基于LabVIEW工業(yè)機器人自動分揀系統(tǒng)設(shè)計

李和平，陳育新

(1. 婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，湖南婁底417000;2. 婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，湖南婁底417000)

0 前言

機器人分揀技術(shù)是機器人技術(shù)和機器視覺技術(shù)的有機組合，國外一些發(fā)達(dá)國家在機械、食品、醫(yī)藥、化妝品等生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用機器人分揀已經(jīng)普及，我國機器人分揀系統(tǒng)應(yīng)用還處于初級階段，研究、開發(fā)和應(yīng)用機器人分揀技術(shù)有著十分重要的意義［1－2］。Lab-VIEW 軟件集成了ImagingLab LabVIEW 機器人操作庫和Vision Assistant 視覺處理庫，基于LabVIEW 軟件快速開發(fā)的分揀系統(tǒng)更易于普及，具有較好的實用價值。

1 自動分揀系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的自動分揀系統(tǒng)由三條傳輸帶裝置、三菱工業(yè)機器人、工業(yè)相機和工控機構(gòu)成，如圖1 所示。工業(yè)機器手的工作柔性由全自動編程控制，基于機器視覺系統(tǒng)能實現(xiàn)精度控制及物料識別、通過傳輸機進(jìn)行物料的傳遞。自動分揀系統(tǒng)在原型機上增加了自動分揀、動態(tài)抓取、傳輸帶速度監(jiān)測等控制功能。當(dāng)目標(biāo)對象源源不斷地進(jìn)入分揀作業(yè)區(qū)時，通過工業(yè)相機連續(xù)自動地獲取作業(yè)對象圖像，然后由LabVIEW 軟件對采集到的圖像進(jìn)行運算分析、變換目標(biāo)對象坐標(biāo)、識別目標(biāo)對象分類信息、維護(hù)分揀目標(biāo)的運動蹤跡，最終控制機器人實現(xiàn)分揀動作［3］。

圖1 自動分揀系統(tǒng)控制圖

2 硬件設(shè)計

2.1 工業(yè)機器人本體

采用三菱RV-4FL 工業(yè)機器人本體為對象，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，通過采用專門機器人庫進(jìn)行編程，工業(yè)機械手能隨時變換作業(yè)對象、坐標(biāo)位置及順序，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 機器視覺

視覺部分采用NI1742 智能相機，由533 MHz Power PC 處理器供電。優(yōu)質(zhì)的Sony CCD 圖象傳感器具備2 個千兆以太網(wǎng)端口，以60 幀/s 速率，實時采集單色VGA (640x480)高分辨率圖像。

Vision Assistant 是一款針對完整視覺檢測應(yīng)用且易于使用的視覺助手，使用LabVIEW 軟件中的組件Vision Assistant 視覺來配置NI 智能相機，集成先進(jìn)的視覺算法和圖形化編程模式，大大降低視覺處理難度。

2.3 運動控制卡

分揀系統(tǒng)控制如圖2 所示。系統(tǒng)使用來料傳輸帶和2 個分揀物料傳輸帶。3 個傳輸帶進(jìn)行物料的傳輸，通過工控機來控制傳輸帶，3 個步進(jìn)電機和一個編碼器檢測裝置協(xié)助來料傳輸帶的精度控制。

圖2 運動控制卡電控圖

采用雷賽公司生產(chǎn)的DMC2410 運動控制卡，提供四軸脈沖和方向控制信號，具備伺服驅(qū)動器、編碼器、機械位置控制、手輪脈沖、同時起停信號和通用輸入輸出等多種運動信號控制功能，通過LabVIEW編程調(diào)用動態(tài)庫的方式進(jìn)行運動控制［4］，實現(xiàn)合格品、不合格品或者不同物料的分揀。

3 軟件設(shè)計

工業(yè)機器人自動分揀系統(tǒng)的軟件主要流程如圖3所示，其工作流程可描述為:開啟來料傳輸帶和兩條分揀傳輸帶，物料通過來料傳輸帶上方的視覺模塊做模板匹配算法識別出需要分揀的物料，軟件把識別的物料的坐標(biāo)通過TCP/IP 通訊發(fā)給工業(yè)機器人控制器，控制本體分別按照坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換方式精確定位到每個物料的中心，通過吸嘴進(jìn)行快速分揀物料。視覺模板匹配和標(biāo)定、視覺坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換、機器人抓取是系統(tǒng)軟件要解決的關(guān)鍵問題。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 圖像標(biāo)定和視覺模板匹配

