基于機(jī)器視覺的物料分揀裝置設(shè)計(jì)與制作＊

郭 鶴，常修源

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

機(jī)器視覺目前正被廣泛運(yùn)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，它使機(jī)器更加智能化，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展也起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用[1]。目前，對(duì)于不同形狀和顏色的產(chǎn)品分揀工作多通過(guò)人工進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了改變這一現(xiàn)狀，許多學(xué)者對(duì)自動(dòng)分揀方法進(jìn)行了研究。張亞婉等[2]設(shè)計(jì)了一種以ARM單片機(jī)為核心、利用OpenMV對(duì)物料進(jìn)行分析與識(shí)別的物料分揀機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的智能化分揀；李橙等[3]利用激光視覺主動(dòng)成像技術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人完成分揀任務(wù)；鄒子杰等[4]采用機(jī)器視覺對(duì)加油口進(jìn)行特征識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加油機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。目前的分揀機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)分揀工作自動(dòng)化，但對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)非接觸啟動(dòng)，針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的物料分揀裝置，能夠?qū)Σ煌螤?、顏色的物料進(jìn)行自動(dòng)化分揀，并可通過(guò)手勢(shì)識(shí)別實(shí)現(xiàn)裝置的非接觸啟動(dòng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題所需分揀的物料分為紅、綠、藍(lán)、黑4種顏色，形狀分為等邊三角形和正方形2種，其中等邊三角形物料邊長(zhǎng)為30 mm，正方形物料邊長(zhǎng)為20 mm，所有物料厚度均為5 mm，物料材料為亞克力。根據(jù)物料規(guī)格，設(shè)計(jì)了分揀裝置結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)的分揀裝置結(jié)構(gòu)主要由攝像頭、工作臺(tái)、抓取機(jī)構(gòu)、十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)組成。裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。物料分揀工作在分揀裝置的工作臺(tái)上進(jìn)行，同時(shí)工作臺(tái)還作為整個(gè)裝置的底座，十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和攝像頭均被固定在工作臺(tái)上。

圖1 物料分揀裝置結(jié)構(gòu)示意圖

十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)由滑塊、步進(jìn)電機(jī)、光杠、同步帶及帶輪組成。物料抓取機(jī)構(gòu)安裝在十字滑塊機(jī)構(gòu)的末端。十字滑塊機(jī)構(gòu)采用CoreXY結(jié)構(gòu)，兩步進(jìn)電機(jī)被固定在工作臺(tái)上，滑塊以固定在型材上的2根橫向光杠為導(dǎo)軌，可相對(duì)于工作臺(tái)進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，抓取機(jī)構(gòu)安裝在2根穿過(guò)滑塊的縱向光杠上，光杠與滑塊之間采用直線軸承連接，使縱向光杠可相對(duì)于滑塊做縱向運(yùn)動(dòng)。抓取機(jī)構(gòu)相對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)提供，當(dāng)兩步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同轉(zhuǎn)向相反時(shí)，抓取機(jī)構(gòu)相對(duì)于工作臺(tái)進(jìn)行縱向移動(dòng)，當(dāng)兩步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同且轉(zhuǎn)向相同時(shí)，抓取機(jī)構(gòu)相對(duì)于工作臺(tái)進(jìn)行橫向移動(dòng)。通過(guò)控制兩步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角就能控制抓取機(jī)構(gòu)的位置和移動(dòng)速度。

抓取機(jī)構(gòu)由豎向?qū)к墶⒒瑝K、吸盤、舵機(jī)及連桿組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。豎向?qū)к壓投鏅C(jī)被固定在面板上，滑塊被安裝在導(dǎo)軌上，可相對(duì)于導(dǎo)軌進(jìn)行豎向運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)通過(guò)連桿與滑塊相連，而吸盤則被固定在滑塊上，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿-滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為吸盤的豎向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)角即可控制吸盤在豎向上的抓取和放置動(dòng)作。

圖2 抓取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)的分揀裝置控制系統(tǒng)由攝像頭、機(jī)器視覺系統(tǒng)、上位機(jī)、ARM單片機(jī)和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

攝像頭采集物料及手勢(shì)圖像，并傳送到機(jī)器視覺系統(tǒng)，通過(guò)視覺算法識(shí)別圖像內(nèi)容，通過(guò)TCP通信協(xié)議將圖像信息傳送至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)人機(jī)交互界面顯示物料信息，并將分揀信號(hào)通過(guò)串口通信協(xié)議傳送至ARM單片機(jī)，最終由單片機(jī)控制抓取機(jī)構(gòu)和吸盤動(dòng)作實(shí)現(xiàn)物料的抓取和放置[5]。

2.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)采用藍(lán)天科技LT-USB1080P攝像頭采集圖像，其參數(shù)如表1所示。機(jī)器視覺系統(tǒng)算法由手勢(shì)識(shí)別、形狀識(shí)別與顏色識(shí)別3部分組成。

