應(yīng)用于化纖長(zhǎng)絲自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)

崔 正，王 勇，蔡 苗，周春旭，劉園園

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

2020年我國(guó)化纖總產(chǎn)量超6000萬(wàn)噸，占世界化纖總產(chǎn)量的70%，是我國(guó)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)。[1]然而我國(guó)化纖生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化程度較低，化纖行業(yè)裝備與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距?；w紡絲車間的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，噪音大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，落卷自動(dòng)化已經(jīng)成為化纖生產(chǎn)作業(yè)的必然趨勢(shì)。北自所研發(fā)的懸掛式自動(dòng)落卷機(jī)打破了進(jìn)口裝備的壟斷，可完全替代人工落卷作業(yè)，能夠很好地解決紡絲工人工作強(qiáng)度大，人工落卷降等率高，人為原因?qū)е碌漠a(chǎn)品批號(hào)混亂等問(wèn)題。保證自動(dòng)落卷機(jī)在化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)車間復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下高效、安全的工作是首要問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種適合的自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)方法就變得尤為重要。

1 選題依據(jù)

長(zhǎng)絲紡織車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖1所示，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空間小、雜物多、噪聲大?，F(xiàn)場(chǎng)紡絲工人需要在自動(dòng)落卷機(jī)運(yùn)行區(qū)域上進(jìn)行添加紙管、處理未能及時(shí)落卷的卷裝絲餅、進(jìn)行卷繞頭生頭等工作。自動(dòng)落卷機(jī)全天不間斷在車間中進(jìn)行落卷作業(yè)，垂直工作高度距地面10mm至1900mm，升降速度300mm/s；水平運(yùn)動(dòng)范圍貫穿整個(gè)長(zhǎng)絲生產(chǎn)車間，水平速度1200mm/s。現(xiàn)場(chǎng)人員、物品經(jīng)常處于自動(dòng)落卷機(jī)作業(yè)路徑上，造成落卷機(jī)避讓障礙停機(jī)且存在極大的安全隱患。為了避免發(fā)生安全事故，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)方法尤為重要。

圖1 長(zhǎng)絲生產(chǎn)車間環(huán)境

因生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空間狹小且嚴(yán)重妨礙人工操作，傳統(tǒng)的安裝防護(hù)欄隔離落卷通道和人員的方法并不適用，因此必須為自動(dòng)落卷機(jī)設(shè)置主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)需要選用合適的環(huán)境檢測(cè)裝置，一般的光電傳感器和機(jī)械行程開(kāi)關(guān)是一維檢測(cè)且探測(cè)距離短并不適合高速運(yùn)行的自動(dòng)落卷機(jī)。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于懸掛式自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)方法，通過(guò)采用激光掃描雷達(dá)的二維環(huán)境檢測(cè)防護(hù)方法和基于機(jī)器視覺(jué)的三維環(huán)境檢測(cè)防護(hù)方法相結(jié)合，為用戶提供了一種有效的自主安全解決方案。

2 基于激光掃描的自動(dòng)落卷機(jī)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 激光掃描二維環(huán)境檢測(cè)原理

如圖2所示，激光掃描儀根據(jù)光的飛行時(shí)間測(cè)量距離。激光掃描儀會(huì)發(fā)射激光脈沖，同時(shí)會(huì)啟用激光掃描儀內(nèi)部電子秒表，如果前方有物體遮擋就會(huì)將光脈沖反射回來(lái)并被激光掃描儀接收，根據(jù)發(fā)射和返回激光的時(shí)差Δt就可以計(jì)算出距離物體的距離[2]。如圖3所示，激光掃描儀中還有一面鏡子在勻速旋轉(zhuǎn)，可以向設(shè)備周圍均勻發(fā)射激光脈沖，市面上一般的激光掃描設(shè)備發(fā)射脈沖的角分辨率可以達(dá)到0.5°①，測(cè)量半徑最大為7m，最小分辨率為30mm②。因此激光掃描儀是二維環(huán)境檢測(cè)裝置，其具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)平面范圍大的特點(diǎn)，可以作用于自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

