視覺(jué)機(jī)器人在包裝生產(chǎn)線上的技術(shù)應(yīng)用

張子龍 劉熾輝 趙慧民

摘要：機(jī)器人快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)零件的研究也是一個(gè)研究仿生的智能平臺(tái)，視覺(jué)伺服機(jī)器人處理運(yùn)動(dòng)零件的技術(shù)，可應(yīng)用在抓取傳送帶上正在運(yùn)動(dòng)的零件。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)；機(jī)器人；控制系統(tǒng)；通信

近些年，由于食品工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們生活節(jié)奏變快，需要更多便捷的食品。龜苓膏是歷史悠久的梧州傳統(tǒng)藥膳，倍受人們喜愛(ài)，并暢銷中外。龜苓膏包裝生產(chǎn)線主要以人力包裝為主，機(jī)械輔助，生產(chǎn)線自動(dòng)化改造勢(shì)在必行。機(jī)器人快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)零件的研究也是一個(gè)研究仿生的智能平臺(tái)，視覺(jué)伺服機(jī)器人處理運(yùn)動(dòng)零件的技術(shù)，可應(yīng)用在抓取傳送帶上正在運(yùn)動(dòng)的零件。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察和實(shí)踐研究，我們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)是國(guó)產(chǎn)龜苓膏包裝系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以信息與通訊技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合的高新技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。帶有外部傳感器視覺(jué)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的范圍非常廣，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。因此智能化的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也成為廣大工程技術(shù)人員迫切需要掌握的知識(shí)。

現(xiàn)在傳統(tǒng)的龜苓膏包裝生產(chǎn)線主要由上料，自動(dòng)貼標(biāo)簽，擺正龜苓膏，放杯蓋及投放糖漿杯子，投放小勺匙，安裝，裝盒，封膠帶，現(xiàn)在通過(guò)生產(chǎn)線的自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)改造，能使得生產(chǎn)線更加自動(dòng)化和智能化。其中需要把龜苓膏和裝有小勺匙和糖漿的杯蓋合在一起（見(jiàn)圖），

利用機(jī)械手來(lái)進(jìn)行捉取的方法大概有2種：第一種就事抓取蓋子放在龜苓膏上方，第2種就是抓取龜苓膏放在蓋子上。方案的設(shè)計(jì)首先要分析產(chǎn)品的特點(diǎn)，蓋子比較薄而且軟，而且考慮要到還有把小勺匙和糖漿放在里面，故設(shè)計(jì)了一個(gè)類似碗的模具，剛好能放下蓋子，然后把小勺匙和糖漿放在蓋子的里面，再用機(jī)械手把龜苓膏從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方，具體的解決的方案（見(jiàn)下圖）是：裝有兩個(gè)傳輸帶，有一個(gè)傳輸帶1利用放有類似碗裝的模具，利用限位裝置排成一行，去到預(yù)設(shè)好的位置，觸動(dòng)光電傳感器，光電傳感器發(fā)出信號(hào)，讓機(jī)器人獲得模具的坐標(biāo)，并結(jié)合傳輸帶的編碼器給出的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的波數(shù)乘以每脈沖傳輸帶移動(dòng)的距離，就是移動(dòng)的距離。通過(guò)計(jì)算得出某一時(shí)間后模具去到的位置坐標(biāo)。另一條傳輸帶2把龜苓膏運(yùn)過(guò)來(lái)，由工業(yè)相機(jī)拍照，視覺(jué)系統(tǒng)分析照片，確定好龜苓膏位置坐標(biāo)，再結(jié)合另一條傳輸帶的編碼器給出的脈沖信號(hào)，用同樣的方法通過(guò)計(jì)算得出某一時(shí)間后模具去到的位置坐標(biāo)。機(jī)器人根據(jù)程序去到預(yù)算好的坐標(biāo)去捉取目標(biāo)，提起來(lái)送到模具的上方，放下龜苓膏，完成一個(gè)循環(huán)。

