農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀機(jī)器人工作站視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

向 亮 ，邊臻濤 ，王紅娥 ，鄭玉寅 ，李一凡

（武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065）

農(nóng)用機(jī)械上有各種安裝板件，在傳統(tǒng)的安裝中，都是靠人力去辨識(shí)，再拿到不同的安裝工位進(jìn)行安裝。這樣的人工分揀效率低下，難免會(huì)因工人疲勞、分神等各種原因?qū)е鹿ぷ骶炔桓?，較易產(chǎn)生失誤的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，世界正處于新型工業(yè)化的浪潮之中，而機(jī)器人工程作為新型工業(yè)化最主要的趨勢(shì)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的需求也不斷擴(kuò)大。機(jī)器人可以運(yùn)用到農(nóng)用機(jī)械零件分揀的過(guò)程中，可以利用機(jī)器人智能化的特點(diǎn)來(lái)代替人工操作[1-4]。因此針對(duì)這一現(xiàn)象，展開(kāi)農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀機(jī)器人工作站視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題的研究，依靠機(jī)器人視覺(jué)來(lái)識(shí)別多規(guī)格板件，并用機(jī)器人工作站來(lái)完成多規(guī)格板件的分揀工作。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同形狀的板件一一識(shí)別，并通過(guò)機(jī)器人通信將識(shí)別結(jié)果反饋給機(jī)器人，最后機(jī)器人通過(guò)末端操作器對(duì)已識(shí)別的板件進(jìn)行抓取分揀，把不同規(guī)格的板件放入相應(yīng)的采集框中。通過(guò)農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀機(jī)器人工作站視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到使用機(jī)器人工作站代替人工分揀多規(guī)格板件，并提高分揀多規(guī)格板件的準(zhǔn)確性和效率的目的，進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力。

1 農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀工作站總方案

工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)可分為兩大核心部分，即機(jī)器人控制部和視覺(jué)控制部。機(jī)器人控制部是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，視覺(jué)控制部則要同步控制攝像部和圖像處理部，多個(gè)部門緊密配合、相輔相成，借助機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)搜集相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息，經(jīng)過(guò)處理之后及時(shí)傳輸?shù)较乱画h(huán)節(jié)中[3-6]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三種板件的分揀，設(shè)計(jì)的工作站需要有視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別三種板件，通信系統(tǒng)來(lái)鏈接機(jī)器人和視覺(jué)系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人對(duì)板件進(jìn)行夾取分揀，最后用三個(gè)收集箱來(lái)分裝三種板件。農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀工作站總方案如圖1 所示。

圖1 農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀工作站總方案

2 視覺(jué)系統(tǒng)方案

視覺(jué)系統(tǒng)是整個(gè)工作站最重要的部分之一，要實(shí)現(xiàn)對(duì)三種板材的識(shí)別，對(duì)工業(yè)相機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行采集和處理等操作。多規(guī)格板件分揀工作站視覺(jué)系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 多規(guī)格板件分揀工作站視覺(jué)系統(tǒng)方案

3 視覺(jué)系統(tǒng)硬件方案

設(shè)計(jì)的視覺(jué)系統(tǒng)硬件部分需要有系統(tǒng)觸發(fā)、拍照攝像、圖像采集等功能。系統(tǒng)觸發(fā)需要用傳感器，當(dāng)板件到達(dá)傳感器感應(yīng)范圍時(shí)，傳感器會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)給視覺(jué)系統(tǒng)，觸發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)中的相機(jī)工作，相機(jī)對(duì)下方板件進(jìn)行拍照攝像，上傳圖像到視覺(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)上傳的圖像進(jìn)行圖像識(shí)別和圖像預(yù)處理。機(jī)器視覺(jué)需要有實(shí)用性和性價(jià)比，同時(shí)要有通用的工業(yè)接口，有較高的容錯(cuò)率和安全性，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下工作[7]。視覺(jué)導(dǎo)航線路跟蹤機(jī)器人需要利用圖像處理技術(shù)，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)[8-9]。而且因?yàn)橄到y(tǒng)安裝在生產(chǎn)線上，相機(jī)檢測(cè)速度需要與生產(chǎn)線上的檢測(cè)速度保持同步，相機(jī)拍照需要精確且能夠抓拍到移速較高的板件[9-10]。本工作站的工業(yè)相機(jī)選用ME2L-161-61U3M 水星二代Lite 160 萬(wàn)像素黑白工業(yè)相機(jī)。同時(shí)，配套工業(yè)鏡頭選用的是大恒圖像HNP-5028-6M-C1/1.8 型號(hào)工業(yè)鏡頭，為了實(shí)現(xiàn)高效照明，光源選擇FH-RI15045 LED 環(huán)形光源，最后工作站所需傳感器選擇M18漫反射式光電傳感器。

4 視覺(jué)系統(tǒng)軟件方案

本工作站視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)HALCON 軟件編寫程序，對(duì)三種規(guī)格板件的圖像進(jìn)行采集和預(yù)處理，并對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別并將結(jié)果顯示出來(lái)。

具體流程如下：先進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，完成相機(jī)標(biāo)定之后，相機(jī)對(duì)待采集的板件進(jìn)行拍照，采集圖像，當(dāng)采集的圖像質(zhì)量符合圖像識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用HALCON軟件對(duì)圖像進(jìn)行灰度化等預(yù)處理，完成圖像預(yù)處理后，視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并建立特征庫(kù)，最后通過(guò)建立的特征庫(kù)與待檢測(cè)的板件進(jìn)行特征匹配，從而完成視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)待測(cè)板件的識(shí)別，并將結(jié)果顯示在顯示屏上。

