基于視覺定位的機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)設(shè)計(jì)

宋 科，葉 禮，崔旭升

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077；2.亞龍智能裝備集團(tuán)股份有限公司，浙江溫州 325100）

0 引言

天地盒由盒胚與紙膜組成，是產(chǎn)品外包裝使用最多的一種包裝方式，被廣泛應(yīng)用于食品、禮品以及電子產(chǎn)品的包裝［1］。傳統(tǒng)的天地盒成型機(jī)可加工的盒子尺寸規(guī)格單一、故障率高，換線操作復(fù)雜，而且大部分制作過程依然由人工完成。包裝企業(yè)亟需引入自動(dòng)化成型制盒設(shè)備，對(duì)部分勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)工位進(jìn)行自動(dòng)化改造，從而提高生產(chǎn)效率、節(jié)約人力成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度［2-4］。

基于視覺定位的機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)，通過對(duì)涂膠后的紙膜進(jìn)行拍照，計(jì)算紙膜的中心位置和角度信息，并將該位姿信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可識(shí)別的坐標(biāo)值。盒胚上線后經(jīng)過二次定位，由機(jī)器人吸取，偏轉(zhuǎn)特定角度后準(zhǔn)確地放置到紙膜中心。

1 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)工藝流程及工作原理

1.1 天地盒定位成型工藝流程

天地盒制作流程包括定位前序工藝、盒蓋定位、定位后序的折耳和壓泡工序，如圖1所示。

圖1 天地盒制作工藝流程Fig.1 Manufacturing process flow of lid and base box

實(shí)際生產(chǎn)中，如果盒胚與紙膜之間相對(duì)定位偏差較大，將直接影響后續(xù)紙膜折耳，以及壓泡成型后的產(chǎn)品整體外觀質(zhì)量。因此，盒胚與紙膜定位精度能否達(dá)標(biāo)，直接決定盒胚成型后外觀質(zhì)量能否滿足客戶要求，是機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)工作原理

根據(jù)天地盒的生產(chǎn)工藝流程，天地盒機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)的動(dòng)作流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)動(dòng)作流程及工作原理Fig.2 Action flow and working principle of robot automatic forming of lid and base box

2 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

盒胚成型后的最大尺寸為450 mm×450 mm×100 mm，最小尺寸為120 mm×120 mm×20 mm。

根據(jù)視覺定位系統(tǒng)給出的紙膜定位信息，機(jī)器人吸取盒胚并將其與紙膜準(zhǔn)確粘合。在紙膜與盒胚為最大外形尺寸時(shí)，粘合后的紙膜中心與盒胚中心位置偏差<0.4 mm，角度偏差<0.3 °。

2.2 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)組成

天地盒機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)的組成如圖3所示。

圖3 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)組成Fig.3 Composition of robot automatic forming machine

主要部件包括紙膜上糊機(jī)及負(fù)壓輸送線、水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人、可調(diào)寬度盒胚輸送線及定位機(jī)構(gòu)、PLC電氣控制系統(tǒng)以及紙膜視覺定位系統(tǒng)。

上糊機(jī)及紙膜負(fù)壓輸送線通過高速風(fēng)輪及飛達(dá)送紙機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、快捷、連續(xù)的送紙作業(yè)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓輸送機(jī)構(gòu)可保證紙膜的平整輸送和準(zhǔn)確停止。高精度的雙鏡頭平面視覺定位系統(tǒng)對(duì)靜止的紙膜進(jìn)行視覺定位，并將紙膜在輸送帶上的位置和角度信息以通訊的方式實(shí)時(shí)傳送給機(jī)器人。機(jī)器人根據(jù)該位姿信息，吸取二次定位后的盒胚，以特定角度準(zhǔn)確放置于紙膜中心，從而實(shí)現(xiàn)盒胚與紙膜的精確粘合。

2.3 機(jī)器人參數(shù)優(yōu)化及選型

對(duì)比垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人，水平關(guān)節(jié)機(jī)器人配置有3個(gè)軸線平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與1個(gè)垂直移動(dòng)的滑動(dòng)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)末端工件在三維空間中的自由定位。SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)速度快，常用于輕質(zhì)零部件的快速搬運(yùn)、裝配等工作［5-6］。在機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)中，根據(jù)成型機(jī)紙膜及盒胚上線段中心距離、機(jī)器人吸盤尺寸及重量，確定機(jī)器人最大行程≥550 mm，載荷≥8 kg，具體參數(shù)及性能指標(biāo)見表1［7］。

表1 機(jī)器人參數(shù)及性能指標(biāo)Tab.1 Parameters and performance indexes of robot

2.4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)控制系統(tǒng)包括設(shè)備主控制器及各部件分控制器，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)控制系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of robot automatic forming machine control system

