基于機(jī)器視覺的六自由度機(jī)械臂分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的依靠勞動(dòng)力進(jìn)行流水線分揀的工作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到社會(huì)和企業(yè)的發(fā)展需求，而且基于人工分揀作業(yè)依靠的主觀因素過多，往往會(huì)使工作狀態(tài)起伏不定，最主要的是人工效率低下

，所以近些年來工業(yè)上開始選用傳統(tǒng)的機(jī)械臂進(jìn)行分揀，但是傳統(tǒng)機(jī)械臂進(jìn)行分揀時(shí)往往需要提前規(guī)劃好路徑和抓取的方向，最主要的是機(jī)械手不具備識(shí)別的功能，在工件混合放置的時(shí)候無法識(shí)別出特定的工件，但是機(jī)器視覺的提出很大程度上解決了這個(gè)問題，機(jī)器視覺主要依靠自身的自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)

，可以解決人工作業(yè)中難以處理的問題，在大批量生產(chǎn)工作中，可以使用機(jī)器視覺檢測和機(jī)器人技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工分揀工作，這樣不僅可以減少人為重復(fù)的工作，最主要的是可以提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度

。故而本文提出一種基于機(jī)器視覺的六自由度機(jī)械臂快速分揀碼垛系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)的搭建和軟件系統(tǒng)的編寫與優(yōu)化。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是模擬流水線的分揀碼垛過程，其主要依靠傳送帶傳送物料，當(dāng)物料到達(dá)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，工業(yè)相機(jī)開啟，進(jìn)行圖像采集，然后將采集到的圖像發(fā)送到LabVIEW上位機(jī)當(dāng)中，通過模式匹配來進(jìn)行物料的識(shí)別與定位，然后將識(shí)別出的中心位置坐標(biāo)進(jìn)行逆解，進(jìn)而確定機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，將計(jì)算出的角度發(fā)送到Arduino下位機(jī)進(jìn)行機(jī)械臂的抓取，然后再根據(jù)不同物料叉車事先放置的位置進(jìn)行逆解，將逆解結(jié)果再次發(fā)送給下位機(jī)進(jìn)行物料的碼垛，完成分揀過程。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件的選取與搭建

2.1 圖像采集設(shè)備

圖像采集設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，因此硬件的選型尤為重要，工業(yè)相機(jī)是本系統(tǒng)的重要組成部分，其主要工作原理通過A/D轉(zhuǎn)換將圖像信息存入到存儲(chǔ)器當(dāng)中

，而鏡頭堪比人眼睛中的晶狀體，決定了圖像采集過程中的成像質(zhì)量，同時(shí)光源的選取也同樣重要，合理的照明方案可以突出視場中的目標(biāo)圖像，降低算法的難度，本系統(tǒng)所選取的圖像采集硬件均來自于杭州?？禉C(jī)器人技術(shù)有限公司，由于此系統(tǒng)是基于彩色圖像進(jìn)行分揀，因此相機(jī)選取的是MV-CA050-10GC彩色相機(jī)，鏡頭焦距為12mm，為了更好起到均勻性的效果，光源選取的是面光，需要注意的是光源需搭配光源控制器一同使用。

2.2 機(jī)械臂

本系統(tǒng)機(jī)械臂所選用的是幻爾科技有限公司生產(chǎn)的LeArm機(jī)械臂，機(jī)身采用全鋁合金，整套機(jī)械臂一共使用了6個(gè)高精度數(shù)字舵機(jī)，使其具有六個(gè)自由度。爪子部分使用的是具有防堵轉(zhuǎn)功能的LDX-335MG標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字舵機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)超過4分鐘時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作

。接下來兩個(gè)舵機(jī)是LFD-06防堵轉(zhuǎn)低功耗的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字舵機(jī)。在云臺(tái)上面的兩個(gè)舵機(jī)是LDX-218高精度的雙軸數(shù)字舵機(jī)。最后底座上的舵機(jī)采用大扭力的LD-1501MG大扭矩舵機(jī)

，它能旋轉(zhuǎn)180°?？刂破鬟x用的是Arduino UNO板卡，這種板卡適合于初學(xué)者使用，便捷靈活，最主要的是可以增加開發(fā)效率，該機(jī)械臂提供了上位機(jī)和手機(jī)APP多種控制方式，而且內(nèi)置強(qiáng)大的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)操作，使夾取動(dòng)作精準(zhǔn)，并且支持多臺(tái)協(xié)作，搭建好的分揀系統(tǒng)如圖2所示。