表1 攝像頭參數(shù)

2.2.1 手勢(shì)識(shí)別

考慮到在某些特定場(chǎng)合中分揀裝置需要采用非接觸方式啟動(dòng)，為確保操作人員安全避免誤啟動(dòng)，本設(shè)計(jì)添加了手勢(shì)識(shí)別功能以控制分揀裝置非接觸啟動(dòng)。

設(shè)計(jì)采用谷歌MediaPipe框架進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別，該算法利用機(jī)器學(xué)習(xí)可推算出手部21個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)信息，通過(guò)判斷這21個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位姿計(jì)算出手勢(shì)，當(dāng)手部被部分遮擋時(shí)，該算法仍能推算出手勢(shì)信息，具有較好的魯棒性[6-7]。手勢(shì)識(shí)別效果圖如圖4所示。

圖4 手勢(shì)識(shí)別效果圖

2.2.2 形狀與顏色識(shí)別

設(shè)計(jì)的分揀裝置視覺系統(tǒng)首先對(duì)物料形狀進(jìn)行識(shí)別，再進(jìn)行顏色識(shí)別，最終得出物料規(guī)格信息。在進(jìn)行形狀識(shí)別時(shí)，采用Canny算子進(jìn)行物料邊緣檢測(cè)[8]，首先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，采用高斯濾波算法消除圖像中的干擾，利用Sobel算子計(jì)算像素點(diǎn)的梯度幅值和方向，采用非極大值抑制得到二值圖像，其中非邊緣點(diǎn)灰度為0，而可能為邊緣的點(diǎn)的灰度值為255，最后利用雙閾值篩選出最接近邊緣的點(diǎn)并得到最終邊緣圖像。在得到的邊緣圖像中進(jìn)行輪廓查找，將得到的輪廓信息進(jìn)行多變形擬合，通過(guò)判斷擬合后圖像的交點(diǎn)確定物料的形狀。

設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)以圖像的HSV模型為基礎(chǔ)對(duì)物料進(jìn)行顏色識(shí)別。首先將拍攝RGB模型圖像轉(zhuǎn)化為HSV模型，設(shè)K1=max（r，g，b），K2=min（r，g，b），轉(zhuǎn)換公式如下：

通過(guò)判斷每個(gè)形狀中心點(diǎn)的HSV值，判斷該物料顏色，設(shè)中心點(diǎn)的H值為color[0]，S值為color[1]，V值為color[2]，則算法如下：

2.3 上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

采用Visual Studio 2013軟件搭建分揀裝置人機(jī)交互界面。通過(guò)人機(jī)交互界面可設(shè)置上位機(jī)與ARM單片機(jī)的串口通訊參數(shù)，并可實(shí)時(shí)顯示識(shí)別的物料規(guī)格和數(shù)量。設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互界面

2.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的物料分揀裝置的單片機(jī)控制系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，通過(guò)串口協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，并通過(guò)Ⅰ/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)及電磁閥的控制。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)電路由CPU模塊、Type_C接口模塊、穩(wěn)壓電源模塊、接口模塊、限位傳感器模塊等組成。PCB板仿真圖如圖6所示。

圖6 PCB板仿真圖

3 樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)

購(gòu)買的主要零部件型號(hào)如表2所示。非標(biāo)準(zhǔn)件如支架、滑塊、抓取機(jī)構(gòu)連桿等，采用鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)進(jìn)行增材制作，材料為PLA。抓取機(jī)構(gòu)面板、電路板安裝板等采用機(jī)械工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室激光切割機(jī)進(jìn)行制造，材料為亞克力。

表2 主要零部件型號(hào)

制作的物料分揀裝置及上位機(jī)如圖7所示。用制作的裝置進(jìn)行分揀實(shí)驗(yàn)，分揀物料規(guī)格及數(shù)量如表3所示。對(duì)所有物料進(jìn)行20次分揀實(shí)驗(yàn)，記錄每次分揀準(zhǔn)確率和總用時(shí)。計(jì)算出平均分揀準(zhǔn)確率為100%，平均分揀時(shí)間為78 s。

表3 物料規(guī)格及數(shù)量

圖7 物料分揀裝置及上位機(jī)

4 結(jié)論

根據(jù)物料分揀要求，設(shè)計(jì)并制作了基于機(jī)器視覺的物料分揀裝置，采用CoreXY機(jī)構(gòu)和連桿-滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取機(jī)構(gòu)的三自由度驅(qū)動(dòng)，裝置控制系統(tǒng)由視覺系統(tǒng)、上位機(jī)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，可通過(guò)手勢(shì)識(shí)別進(jìn)行非接觸啟動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的分揀裝置平均分揀準(zhǔn)確率和分揀速度達(dá)到了預(yù)期效果。