主控制器由CPU中央處理器模塊、PM電源模塊、SM信號(hào)模塊、SB信號(hào)板、CM通信模塊以及電源組成。對(duì)比S7-200系列，S7-1215C具有更快的運(yùn)算速度，1條布爾運(yùn)算指令執(zhí)行周期為0.08 μs，1條實(shí)時(shí)運(yùn)算指令執(zhí)行周期為2.3 μs［8］。內(nèi)部集成以太網(wǎng)接口（TCP/IP native，ISO-on-TCP），用于連接視覺處理計(jì)算機(jī)。同時(shí)，通過PROFIBUS- DP主站模塊CM1243-5，S7-1215C與YK600機(jī)器人控制系統(tǒng)、上糊機(jī)S7-226處理器及KTP1000現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏共同組成主從式現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與相機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人、紙張上糊機(jī)、盒胚上料機(jī)以及人機(jī)交互界面之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠交互［9-10］。

2.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括邏輯控制、視覺處理、伺服驅(qū)動(dòng)控制及人機(jī)交互界面4部分功能程序，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)控制流程圖Fig.5 Control flow chart of robot automatic forming machine

（1）邏輯控制，包括盒胚輸送及其到位檢測(cè)，盒胚到位后定位氣缸的驅(qū)動(dòng)，紙膜上糊機(jī)自動(dòng)送料、紙膜定位檢測(cè)、機(jī)器人自動(dòng)吸取與放置等作業(yè)先后順序的控制。

（2）驅(qū)動(dòng)控制，在盒胚以及紙膜上料過程中，輸送帶依據(jù)設(shè)定的速度以及到位檢測(cè)開關(guān)信號(hào)，自動(dòng)控制暫存段的啟停。

（3）視覺處理程序，控制光源的開關(guān)、相機(jī)自動(dòng)拍照以及圖像處理，并提供相機(jī)標(biāo)定程序、相機(jī)參數(shù)設(shè)定界面等。

（4）人機(jī)交互界面，提供系統(tǒng)登錄、紙膜以及盒胚的尺寸設(shè)定、批次管理，具有運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控、故障記錄與查詢功能。

3 視覺定位系統(tǒng)

為解決單相機(jī)固定式安裝時(shí)，視覺系統(tǒng)無法兼容較大尺寸紙膜，以及由單一相機(jī)拍照帶來的偏轉(zhuǎn)角誤差，對(duì)紙膜中心坐標(biāo)及機(jī)器人補(bǔ)償角精度的雙重影響，提出雙相機(jī)視覺定位方案。

3.1 視覺定位原理及算法

3.1.1 紙膜中心定位原理及算法

雙相機(jī)定位方式及定位原理見圖6所示。2個(gè)相機(jī)對(duì)角分布，分別拍攝紙膜的對(duì)角線頂端的2個(gè)區(qū)域，通過獲取對(duì)角線端點(diǎn)上的2個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)后，計(jì)算紙膜中心坐標(biāo)。

圖6 雙相機(jī)視覺定位算法原理Fig.6 Principle of dual camera visual positioning algorithm

相對(duì)于單相機(jī)，雙相機(jī)定位方式能夠有效排除視覺偏轉(zhuǎn)角度對(duì)中心坐標(biāo)的影響。選取相機(jī)有效視場(chǎng)內(nèi)紙膜的2條對(duì)角特征邊，通過這2條邊的延長線獲取代表拍攝物位置的像素點(diǎn)A1與A2，其視覺坐標(biāo)為A1（XA1YA1），A2（XA2YA2）。

從2條特征邊分別獲取紙膜的偏轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，并根據(jù)A點(diǎn)的視覺坐標(biāo)及偏轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，拍攝物長度方向的一半尺寸W，寬度方向的一半尺寸L的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)紙膜中心點(diǎn)A0'（XA0'YA0'）坐標(biāo)由旋轉(zhuǎn)變換再通過原點(diǎn)平移計(jì)算得到，即：

同理，根據(jù)另一對(duì)角特征區(qū)域得到第2個(gè)圓心A0"坐標(biāo)表達(dá)式：

由式（1）和（2）分別得到同一紙膜的2個(gè)幾何中心位置，取2個(gè)中心位置的幾何中心點(diǎn)作為紙膜的最終坐標(biāo)，即：

紙膜經(jīng)過數(shù)控裁紙機(jī)下料，尺寸精度<0.2 mm，所以式（1）中紙膜外形尺寸L，W誤差可以忽略，由此得到紙膜中心坐標(biāo)誤差表達(dá)式。