利用T-text分析不同學(xué)制的研究生對(duì)于初級(jí)知識(shí)、中級(jí)知識(shí)、高級(jí)知識(shí)、初級(jí)技能、中級(jí)技能、高級(jí)技能、態(tài)度的差異情況，經(jīng)過分析，不同學(xué)制研究生對(duì)于初級(jí)知識(shí)、中級(jí)知識(shí)、高級(jí)知識(shí)、初級(jí)技能、中級(jí)技能、高級(jí)技能、態(tài)度因素的P值均大于0.05，沒有顯著性差異。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，標(biāo)定問題主要涉及兩個(gè)方面即攝像機(jī)的標(biāo)定和分揀系統(tǒng)的標(biāo)定。攝像機(jī)標(biāo)定主要是為了建立像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后確定圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置與坐標(biāo)軸方向，進(jìn)而才能得出目標(biāo)物體的中心坐標(biāo)，由此得出的坐標(biāo)才可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解計(jì)算。

3.2 舵機(jī)的控制

工科新教師培訓(xùn)動(dòng)機(jī)缺失的直接結(jié)果是：不能夠?qū)W(xué)科知識(shí)有效轉(zhuǎn)化為課程知識(shí)，不能夠?qū)⒄n程知識(shí)與工程經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，不能夠?qū)⒔虒W(xué)知識(shí)內(nèi)化為教育思想或教育理念，不能夠?qū)⒙牎⒄f、讀、寫、交流等基本能力轉(zhuǎn)化為教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)組織與實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)的能力等。

3.3 相機(jī)快速標(biāo)定算法的設(shè)計(jì)

本文主要選取LabVIEW進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，LabVIEW集成了數(shù)千款硬件設(shè)備，能通過直接使用大量內(nèi)置函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)高級(jí)處理

，做到與硬件設(shè)備的無縫銜接，而且針對(duì)Arduino板卡，NI公司專門推出LabVIEW Interface for Arduino工具包控制Arduino板卡的I/O數(shù)據(jù)的輸入與輸出，增加了編程過程的可視化，最主要的是此工具包增加了Arduino控制卡的功能，使其可以進(jìn)行更多復(fù)雜的操作，而且NI Vision Development Module工具包集成了數(shù)百種機(jī)器視覺函數(shù)，幾乎覆蓋了機(jī)器視覺開發(fā)的各個(gè)方面，使機(jī)器視覺變得簡單易操作，最主要是的LabVIEW可以與MATLAB進(jìn)行混合編程，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以完成算法上的突破，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度。

在本系統(tǒng)中將六個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)采取并聯(lián)的連接方式，將六個(gè)舵機(jī)的控制程序?qū)懗梢粋€(gè)子程序即可，這樣可以占用更小的內(nèi)存，加快運(yùn)行速度，在調(diào)用的時(shí)候只需要改變輸入?yún)?shù)即可。舵機(jī)采取的是PWM信號(hào)進(jìn)行控制的方式，可以通過改變輸入的角度進(jìn)而改變機(jī)械臂的姿態(tài)，使其完成各種操作。LabVIEW Interface for Arduino的舵機(jī)函數(shù)庫使得Arduino編程變得更加簡單，只需要選擇好每個(gè)舵機(jī)與控制卡的接口對(duì)應(yīng)關(guān)系即可，在程序運(yùn)行的一開始需要初始化舵機(jī)，即使機(jī)械臂保持直立狀態(tài)，因此僅需要在子VI的六個(gè)關(guān)節(jié)輸入中輸入九十即可。

在LabVIEW中先進(jìn)行簡單標(biāo)定取兩個(gè)已知點(diǎn)將真實(shí)距離與像素距離進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后選取圖像的左上角點(diǎn)為圖像原點(diǎn)即可完成攝像機(jī)的標(biāo)定。而分揀系統(tǒng)的標(biāo)定主要是指機(jī)械臂坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，采用的快速算法如圖3所示，將機(jī)械臂置于視場中的某一已知點(diǎn)，其原點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)于圖像坐標(biāo)系為o(Xo，Yo)，設(shè)平面中任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)為(Xp，Yp)，那么在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xp，yp)，則xp=-(Xo-Xp)，yp=(Yo-Yp)，由于工件始終在同一平面運(yùn)動(dòng)故Z軸始終不變。