圖2 激光掃描儀測(cè)距原理圖

圖3 激光掃描儀二維環(huán)境檢測(cè)原理圖

2.2 激光安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，兩臺(tái)激光掃描設(shè)備安裝在自動(dòng)落卷機(jī)水平運(yùn)行方向的底部，均為倒置安裝，檢測(cè)高度為150mm，用于檢測(cè)人體腳踝及地面障礙物。

圖4 激光掃描設(shè)備的安裝位置

為了避免因激光掃描設(shè)備設(shè)置區(qū)域出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO關(guān)于激光掃描設(shè)備的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，規(guī)定應(yīng)用在自動(dòng)落卷機(jī)的激光掃描設(shè)備最小保護(hù)范圍的長(zhǎng)度為1442mm；最小保護(hù)范圍寬度為3000mm。

2.3 激光掃描設(shè)備的硬件設(shè)置

激光掃描設(shè)備用于自動(dòng)落卷機(jī)的環(huán)境檢測(cè)還需要對(duì)其進(jìn)行硬件配置，以便更好的與自動(dòng)落卷機(jī)配合，保障自動(dòng)落卷的安全、高效。

如圖5所示，市面上的激光掃描儀一般都具有多個(gè)安全防護(hù)區(qū)輸出接口，工程項(xiàng)目中，為了減少不必要的停車，提高落卷效率，一般設(shè)置兩個(gè)防護(hù)區(qū)即減速區(qū)和停止區(qū)。設(shè)置減速區(qū)不僅避免了自動(dòng)落卷機(jī)因急剎車導(dǎo)致卷裝損壞，而且減少了停車次數(shù)保證落卷效率。設(shè)置停止區(qū)保障了在人員突然接近落卷機(jī)情況下設(shè)備能及時(shí)停機(jī)。適配自動(dòng)落卷機(jī)的激光掃描設(shè)備的參數(shù)：減速區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)度3000mm，寬度左右各1600mm；停止區(qū)域設(shè)置為長(zhǎng)度1500mm，左右寬度各1500mm。

圖5 保護(hù)區(qū)域圖示

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同也可以利用激光掃描設(shè)備的部的監(jiān)控器，根據(jù)水平電機(jī)行駛速度來(lái)動(dòng)態(tài)切換保護(hù)區(qū)域范圍。激光掃描設(shè)備有兩個(gè)動(dòng)態(tài)輸入接口，通過(guò)連接水平電機(jī)減速機(jī)的增量式編碼器來(lái)確定行駛速度機(jī)行駛的方向和速度。兩個(gè)動(dòng)態(tài)輸入接口一個(gè)連接增量式傳感器的0/90°相序輸出接口，另一個(gè)連接編碼器脈沖輸出接口。懸掛式自動(dòng)落卷機(jī)水平伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周增量式編碼器發(fā)出1000次脈沖，水平行使22mm，即每厘米脈沖為455。配置完成每厘米脈沖和保護(hù)區(qū)域后，激光掃描設(shè)備就可以根據(jù)行駛速度來(lái)切換保護(hù)區(qū)，使得自動(dòng)落卷機(jī)的運(yùn)行更高效可靠。

另外，激光掃描設(shè)備需要設(shè)置自動(dòng)復(fù)位模式。在因探測(cè)到障礙物導(dǎo)致自動(dòng)落卷機(jī)停車情況下，移除障礙物后激光掃描設(shè)備能自動(dòng)將輸出正常信號(hào)，不需要手動(dòng)復(fù)位從而保障操作工人的安全、減少停機(jī)時(shí)間。

