基于視覺引導的陶瓷瓶口定位機器人設計

2016-07-22 10:50:24唐燕妮河源職業技術學院廣東河源517000

電子測試 2016年11期

唐燕妮（河源職業技術學院，廣東河源，517000）

基于視覺引導的陶瓷瓶口定位機器人設計

唐燕妮
（河源職業技術學院，廣東河源，517000）

摘要：為了將視覺系統送入器皿瓷內部采集內表面圖像，設計了一種門式三自由度直角坐標的陶瓷瓶口定位機器人。介紹了機器人的功能體系和硬件構成，研究了基于視覺原理引導機器人定位運動的實現方法：由CMOS相機拍攝瓶口圖像，經過處理后擬合出瓶口外環圓，求取圓心坐標。以該坐標為目標位置，引導機器人XY軸作水平運動，將Z軸定位到瓶口中心。實驗結果表明，機器人能快速、準確地獲取瓶口圖像和定位瓶口中心，為機器視覺應用在器皿瓷內表面的缺陷檢測奠定了研究基礎。

關鍵詞：視覺引導；陶瓷瓶口；內表面；機器人定位

0　引言

陳設藝術青瓷器、薄胎瓷器、銅紅釉瓷器、青花瓷器、粉彩瓷器等包括多種器皿瓷產品，如瓶、缸、花缽、箭筒、壇、罐等等。器皿瓷外形不規則，其特點是上部的口或頸尺寸小、中下部的肩或肚尺寸大（如圖1所示），導致產品的非顯見面人工目視難于抵達，對內部的裂紋、缺釉、釉泡、熔洞、落渣缺陷不能很好的檢驗。隨著機器視覺技術在陶瓷檢測領域的逐步應用和日趨成熟，有效的解決辦法之一是將視覺系統送入器皿瓷內部采集圖像，由計算機進行圖像處理和缺陷識別，完成內表面外觀質量的判別。

圖1　一種器皿瓷產品外形Fig.1 A kind of ceramic ware’s outline drawing

為了引導視覺系統進入器皿瓷內部工作，本文以粉彩瓷花瓶為研究對象，設計了一種應用于陶瓷瓶口定位的三自由度門式直角坐標機器人。工作時，視覺系統采集瓶口圖像并求取瓶口中心坐標，引導機器人運動定位至瓶口中心位置，并可做垂直運動將相機送入瓶內拍照，從而提高系統對器皿瓷產品內部進行圖像采集的自主判斷能力，提升器皿瓷外觀質量檢驗的工作效率。

1　陶瓷瓶口定位機器人的總體結構設計

1.1總體結構

依據機器人的工作任務和陶瓷瓶外形特點，設計的三自由度門式直角坐標機器人整體結構如圖2所示，它由一組門式XYZ三軸機械臂滑臺、支架、COMS相機模塊和PLC伺服運動系統構成。

圖2　機器人總體結構Fig.2 The robot’s overall structure

門式XYZ三軸機械臂滑臺是機器人的主體機構，組成包括水平移動單元X軸和Y軸，以及垂直移動單元Z軸，可實現XYZ三個自由度的直線運行。水平方向上，由兩個伺服電機經各自同步帶驅動X軸和Y軸在支架上做直線運動，由機械零點坐標運動至目標坐標。其中，機械零點設置在四邊形支架中心點，目標坐標即瓶口中心位置信息由視覺引導程序提供。豎直方向上，由一個伺服電機經滾珠絲桿帶動Z軸及其末端的相機模塊做垂直直線運動，將相機模塊送入瓶內。機器人選擇同步帶傳動方式與滾珠絲杠傳動方式相結合，同步帶具有傳動平穩、結構緊湊、可靠性能好的特點，可保證瓶口中心定位運動的穩定可靠；滾珠絲杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高的特點，可滿足相機對不同高度的陶瓷瓶內拍攝圖像的精準位置要求。

支架尺寸80×60×100cm，采用框架組合結構，選用鋁合金型材和高強度螺栓連接，整體結構簡單而堅固，為機械臂運動提供了穩定可靠的工作平臺。運行時，陶瓷瓶放置在支架下發中心區域。

1.2視覺系統

陶瓷瓶口圖像的采集要求瓶口圖像能快速、有效的被獲取并送往計算機處理，對視覺系統的硬件要求不高。綜合考慮視覺系統的其它要求，如進入外形不規則的陶瓷瓶內采集多幀圖像，需要滿足瓶內工作空間小、機器人負載輕、相機能自動變焦等應用要求，選用了基于索尼IMX179方案設計的COMS相機模組。該相機具有自動對焦功能和800萬有效像素，采用USB2.0與計算機通信，配合M12規格的高拍儀鏡頭使用，擁有工業級的拍攝速度和圖像質量，充分滿足了視覺系統選型微型化、智能化的要求。相機模組帶有兩排LED燈組成的線形光源，尺寸為32×32×23mm，通過固定機構安裝在Z軸機械臂的下端。

