帶有視覺識別模塊的分揀機器人

李德民 王詩宇 王嘉樂

傳統的機器人分揀操作一般采用示教或離線編程方式，當機器人所處的工作環境發生改變時機器人很難即時作出相應的調整，為了使機器人具有更加智能化的功能，以阿童木并聯機器人和工業智能相機為基礎，組成一套帶有視覺模塊的機器人分揀系統。這樣的分揀系統結合了并聯型機器人和視覺模塊兩個方面的優勢，通過視覺模塊智能的識別不同的對象，系統可以完成高速的分揀工作，顯著提升了機器人對工作環境的適應能力，提高了工作效率。同時，實驗結果證明了該系統軟硬件設計正確，分揀成功率高。

隨著我們國家生產需求的不斷增加，機器人越來越多的參與到各行各業的生產過程中來。其中，對工件的分揀作業是當前生產過程中的一個重要環節，傳統的機器人分揀，其動作和目標的擺放位置都需要根據程序預先嚴格的設定。一旦機器人所處的環境有所改變，很容易導致抓取錯誤。本文模擬工業生產中的分揀作業環境，引入視覺模塊，用攝像機來模擬人類的視覺功能來對待測的對象進行識別分類，可以使分揀作業擁有更高的可靠性和靈活性，作業對象以及分揀工序可以隨時隨地的變換，也提高了工作的效率和機器人的智能化程度。

1機器人系統組成介紹

我們設計的機器人分揀系統主要由并聯機器人、視覺模塊、傳送帶裝置以及分揀對象組成，結構如圖1所示：

1.1并聯機器人

相比于其他工業機器人，并聯機器人占用較小的空間，其更具有高速度、高精度、靈活性等特點，更能適合苛刻的工業生產需求。我們在實驗中采用的是阿童木4軸并聯型機器人，如圖2所示，它能夠完成空間中X、Y、Z方向的移動及角度的轉動。除了并聯型機器人本體之外，機器人配套設施還包括機器人控制柜、控制編程器和驅動機器人各關節運動的伺服交流電機。機器人末端執行機構為氣動吸盤，用于吸附傳送帶上的分揀對象，完成抓取動作。

1.2 視覺模塊

視覺模塊我們采用康奈視公司的In-Sight7000型智能相機，如圖3所示。該視覺模塊能夠智能的識別出實驗中不同種類的實驗對象，以及采集各個實驗對象的位置信息。

1.3網絡交換機

實驗中，我們使用一般的家用路由器來替代網絡交換機。視覺模塊采集到的信息要通過局域網來絡傳遞給機器人，因此我們要用到網絡交換機來搭建局域網絡，進而使各個模塊間完成信息傳輸。

1.4 傳送帶及分揀對象

皮帶輸送機用來完成對分揀對象的輸送，其工作長度約為1米，分揀對象為印有不同字母的立方體鉛塊，用以上裝置來搭建一個可以模擬工業生產中分揀環節的實驗環境。

2實驗流程設計

如圖4所示為整個實驗環境，實驗主要完成“識別—定位—抓取—放置”等一系列過程。首先，不同種類的實驗物塊通過氣缸的開合隨機的散落在傳送帶上，視覺模塊會判斷視區域野內是否有待分揀的實驗物塊，當實驗物塊運行到相機的視野區域內時，視覺模塊進行圖像采集，采集分揀對象的位姿信息，計算機通過一定的程序算法對實驗物塊進行識別、計算，獲取分揀對象的分類信息和坐標信息、旋轉角度后，再傳遞給機器人，機器人根據視覺模塊傳回的信息，控制機器人末端執行機構（即吸盤）在合適的動作區域內進行跟蹤和拾取操作，將不同種類的實驗物塊放置到分別指定的位置。當料盤上的物塊數量達到設定的數值時，氣缸再次開啟，將物塊隨機的散落在傳送帶上，重復上述的過程。

要實現上述過程，我們需要完成以下幾個方面的工作：

2.1 相機標定

首先我們要保證視覺模塊采集到的坐標信息是準確無誤的，這就需要對相機進行標定工作。由于鏡頭等硬件環境的原因，相機在采集圖像的時候經常會產生一定的誤差，標定即是對鏡頭的畸變進行校正的過程。我們在實驗中利用視覺模塊自帶的標定功能，使用棋盤格作為相機標定模板，完成對視覺模塊的標定工作，如圖5所示。

標定工作完成之后，視覺模塊就可以對傳送帶上的實驗對象進行信息的采集工作了，圖6為視覺模塊采集到的圖像信息。

2.2 建立坐標關系

視覺模塊擁有自己的坐標系統，機器人同樣也具有自己的坐標系統，視覺模塊采集到實驗對象的數據信息后，要轉換成機器人可以理解的坐標信息，因此我們需要建立視覺坐標系和機器人坐標系之間的對應關系，如圖6所示：

其中，兩個坐標系之間有如下式（1）的對應關系：

2.3機器人抓取

計算機將視覺模塊采集到的數據信息轉換成機器人可以理解的坐標信息后，傳送給機器人，機器人的末端執行器根據獲取的坐標信息移動到待抓取對象的上方，開啟末端執行器上的氣閥裝置，將待抓取的實驗對象牢牢地吸附在末端執行器上。如圖7所示：

2.4機器人放置

最后，我們要將不同種類的實驗對象放置到預先設定好的不同區域。首先設定好每一種類實驗對象放置的初始位置，每放置一次沿Y方向一次減掉相應的距離，這樣就可以保證兩次放置不會發生位置重合的現象。放置情況如圖8所示：

3 軟件設計

根據系統的作業需求，要在運動的傳送帶上準確的識別不同種類的分揀對象，實驗中采用分別印有字母A至F的立方體塊，如上圖8所示，將它們分別抓取至相應的位置，因此在程序設計時要對6種立方體塊進行判別，每種對象都包含一個循環體，下面以一種對象為例，將程序設計流程表示如下：

4實驗結果及分析

經過對軟硬件的調試，本實驗順利完成了對待分揀對象的分揀過程。實驗過程為預先在上位機上建立所有待抓取對象的模板，然后在傳送帶初始位置開始隨意放置不同類型的待分揀對象，分揀作業要求將不同的分揀對象分別放置到相應的位置。整個抓取過程，視覺系統通過規定好的數據通信格式向機器人發送傳送帶上目標對象的位姿信息。

機器人末端執行器上的氣動吸盤根據坐標信息運動到氣動目標物體上方，開啟氣閥對應的IO接口吸附目標物體，運動到預先定義好的坐標位置后關閉氣閥，完成放置過程。

（作者單位：1.大連市第二十四中學2.中國科學院沈陽計算技術研究所）