基于激光掃描的自動(dòng)落卷機(jī)安全防護(hù)設(shè)計(jì)雖然配置和安裝簡(jiǎn)便，但其平面檢測(cè)僅檢測(cè)人的腳部會(huì)存在盲區(qū)，例如當(dāng)人員在保護(hù)區(qū)域外彎腰低頭時(shí)雖然激光掃描設(shè)備未檢測(cè)到危險(xiǎn)，但人體已經(jīng)在危險(xiǎn)區(qū)域。另外由于紡絲車間現(xiàn)場(chǎng)廢絲較多，激光掃描設(shè)備容易產(chǎn)生誤信號(hào)，增加自動(dòng)落卷機(jī)的停車時(shí)間，影響落卷效率。使用機(jī)器視覺(jué)的方法對(duì)自動(dòng)落卷機(jī)進(jìn)行三維的運(yùn)行環(huán)境檢測(cè)，可以有效避免因視野盲區(qū)帶來(lái)的安全事故，減少誤信號(hào)的產(chǎn)生，提高自動(dòng)落卷機(jī)的可靠性。

3 基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)落卷機(jī)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由含有2個(gè)相機(jī)的視覺(jué)模塊、高性能工控機(jī)、通訊模塊組成。自動(dòng)落卷機(jī)運(yùn)行環(huán)境的障礙物主要是人員、絲車、紙管等，為了減少計(jì)算量，加快工控機(jī)的圖像處理速度，使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)自動(dòng)落卷機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，減少圖片中的像素點(diǎn)。隨后進(jìn)行雙目立體視覺(jué)計(jì)算距離數(shù)據(jù)，控制自動(dòng)落卷機(jī)減速或緊急停車。本設(shè)計(jì)使用雙目相機(jī)中的靠近空地的相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，識(shí)別出障礙物的邊框和中心點(diǎn)，對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行雙目視覺(jué)測(cè)距。

3.1.1 目標(biāo)檢測(cè)

使用基于深度學(xué)習(xí)的YOLO算法（You Only Look Once）對(duì)自動(dòng)落卷機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)[3]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。YOLO將圖片數(shù)據(jù)劃分成7×7的網(wǎng)格并對(duì)每個(gè)網(wǎng)格預(yù)測(cè)出3個(gè)障礙物邊框和每個(gè)邊框的位置信息、置信度，在預(yù)測(cè)出的7×7×3個(gè)邊框中去除置信度低于閾值的邊框，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練。

圖6 YOLO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對(duì)落卷車間的人員、絲車、紙管等障礙物進(jìn)行不同角度的圖像采集，并標(biāo)注每張圖片中所有障礙物的類別，制作適合深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)集。將圖像數(shù)據(jù)集輸入圖6所示的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行訓(xùn)練。50000輪的訓(xùn)練后將算法模型部署到工控機(jī)上，使用測(cè)試圖片驗(yàn)證算法模型的識(shí)別準(zhǔn)確度。若準(zhǔn)確度不足，則改變參數(shù)重新進(jìn)行訓(xùn)練，直至能夠準(zhǔn)確識(shí)別出障礙物，如圖7所示。

圖7 目標(biāo)檢測(cè)效果

YOLO目標(biāo)檢測(cè)算法是基于目標(biāo)回歸的檢測(cè)算法屬于一階檢測(cè)算法，可以直接對(duì)特征值進(jìn)行提取、分類，實(shí)現(xiàn)圖像由輸入到輸出快速檢測(cè)。該算法處理圖像速度最快可達(dá)45FPS，具有很好的實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落卷機(jī)目標(biāo)檢測(cè)采樣頻率高的要求。

3.1.2 雙目立體視覺(jué)測(cè)距

目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別出障礙物類別后，使用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)障礙物中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距。雙目立體視覺(jué)測(cè)距技術(shù)是利用物體的在二維平面的投影重構(gòu)三維物體，兩臺(tái)不同位置角度的高清相機(jī)拍攝同一物體，使用三角測(cè)量的方法計(jì)算空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩張像素點(diǎn)之間的視差得到實(shí)際距離[4]。

如圖8所示，左右兩臺(tái)相機(jī)對(duì)應(yīng)參數(shù)分別用l，r表示，在左右相機(jī)成像面C1，Cr上，世界坐標(biāo)系上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)A(x，y，z)在兩臺(tái)相機(jī)的成像點(diǎn)為al(ul，vl)，ar(ur，vr)，A點(diǎn)為兩相機(jī)的光心與成像點(diǎn)連線Olal，Orar的交點(diǎn)[5]。