系統(tǒng)在進(jìn)行識(shí)別之前需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，這里采用更為簡(jiǎn)便的九眼標(biāo)定法[7-10]。具體步驟如下：

第一步，準(zhǔn)備一張有九個(gè)點(diǎn)的圖片，稱之為標(biāo)定板，并且圖中點(diǎn)是尺寸直徑為3 cm的圓，九眼標(biāo)定九點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 九眼標(biāo)定法標(biāo)定板的圖片

第二步，把這張標(biāo)定板放置在工業(yè)相機(jī)的正下方，并且標(biāo)定板需要處于水平位置，然后需要按照Z(yǔ)字形的順序來(lái)記錄這九個(gè)點(diǎn)的中心坐標(biāo)是多少。

第三步，需要控制工業(yè)機(jī)器人，并且將工業(yè)機(jī)器人的末端操作器裝配在工業(yè)機(jī)器人的法蘭盤上，在實(shí)驗(yàn)室使用的末端操作器是一支筆，用筆尖來(lái)按順序靠近九個(gè)圓的中心點(diǎn)，用筆尖可以更加精確地得到圓心的坐標(biāo)，然后得到機(jī)器人記錄的九組坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

第四步，需要用到HALCON 軟件的算子，這一步需要在HALCON 軟件上編程，并且運(yùn)用之前所記錄的數(shù)據(jù)。

5 視覺(jué)系統(tǒng)通信設(shè)置

目前主流通信協(xié)議有TCP/IP 協(xié)議、ModBus 通信協(xié)議、RS-232通信協(xié)議、串口通信等。

TCP/IP 協(xié)議：不依賴于特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件，TCP/IP 協(xié)議能夠集成各種不同網(wǎng)絡(luò)。

ModBus協(xié)議：應(yīng)用層面廣，數(shù)據(jù)傳輸效率低。

RS-232 協(xié)議：抗干擾能力不強(qiáng)，傳送距離有限，通常在15 m以內(nèi)，僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

串口通信：外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式。串口通信所需要的傳輸線相較于其他通信方式來(lái)說(shuō)少很多，并且可以大大節(jié)省遠(yuǎn)距離通信的成本，唯一不足的是傳輸?shù)乃俣缺绕渌绞较鄬?duì)低一些。此工作站通信要求不高，因此選擇串口通信。

同時(shí)在工業(yè)機(jī)器人示教器上編寫程序，將電腦、PLC、相機(jī)、轉(zhuǎn)接器相連接，通過(guò)示教器程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)和PLC 的通信功能，從而達(dá)到視覺(jué)系統(tǒng)與外部保持穩(wěn)定通信的目的。這樣一來(lái)，整個(gè)機(jī)器視覺(jué)的軟件方面可以構(gòu)成一個(gè)整體，共同協(xié)作來(lái)完成對(duì)板件的識(shí)別工作。

6 視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)試

三種規(guī)格的板件，分別準(zhǔn)備wcgxy.5-1 安裝板A、wcgxy.5-2 安裝板B、wcgxy.5-2 安裝板C 各100 塊，共計(jì)300 塊安裝板。將這300 塊板件分批放入工作站中進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別分類與分揀。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備如圖4所示。

依次對(duì)三種板件進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別過(guò)程以及結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 三種板件識(shí)別前效果圖

圖7 板件C識(shí)別完成效果圖

圖8 板件B識(shí)別完成效果圖

上述效果圖是對(duì)三種板件分別進(jìn)行識(shí)別，本視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)同樣也可以對(duì)各種排列情況的板件進(jìn)行識(shí)別，無(wú)論是對(duì)于單塊板件，還是對(duì)于隨機(jī)兩種板件或三種板件，都可以進(jìn)行精確識(shí)別。下面再演示對(duì)隨機(jī)兩種板件進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別效果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 安裝板A和安裝板C識(shí)別前效果圖

圖10 安裝板A和安裝板C識(shí)別效果圖（先對(duì)安裝板A進(jìn)行識(shí)別）

圖11 安裝板A和安裝板C識(shí)別效果圖

如圖9、圖10、圖11 所示，本視覺(jué)系統(tǒng)成功完成了對(duì)隨機(jī)兩種板件的識(shí)別。

本工作站對(duì)300 塊三種類型板件的視覺(jué)識(shí)別結(jié)果如表1所示。

從表1 可以看出，三種板件的識(shí)別成功率都在95%以上，所以該視覺(jué)系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性及工作效率較高。

表1 測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

三種規(guī)格板件分揀機(jī)器人工作站中的關(guān)鍵部分是視覺(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)是工作站能夠?qū)cgxy.5-1 安裝板A、wcgxy.5-2 安裝板B、wcgxy.5-2 安裝板C 這三種板件進(jìn)行高效識(shí)別和分揀的基本保障。本文從現(xiàn)實(shí)情況和意義出發(fā)，通過(guò)確定農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件分揀工作站總方案來(lái)明確研究方向，再對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型，對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)以及軟件之間的通信進(jìn)行了研究，最后對(duì)本工作站視覺(jué)識(shí)別功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果基本符合預(yù)期，能夠滿足需求。通過(guò)自動(dòng)分揀農(nóng)用機(jī)械多規(guī)格板件的工作站，可以大大提高農(nóng)用機(jī)械的裝配效率，減少人工成本，并且可以在惡劣環(huán)境中工作。