1.3PLC伺服運動系統

根據機器人的功能要求，設計的電氣控制系統主要包括PLC單元、伺服驅動器、伺服電機、傳感器、手動按鍵和蜂鳴器電路等，硬件結構如圖3所示。PLC及擴展模塊接收和處理傳感器采集的開關信號，通過串口與計算機軟件實時通訊，接收軟件傳輸出的機器人運動坐標信號，轉換為脈沖序列和正反轉方向信號給伺服驅動器。驅動器輸出電壓信號控制伺服電機運轉，并接收電機反饋信號，實現機器人位置運動的精準控制。為保證系統的可靠性，電氣控制選用三菱FX2N36MR繼電器型PLC作為中央控制處理器，驅動器選用交流伺服驅動器GS0020A，電機選用微型交流伺服電機60CB020C。

圖3　PLC伺服運動系統結構圖Fig.3 The structure chart of PLC servo motor system

2　陶瓷瓶口定位機器人的軟件開發

2.1視覺處理與引導

2.1.1獲取瓶口圖像

當陶瓷瓶處于支架下方中心區域時，系統點亮光源并觸發相機向下拍攝一幀瓶口圖像。以瓶口圖像的垂直平分線為分界線，分左右兩側對非零像素數量進行累加統計，比較和值的大小，可分析出三種典型的位置狀態：兩側和值接近，說明瓶口處于中間位置；左側和值高，說明瓶口位置偏左，其瓶口外環的邊緣接近圖像左邊界；右側和值高，說明瓶口位置偏右，其瓶口外環的邊緣接近圖像右邊界。不同位置的瓶口圖像如圖4所示。

圖4　不同位置的瓶口圖像Fig.4 The vase-mouth image in different positions （a）center；（b）left；（c）right

2.1.2瓶口圖像的處理

陶瓷瓶生產現場的粉塵、光照以及機器人機械振動等環境影響，使得相機拍攝到的瓶口圖像帶有噪聲，需先對圖像進行預處理，濾除噪聲干擾和突出圖像特征，方便圖像的后續處理。軟件首先對瓶口圖像進行了5×5模板的中值濾波，然后進行二值化處理，最后利用canny算子求取瓶口邊緣。一幀瓶口中心位置偏左的圖像處理結果如圖5所示。

圖5　瓶口圖像的處理Fig.5 The vase-mouth image processing （a）median filter；（b）binarization；（c）edge extraction

2.1.3求取瓶口中心坐標

經過處理后得到了陶瓷瓶口的清晰邊緣，已知瓶口外環的實際半徑，依據RANSAC思想，可由瓶口外環邊緣上一組離散的點魯棒性地擬合出圓心位置。擬合圓算法的實現如下：

（1）依據瓶口位置，確定從左側或右側的瓶口邊緣開始擬合圓；

（2）從邊緣圓弧的點集合里取三個隨機點，根據三個點作兩條垂直平分線；

（3）以所求得兩條直線的交點為圓心，交點到圓弧某一點的距離為半徑，獲得一個擬合圓；

（4）將擬合圓半徑與已知瓶口外圓環半徑求差，保留差值小的圓，舍棄差值大的圓；

（5）進行20次迭代計算，選擇一個最靠近圖像側邊的圓作為瓶口的外環圓，其圓心坐標為瓶口中心坐標。左上角的零點為圖像坐標系原點，擬合圓和求取坐標的結果如圖6所示。

圖6　擬合圓和求取瓶口中心坐標Fig.6 Fitting an outer circle of the vase-mouth and obtaining the center coordinates.

2.1.4輸出XY坐標

獲得圖像上的瓶口中心坐標后，通過線性標定方式對相機進行標定，可以建立圖像坐標系與機器人實際坐標系的轉換關系。繪制一張機器人二維基礎坐標系圖片放置在瓶口中心位置，其坐標原點與機器人在XY水平面的機械零點位置一致，通過相機采集該圖像。然后借助視覺軟件VisionPro的CalibNPointToNPointTool標定工具獲得圖像上各點的坐標值，與機器人基礎坐標值進行一一對應，構建一個線形關系的坐標轉換模型，實現了將圖像坐標轉換為實際坐標輸出。該坐標作為目標位置引導機器人的X軸和Y軸機械臂在水平面的定位運動。

2.2機器人定位運動

2.2.1求取XY運動量

機器人開始工作前，要求在水平和垂直方向均處于機械零點位置，需要進行初始化。具體操作為：X軸和Y軸歸零，處于機器人水平面實際坐標的原點；Z軸歸零并鎖死，它在整個瓶口中心定位過程中靜止。根據任務要求，機器人由零點出發在整個支架水平面上做直線運動，直到Z軸到達坐標位置，完成陶瓷瓶口中心的定位。機器人X軸、Y軸、Z軸機械臂的運動距離為：

