)放所有的源碼，可根據(jù)用戶自身的需要修改程序。微處理器的成本低，可通過(guò)USB接口進(jìn)行供電。也可以使用外部5VDC輸入，而無(wú)需連接電源。Arduino通過(guò)各種傳感器感知環(huán)境的變化，可以控制各類傳感器，并反饋測(cè)試的信息。是一種可以在其他PC上運(yùn)行的軟件，可以相互進(jìn)行通信（例如Flash、Processing、MaxMSP）。

作為對(duì)“世界怎么了，我們?cè)趺崔k”的理論解答，人類命運(yùn)共同體有著其深層的思想資源。學(xué)術(shù)界主要從馬克思主義以及中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化兩個(gè)方面來(lái)解讀。

2.2.4 AI視覺(jué)傳感器

HuskyLens（中文名：哈士奇，或二哈）AI視覺(jué)傳感器擁有智能設(shè)計(jì)，采用AI芯片，內(nèi)置多種算法，只需一鍵操作，便可讓二哈識(shí)圖智能識(shí)別更多新事物。內(nèi)置強(qiáng)大機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，使其具有人臉識(shí)別、顏色識(shí)別、標(biāo)簽識(shí)別和物體識(shí)別和追蹤等能力，比普通傳感器更智能更強(qiáng)大。二哈識(shí)圖AI視覺(jué)傳感器自帶2.0寸IPS顯示屏，體積小巧，調(diào)參無(wú)需電腦輔助，本地處理所有算法直接輸出結(jié)果，識(shí)別率更高。

2.2.5 SYN6288語(yǔ)音模塊

為了實(shí)現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換，語(yǔ)音模塊選用了SYN6288，成本低，連接簡(jiǎn)單，其還支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；其語(yǔ)音合成效果的優(yōu)點(diǎn)是清晰、自然和準(zhǔn)確；每次合成的文本量最多可達(dá)200字節(jié)；最終產(chǎn)品提供SSOP貼片封裝形式，體積業(yè)內(nèi)最小。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分，分別為西門子S7-200 PLC核心控制器程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)、視覺(jué)傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)。

3.1 PLC梯形圖

本次程序設(shè)計(jì)的PLC軟件是專門為西門子S7-200 PLC開(kāi)發(fā)的STEP7-Micro/WIN編程軟件，采用梯形圖進(jìn)行編寫。

當(dāng)檢測(cè)到物體滿足要求時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1，常開(kāi)觸點(diǎn)I0.0接通，線圈Q0.0得電，并形成自鎖，機(jī)器人動(dòng)作。機(jī)器人每夾取一次，I0.2接通一次，計(jì)數(shù)器C

加1，當(dāng)累計(jì)到12次時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，并斷開(kāi)Q0.0線圈。部分程序如圖6所示。

3.2 機(jī)器人程序

歡顏機(jī)器人的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單、靈活，能讓使用者快速掌握。通過(guò)快速、直線、等I、設(shè)O等指令，完成機(jī)器人夾取任務(wù)。

為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，政府于1996年開(kāi)始在糧食主產(chǎn)區(qū)集中連片地建設(shè)“穩(wěn)定高產(chǎn)”的大型商品糧生產(chǎn)基地。

整個(gè)程序的編寫步驟如下：

MDA含量的測(cè)定采用Jin[8]等的方法。樣品組織用 10 mL 100 g/L三氯乙酸(TCA)溶液勻漿，4 ℃13000 r/min下離心30 min，在10 mL 試管中一次加入2 mL上清液、2 mL 0.67% TBA混勻，于沸水裕中20 min，冷卻，然后測(cè)定450 nm、560 nm和600 nm處吸光值。

快速指令讓機(jī)器人末端抓手快速到達(dá)物塊附近；慢速指令讓其慢慢逼近物塊，到達(dá)指定位置；等I指令等待夾取信號(hào)；設(shè)O指令讓抓手夾取物塊；快速指令讓機(jī)器人移動(dòng)到想要放置物塊的地點(diǎn)附近；慢速指令讓機(jī)器人慢慢將物塊放置帶傳送帶上。

3.3 視覺(jué)程序

視覺(jué)程序采用Mind+進(jìn)行程序的編寫，它提供簡(jiǎn)單的繪制工具，可以添加圖形、文字、顏色，拖動(dòng)圖形積木即可進(jìn)行編程。在程序編寫過(guò)程中，首先對(duì)二哈視覺(jué)模塊進(jìn)行設(shè)置，初始化引腳，然后通過(guò)編程把視覺(jué)模塊切換到顏色識(shí)別功能組，通過(guò)對(duì)視覺(jué)設(shè)置，將藍(lán)色設(shè)置為ID1，當(dāng)開(kāi)始工作時(shí)，視覺(jué)模塊請(qǐng)求一次數(shù)據(jù)存入結(jié)果中，通過(guò)比對(duì)，當(dāng)比對(duì)結(jié)果滿足條件時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)為檢測(cè)完成，執(zhí)行抓取，此時(shí)給數(shù)字引腳發(fā)送一個(gè)低電平，用于啟動(dòng)鏈接到PLC的線圈，當(dāng)結(jié)果不匹配時(shí)，播報(bào)為請(qǐng)放入分類物體，并給10引腳一個(gè)高電平，使得PLC不工作，就不執(zhí)行抓取，直到檢測(cè)到藍(lán)色物料，才執(zhí)行抓取。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)試、完善，本設(shè)計(jì)完成了AI視覺(jué)傳感器引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件的抓取，且性能穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。

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