這次用的機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人，整個(gè)方案的特點(diǎn)是可以通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)捕捉目標(biāo)物體，由三個(gè)并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心的空間位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的運(yùn)輸，加工等操作。并聯(lián)機(jī)器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)精密、緊湊，驅(qū)動(dòng)部分均布于固定平臺(tái)，這些特點(diǎn)使它具有承載能力強(qiáng)、剛度大、自重負(fù)荷比小、動(dòng)態(tài)性能好；并行三自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，重復(fù)定位精度高；超高速拾取物品，一秒鐘多個(gè)節(jié)拍等特點(diǎn)。非常適合使用到這種需要快速移動(dòng)并且負(fù)重較小的地方。

工業(yè)機(jī)器人主要由三大部分組成：

（1）機(jī)械本體部分

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體部分是工業(yè)機(jī)器人的重要部分，其功能為實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。其他組成部分必須與機(jī)械本體相匹配，相輔相成，組成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。

（2）傳感部分

傳感部分用于感知內(nèi)部和外部的信息。要機(jī)器人與人一樣有效地完成工作，對(duì)外界狀況進(jìn)行判別的感知功能是必不可少的。沒(méi)有感知功能的機(jī)器人，只能按預(yù)先給定的順序，重復(fù)地進(jìn)行一定的動(dòng)作。

（3）控制部分

控制部分用于控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作，工業(yè)機(jī)器人的控制主要包括：機(jī)器人的動(dòng)作順序、應(yīng)實(shí)現(xiàn)的路徑與位置、動(dòng)作時(shí)間間隔以及作用于對(duì)象上的作用力等。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)一般是以機(jī)器人的單軸或多軸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人控制部分是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實(shí)際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡(jiǎn)單的編程控制，微處理機(jī)控制到小型計(jì)算機(jī)控制等。

另外機(jī)器人擁有六個(gè)子系統(tǒng)：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

（3）傳感系統(tǒng)

（4）人機(jī)交互系統(tǒng)

（5）控制系統(tǒng)

（6）機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)是傳感系統(tǒng)的其中一部分，包括七大功能模塊，分別是圖像采集模塊、顯示模塊、相機(jī)標(biāo)定模塊、圖像處理模塊、雙目三維重建模塊、點(diǎn)云處理識(shí)別模塊、機(jī)器人通信模塊，相關(guān)連接如下圖：

機(jī)器人捉取精度跟由工業(yè)相機(jī)拍照之后圖片的計(jì)算處理很有光系。現(xiàn)在流行的方法有很多。本文介紹其中一種。

具體來(lái)說(shuō)就是采用CCD（Charge Coupled Device）照相機(jī)攝取檢測(cè)圖像，再利用圖像濾波、二值化、圖像分割等技術(shù)進(jìn)行圖像處理，通過(guò)各類坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換標(biāo)定最后的世界坐標(biāo)，利用隨機(jī)散斑建立結(jié)構(gòu)光，并進(jìn)行灰度匹配進(jìn)行三維重建，利用PCL點(diǎn)云庫(kù)若干算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的濾波、求解法向量、點(diǎn)云分割、關(guān)鍵點(diǎn)選取、關(guān)鍵點(diǎn)的特征描述以及最后的點(diǎn)云匹配確定工件的精確位姿，使用機(jī)器人逆解算法和編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制。

不同的應(yīng)用環(huán)境需要靈活地應(yīng)用帶視覺(jué)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，可以大大提高生產(chǎn)力，為社會(huì)做出很大的貢獻(xiàn)。隨著人類技術(shù)的不斷提高，我們能夠做出更快更強(qiáng)的機(jī)器人，適合應(yīng)用在更多的地方。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張子龍，廣東，1974年4月10日，漢，機(jī)械工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

（作者單位：廣東技術(shù)師范大學(xué)）