由式（4）可知，影響紙膜中心坐標(biāo)計(jì)算精度的主要因素來源于視覺系統(tǒng)定位誤差［ΔXA1ΔYA1］T，和紙膜偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量誤差Δθ。假設(shè)相機(jī)像素為500萬，鏡頭安裝高度550 mm，視覺系統(tǒng)定位誤差≈0.08 mm。相對(duì)于偏轉(zhuǎn)角度測(cè)量引入的誤差，該誤差值較小，可以忽略。紙膜中心坐標(biāo)是否準(zhǔn)確，主要與A點(diǎn)坐標(biāo)及通過紙膜的特征邊所確定的偏轉(zhuǎn)角度（θ）的檢測(cè)精度有關(guān)。

3.1.2 紙膜角度補(bǔ)償方法

θ的計(jì)算公式：

其中，θk分別表示式（1）（2）中2個(gè)對(duì)角測(cè)量得到的紙膜偏轉(zhuǎn)角度；θ0表示系統(tǒng)初始偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)機(jī)器人、輸送線及相機(jī)安裝確定后，θ0是由機(jī)器人本體坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系與紙膜負(fù)壓輸送線輸送方向3者確定的一個(gè)常值，通過角度標(biāo)定后作為角度補(bǔ)償值代入式（5）中參與計(jì)算。

3.2 紙膜中心計(jì)算流程

各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)、標(biāo)定文件、坐標(biāo)位置的計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 紙膜中心標(biāo)定計(jì)算流程Fig.7 Calculation flow of paper film center calibration

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)、標(biāo)定文件和坐標(biāo)位置關(guān)系，由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后獲得定位所需的紙膜的幾何中心位置及其偏轉(zhuǎn)角度，并傳送給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)盒胚與紙膜間準(zhǔn)確粘合。

3.3 視覺系統(tǒng)配置

視覺系統(tǒng)相機(jī)固定安裝，相機(jī)型號(hào)MER-500，像素500萬，分辨率2 592*1 944，幀率7 fps，接口為USB-B型。所配鏡頭型號(hào)為M1614-MP2，光圈F1.4-F16C/焦點(diǎn)>0.3 m，焦距16 mm。

4 實(shí)例運(yùn)行

對(duì)不同大小的紙面定位精度測(cè)試，測(cè)試紙面大小297 mm*420 mm；增益設(shè)置52；曝光時(shí)間26；灰度閥值110，118；相機(jī)安裝高度700 mm；灰度值100。

采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)偏轉(zhuǎn)角度精度進(jìn)行標(biāo)定及測(cè)試。采用2個(gè)相機(jī)獨(dú)立拍攝紙面的對(duì)角，記錄不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，紙面檢測(cè)轉(zhuǎn)角度與轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)角度之間誤差值，測(cè)試曲線如圖8所示。

圖8 紙膜角度精度測(cè)試曲線Fig.8 Paper film angle accuracy test curve

通過邊緣擬合算法得到的紙面角度最大誤差為0.124 °，滿足最終定位角度的精度要求。按照紙膜中心標(biāo)定計(jì)算流程，采用標(biāo)準(zhǔn)A3樣件，多次試驗(yàn)得到的紙膜中心定位數(shù)據(jù)見表2。綜合機(jī)器人自動(dòng)成型機(jī)機(jī)械定位誤差、吸盤吸取誤差等因素，通過選取紙膜對(duì)角線上的特征點(diǎn)計(jì)算出紙膜中心的定位誤差，X方向最大值為0.31 mm，Y方向?yàn)?.3 mm，均小于要求的0.4 mm，滿足生產(chǎn)工藝要求。

表2 297 mm＊420 mm紙膜定位精度測(cè)試Tab.2 Positioning accuracy test of 297 mm＊420 mm paper mm

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖9所示?，F(xiàn)場(chǎng)用工數(shù)減少到2人，按17件/分鐘計(jì)算，單班8小時(shí)產(chǎn)量達(dá)到7 000～7 500件。自投入使用以來，機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Production site of robot automatic forming machine of lid and base box

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)一種機(jī)器人天地盒自動(dòng)成型機(jī)，采用水平關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，配合雙相機(jī)拍照定位、機(jī)器人抓取以及上料輸送線，實(shí)現(xiàn)不同尺寸盒胚及紙膜的自動(dòng)上料及準(zhǔn)確粘合?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、定位準(zhǔn)確、生產(chǎn)節(jié)拍快等優(yōu)點(diǎn)。研究成果可以在電子產(chǎn)品、食品及藥品外包裝盒自動(dòng)化生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用。