2.2.2PLC程序設計

機器人的運動以PLC為核心控制器，采用點到點位置伺服控制模式。PLC從串口通訊獲得目標坐標，通過PLC發出脈沖系列來完成位置伺服控制過程，驅動機械臂完成直線運動。程序設計采用模塊化結構，主程序負責初始化和調用子程序，瓶口定位和Z軸進入瓶內運動均在子程序中完成，保證了程序結構的簡潔和功能擴展的方便。機器人運行子程序流程如圖7所示。

圖7　機器人運行子程序流程圖Fig.7 The flowchart of robotic operation

3　實驗

為了驗證機器人系統的有效性和可靠性，基于視覺引導進行了陶瓷瓶口中心的定位實驗。選取高度46cm口徑34cm的粉彩瓷花瓶為實驗對象，花瓶瓶口向上擺放在支架下方中心區域，瓶口中心位置為隨機狀態。實驗時，由計算機軟件發出操作指令，相機垂直向下拍攝一幀瓶口圖像，軟件求取瓶口中心坐標并引導機器人運動，直到Z軸定位到該坐標，機器人反饋運行時間給軟件。

由于花瓶位置隨機擺放，瓶口中心與機器人機械零點距離不確定，機器人運動時間有長短變化，為了保證運行平穩，通過設置XY軸伺服驅動器的水平速度脈沖，限定一次定位時間小于15s。機器人運行若干次定位實驗，經人工校驗Z軸與瓶口中心線的直徑偏差小于0.1cm，瓶口定位準確率均達100%。此時Z軸與瓶口中心處于同一垂直線，為機器人將相機送入瓶內工作做好了準備。三種典型位置的陶瓷瓶口定位實驗結果如表1所示。

4　結論

本文設計了一種基于視覺引導的陶瓷瓶口定位機器人。該機器人為三自由度門式直角坐標結構，搭載了一個COMS相機模組，可拍攝支架下方的陶瓷瓶口圖像并送往計算機。計算機軟件進行圖像預處理和求取邊緣，采用比較中垂線兩側非零像素和值大小的方法判斷瓶口位置，從左側或右側擬合出瓶口外環圓，并求取瓶口圓的中心坐標。該坐標傳輸給以PLC控制器為核心的伺服驅動系統，引導X軸、Y軸機械臂運動定位到瓶口中心。實驗結果表面，該機器人能夠快速、準確地定位瓶口中心位置，方便Z軸機械臂將相機送入陶瓷瓶內工作，為機器視覺采集陶瓷瓶內部圖像和進行缺陷檢測提供了技術基礎，具有一定的參考和應用價值。

參考文獻

［1］GB/T13524.2-92，中華人民共和國國家標準陳設藝術瓷器--器皿瓷［S］.

［2］李慶利，王永強等.陶瓷磚表面缺陷視覺檢測算法研究［J］.中國陶瓷，2015，51（3）：44-47.

［3］謝森林，曾輝等.基于機器視覺的日用瓷表面缺陷檢測［J］.韓山師范學院學報，2014，35（6）：43-48.

［4］晁云，曹利鋼.基于機器視覺的陶瓷磚表面缺陷快速檢測方法的研究［J］.制造業自動化，2013，35（9）：18-20.

［5］于彬.基于數字圖像處理的陶瓷瓶裂紋檢測研究［D］.武漢：武漢理工大學碩士學位論文，2007，5：6-9.

［6］張宇，孫容磊.龍門式上肢偏癱康復訓練機器人［J］.機械設計與制造，2014（7）：186-188.

［7］王永強，李慶利等.基于物聯網的陶瓷制品無線檢測系統設計與實現［J］.中國陶瓷，2016，52（1）：45-49.

［8］何小宇.基于伺服電機和PLC的工作臺運動控制［J］.通訊世界，2015（8）：206.

［9］石志君.基于機器視覺的陶瓷圓環件缺口檢測與尺寸測量［D］.青島：中國海洋大學碩士學位論文，2013，9：35-36.

［10］陳偉華，馬瓊雄等.基于VisionPro的工業機器人視覺定位系統［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（2）：81-83.

Ceramic Ware-mouth Positioning Robot Based on Vision Guide

Tang Yanni
（Heyuan polytechnic College，Heyuan，Guangdong，517000）

Abstract：In order to send a visual device into ceramic ware for capturing inner surface images，a kind of 3-DOF Cartesian-coordinate robot is presented in this paper，which positioning for the vase-mouth-center.The robot’s function system and hardware structure are designed，0the control way of positioning motion based on visual guiding is studied:The vase-mouth image is captured by COMS camera，then processed and fitted an outer circle of the vase-mouth，obtained the center coordinates.The coordinates for the target guides XY axis in horizontal movement，until Z axis positioning the vase-mouth-center.The experiment shows that the robot can rapidly and accurately acquire image and positioning vase-mouth，it lays a good foundation for the application of machine vision in inspecting inner surface defects of ceramic ware.

Keywords：vision guide；vase-mouth；inner surface；robot position

中圖分類號：TP242.3

文獻標識碼：A

作者簡介

唐燕妮（1981-），碩士，講師，研究方向為智能控制及機器視覺技術。