LabVIEW 軟件中自帶視覺助手集成了圖像標(biāo)定和視覺模板匹配功能，可以修正圖像并進(jìn)行像素與視覺距離的轉(zhuǎn)換。如圖4 所示，填寫目標(biāo)點1 到目標(biāo)點2 直接的實際距離，通過標(biāo)定后相機的圖像單位為mm。

圖4 圖像標(biāo)定

視覺模板匹配實現(xiàn)方法為:事先設(shè)置一個模板物料，視覺識別時，如果檢測到的物料和模板有設(shè)定值的匹配值時認(rèn)為為物料，如圖5 所示。實驗中有5 個物料和模板進(jìn)行匹配，通過LabVIEW 得到5 個物料的中心坐標(biāo)，程序代碼如圖6 所示。第一步設(shè)置模板信息;第二步選擇智能相機;第三步進(jìn)行模板匹配算法;第四步得到相關(guān)物料的坐標(biāo)并保存，等待下一步處理。

圖5 模板識別

圖6 視覺模板識別程序

3.2 視覺識別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換

圖7 視覺識別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換

圖8 工業(yè)機器人抓取物料程序

如圖7 所示，視覺攝像頭能夠成像的區(qū)域為灰色區(qū)域，設(shè)定一個視覺系統(tǒng)原點，物料在視覺區(qū)域分別獲取x，y 方向坐標(biāo)值，由于視覺模塊在傳輸帶上方，機器人不能保證到達(dá)視覺區(qū)域每個點，視覺模塊會受干擾，必須通過傳輸帶移動一段距離后進(jìn)行抓取。來料傳輸帶具有編碼器計數(shù)功能，移動的距離是已知的，物料移動后坐標(biāo)(P_01. x+物料.x，P_01. y+物料. y)為實際的抓取點，從而實現(xiàn)坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換。

3.3 工業(yè)機器人抓取物料

ImagingLab Labview 是LabVIEW 軟件中專門來操作三菱工業(yè)機器人的機器人庫，通過庫編程，大大提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。機器人抓取物料只需通過視覺識別坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換得到的新坐標(biāo)傳遞給工業(yè)機器人即可讓機器人移動到物料的上方，然后Z 軸方向下移一段距離抓取到物料。工業(yè)機器人抓取物料程序如圖8 所示。

3.4 傳輸帶控制

傳輸帶控制通過控制運動控制卡來完成，DMC2410 提供了開發(fā)動態(tài)庫，而LabVIEW 軟件可以直接調(diào)用動態(tài)庫進(jìn)行操作。

4 調(diào)試與實驗

經(jīng)過對軟、硬件的多次調(diào)試和修正，實驗系統(tǒng)能順利實現(xiàn)“識別—抓取—分揀”功能，LabVIEW 軟件設(shè)置了重復(fù)運作命令，可以反復(fù)執(zhí)行工作，如圖9所示。實驗證明，系統(tǒng)分揀物料相當(dāng)迅速，識別率達(dá)到100%。抓取中心與物料的識別特征由是否處于物料的物理中心來衡量，如果識別的特征中心和物料實際中心重合，重復(fù)識別精度控制在1 mm左右，如果物料與物料之間存在重疊情況，只能識別到上方的物料，如果物料有一部分超出了傳輸帶的范圍，可能引起識別不到，其他情況下實驗均取得了預(yù)期和滿意的效果。

圖9 “識別—抓取—分揀”實驗

5 結(jié)束語

基于LabVIEW 的工業(yè)機器人自動分揀系統(tǒng)的設(shè)計和實驗，為機器人分揀系統(tǒng)在生產(chǎn)領(lǐng)域付諸實施提供了有益的參考和借鑒。聯(lián)機實驗證明，系統(tǒng)能實現(xiàn)分揀作業(yè)無人化，其高效安全作業(yè)替代了繁重的體力勞動，提高了自動化水平和作業(yè)質(zhì)量，工業(yè)機器人分揀將會越來越廣泛地應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。

［1］王田苗，陶永．我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］．機械工程學(xué)報，2014(9):1－8．

［2］段振華，吳張永，王慶輝，等．工業(yè)機器人自動分揀輸送線的研究［J］．實驗室研究與探索，2013，33(3):113－116．

［3］張巧麗，李光明，張濤，等．基于LabVIEW 的目標(biāo)跟蹤方法設(shè)計與實現(xiàn)［J］．計算機測量與控制，2014，22(9):2977－2980．

［4］盧軍民，王蕊，張平格．基于LabVIEW 的模切機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］．機床與液壓，2014，42(8):35－37．