圖8 雙目立體視覺(jué)測(cè)距原理

空間點(diǎn)A(x，y，z)在兩成像面的投影變換矩陣為Ml，Mr，狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系可得：

其中，(ul，vl，1)T為al在左成像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；(ur，vr，1)T為ar在右成像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；(x，y，z,1)T為A點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)。

變換矩陣Ml，Mr表示為：

將Ml，Mr代入到式(1)、式(2)中，使用最小二乘法解得A矩陣為：

求得A點(diǎn)距世界坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為：

3.1.3 工作流程

如圖9所示，環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)與自動(dòng)落卷機(jī)同步工作，視覺(jué)模塊開(kāi)機(jī)后對(duì)視場(chǎng)空間內(nèi)的物體進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。若檢測(cè)到人、絲車、紙管等障礙物，則進(jìn)行雙目視覺(jué)測(cè)距，否則繼續(xù)掃描不進(jìn)行測(cè)距。相機(jī)對(duì)障礙物進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)后，若人或物體距自動(dòng)落卷機(jī)1.5m之外，發(fā)給自動(dòng)落卷機(jī)正常工作信號(hào)；若距離在1.0～1.5m范圍內(nèi)，則發(fā)送減速信號(hào)；若距離小于1.0m則發(fā)送停車信號(hào)。后兩種情況記錄安全日志，并保存從安全事件發(fā)生之前最后一組正常工作狀態(tài)直到恢復(fù)正常狀態(tài)或停機(jī)之間的原始圖像數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)用于安全事故調(diào)查和效率統(tǒng)計(jì)。

圖9 機(jī)器視覺(jué)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

3.2 機(jī)器視覺(jué)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了全方位保護(hù)自動(dòng)落卷機(jī)的安全可靠，在其4個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上均布置雙目視覺(jué)模塊。為保證計(jì)算機(jī)傳輸檢測(cè)結(jié)果（即正常行駛、減速、停車信號(hào)）的實(shí)時(shí)性，在算法方面采用多線程編程方式，與自動(dòng)落筒設(shè)備通訊模塊采用硬接點(diǎn)通訊。另外系統(tǒng)自身有相機(jī)故障檢測(cè)及報(bào)警功能，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)或相機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，立即向設(shè)備發(fā)送停止給信，并發(fā)送故障信息代碼。

現(xiàn)場(chǎng)紙箱、推車等雜物的高度通常不大于1m，而現(xiàn)場(chǎng)人員的身高在1.5m以上，為了在安裝高度有限的情況下檢測(cè)到靠近自動(dòng)落卷機(jī)的人體、雜物等，相機(jī)和鏡頭組合必須具有足夠大的視場(chǎng)角。使用的雙目視覺(jué)模塊其圖像寬度方向的視場(chǎng)角約為82.9°，圖像高度方向的視場(chǎng)角約為66.5°。

3.2.1 水平運(yùn)動(dòng)方向設(shè)計(jì)

與二維環(huán)境檢測(cè)相同，為保證運(yùn)行效率，在水平方向上設(shè)置2條檢測(cè)線，1m停車線和1.5m減速線。

側(cè)視視角的安裝與視野情況如圖10所示，水平方向的雙目視覺(jué)模塊安裝在自動(dòng)落卷機(jī)機(jī)柜頂部，距地面約2.0m，為調(diào)試方便另一側(cè)也安裝在同一高度。調(diào)整模塊使其視野上界與地面平行，此時(shí)最近拍攝距離距自動(dòng)落卷機(jī)0.87m，光軸與地面交點(diǎn)水平距離約3m。

圖10 安裝與視野范圍側(cè)視圖

俯視視角的安裝與視野情況如圖11所示，地面上，最近拍攝距離0.87m處的視野寬度可達(dá)3.3m，減少了軌道兩側(cè)的檢測(cè)盲區(qū)。2.0m高度位置在近距離位置的視野寬度略小，但前方1.5m處視野寬度已經(jīng)超過(guò)2.0m，基本覆蓋兩側(cè)安全界線之間的范圍。