開展小組競賽促進(jìn)學(xué)習(xí)趕超 采用小組日記比賽的形式提高寫作興趣。一周內(nèi)小組成員輪流寫一篇日記，我每天批閱打分，算出均分公布，表揚(yáng)前三名。為了小組榮譽(yù)，每位組長都不遺余力為小組成員的日記修改潤色，力爭全體進(jìn)步。我堅(jiān)持選日記好的朗讀，分析表揚(yáng)。小組成績捆綁在一起，各成員十分關(guān)注個(gè)人寫作成績，寫作氣氛濃厚。

3.4 彩色模式匹配和工件的定位

本系統(tǒng)主要是基于不同的顏色來進(jìn)行分揀與碼垛，主要是用到的是彩色模式匹配，彩色模式匹配主要是基于目標(biāo)圖像的色彩和空間分布特征來進(jìn)行識(shí)別

，通過學(xué)習(xí)模板圖像的色彩信息來快速定位目標(biāo)圖像的中心位置坐標(biāo)，它不僅能輸出與色彩模板相匹配的圖像區(qū)域個(gè)數(shù)，還能提供其在圖像中的準(zhǔn)確位置和角度信息。一般來說，若要在待測對(duì)象與背景間的顏色區(qū)別非常明顯的情況下精確定位待測對(duì)象的位置，或者待測對(duì)象的灰度特征較難描述或與其他對(duì)象的灰度特征較類似的情況下，彩色模式匹配具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。本系統(tǒng)主要選取不同顏色的25mm×25mm×25mm的方塊來模擬不同的物料。在程序的一開始需要先讀取模板圖像，對(duì)模板的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行配置，在學(xué)習(xí)的過程中不僅要學(xué)習(xí)模板的顏色和形狀信息，還用同時(shí)對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)保持不變性，然后對(duì)彩色模式匹配過程進(jìn)行配置，最后根據(jù)相機(jī)獲取到的圖像，定位出目標(biāo)圖像的位置，然后導(dǎo)出目標(biāo)圖像的坐標(biāo)位置到MathScript節(jié)點(diǎn)當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解

3.5 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求取及各關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)角度的確定

?Prasenjit Duara，Why is History Antitheoretical?Modern China，Vol．24，No．2．Symposium:Theory and Practice in Modern Chinese History Research．Paradigmatic Issues in Chinese Studies，Part V(Apr．，1998)，pp．105 ～120．

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在此系統(tǒng)中，模擬物料叉車的位置如圖5所示，首先根據(jù)模擬物料叉車的位置先計(jì)算出不同物料放置時(shí)各個(gè)舵機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度，將此角度寫入舵機(jī)子程序中，然后將機(jī)械臂初始化，使機(jī)械臂保持直立狀態(tài)。然后打開相機(jī)，進(jìn)行圖片采集，然后對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析，根據(jù)不同的模板，分析目標(biāo)的顏色并找到目標(biāo)圖像的位置，將位置坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，逆解后算出來的角度發(fā)送發(fā)送到舵機(jī)子程序中進(jìn)行機(jī)械臂的抓取，抓取過程如圖6所示，然后根據(jù)相機(jī)識(shí)別的物料結(jié)果進(jìn)行放置，放置不同的物料叉車上調(diào)用不同的舵機(jī)子程序，放置過程如圖7所示。

5 結(jié)束語

本文圍繞基于機(jī)器視覺的六自由度機(jī)械臂分揀系統(tǒng)進(jìn)行研究，在機(jī)械臂逆解過程中，通過簡化模型，進(jìn)而簡化逆解的求取過程，使機(jī)械臂的逆解更加簡潔明了。在Arduino控制中，舍棄了傳統(tǒng)的基于C語言編程的方法，簡化為圖形化的LabVIEW編程方法，使得編程過程更加可視化。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的快速性與準(zhǔn)確性，進(jìn)行了模擬流水線的搭建，結(jié)果表明，基于不同顏色的分揀系統(tǒng)物料識(shí)別與分揀的成功率為100%，時(shí)間為2.5s，能夠滿足物料分類的操作要求，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)分揀具有較好的參考價(jià)值。

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