圖11 安裝與視野范圍俯視圖

安裝整體工況如圖12所示。

圖12 水平安裝工況展示圖

3.2.2 橫移作業(yè)方向設(shè)計(jì)

在側(cè)面作業(yè)區(qū)域進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)主要是因?yàn)榇藚^(qū)域空間狹小，又有人員交叉作業(yè)，容易發(fā)生安全事故。自動(dòng)落卷機(jī)在工作時(shí)，與卷繞設(shè)備之間最小只有100mm的間隙，落卷平臺(tái)下降的最低位置與地面只有50mm的距離。工人在工作時(shí)，會(huì)從側(cè)面將身體上半部位會(huì)伸出到落卷平臺(tái)下方，而下半部分還在安全區(qū)域內(nèi)，因此對(duì)落卷平臺(tái)下方的檢測(cè)尤為重要。

在落卷平臺(tái)下方雙目視覺(jué)模塊，使其跟隨落卷平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)升降平臺(tái)下方整個(gè)空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，確保設(shè)備和人員生命安全。雙目視覺(jué)模塊的安裝如圖13所示。

圖13 側(cè)向安裝工況展示圖

4 自動(dòng)落卷機(jī)PLC適配程序

結(jié)合上文與工程經(jīng)驗(yàn)，為使兩種環(huán)境檢測(cè)設(shè)備最大程度適配懸掛式自動(dòng)落卷機(jī)，還需要對(duì)落卷機(jī)PLC進(jìn)行應(yīng)用編程。本文設(shè)計(jì)的兩種自動(dòng)落卷機(jī)環(huán)境檢測(cè)方法的輸出信號(hào)在PLC端均為兩個(gè)24V常閉輸入點(diǎn)，保證了PLC適配程序的通用性。

如圖14所示的水平前進(jìn)方向環(huán)境檢測(cè)設(shè)備的PLC適配程序。當(dāng)有停止信號(hào)收入時(shí)，自動(dòng)落卷機(jī)停止水平運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)；當(dāng)減速信號(hào)輸入時(shí)，設(shè)置水平運(yùn)動(dòng)速度為300mm/s；當(dāng)自動(dòng)落卷機(jī)檢測(cè)到障礙物時(shí)，其減速度由正常情況下的300mm/s2變?yōu)?00mm/s2，減小停車距離。

圖14 適配程序

在實(shí)際項(xiàng)目中，自動(dòng)落卷機(jī)還裝有聲光報(bào)警設(shè)備，在其水平行走和垂直升降時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行安全提醒，最大限度保障運(yùn)行安全。自動(dòng)落卷機(jī)的安全防護(hù)裝置是保障其安全工作的最重要的設(shè)備，因此在實(shí)際調(diào)試時(shí)必須先確保安全防護(hù)裝置和適配程序的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)原理、安裝方式、硬件配置、工作流程和PLC的適配程序等方面介紹了一種自動(dòng)落卷機(jī)的主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)，可以很好的適配自動(dòng)落卷機(jī)的工作環(huán)境，保證其在復(fù)雜環(huán)境下安全、高效地工作。在實(shí)際應(yīng)用中，基于機(jī)器視覺(jué)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)可以有效避免自動(dòng)落卷機(jī)因地面細(xì)小雜物而停機(jī)的問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)其較激光掃描設(shè)備可以減少5%的停機(jī)時(shí)間。但基于激光掃描技術(shù)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)因其安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)目前還不能完全被基于機(jī)器視覺(jué)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)替代，出于安全考慮可作為輔助安全系統(tǒng)進(jìn)行最后的安全保障。本文的安全防護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)穩(wěn)定應(yīng)用在北自科技的自動(dòng)落卷項(xiàng)目中，未來(lái)改進(jìn)后也可用于穿梭車、AGV、堆垛機(jī)等物流設(shè)備的安全防護(hù)。