基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人流水線分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

劉茂興　段柳敏

摘要：針對(duì)生產(chǎn)線上的形狀各異的不同工件，本文提出對(duì)于工件生產(chǎn)線進(jìn)行識(shí)別與定位，然后通過(guò)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行高速精確分揀的任務(wù)要求。本文設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的分揀系統(tǒng)，并對(duì)可視化控制與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);機(jī)器人;流水線分揀系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0187-01

文章涉及機(jī)器人流水分揀系統(tǒng)，是基于機(jī)器視覺(jué)的視角，并進(jìn)行總體的方案涉及，并具體設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)硬件選型和軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分揀系統(tǒng)主要是對(duì)于雜亂物料進(jìn)行輸送，以及機(jī)器視覺(jué)的物料檢測(cè)與控制，機(jī)器人的本體控制。

在該系統(tǒng)中，主要的控制系統(tǒng)是視覺(jué)控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。視覺(jué)控制系統(tǒng)當(dāng)中，不同的工件經(jīng)過(guò)傳送帶會(huì)進(jìn)入到視覺(jué)系統(tǒng)的視野范圍當(dāng)中， 由工業(yè)相機(jī)采集圖片，并對(duì)圖片進(jìn)行處理，使得相關(guān)的信息能夠得到識(shí)別，對(duì)于工件的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)的識(shí)別和跟蹤，最后將處理完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中， 從而為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供依據(jù)。當(dāng)工件到達(dá)了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間當(dāng)中的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整自身的動(dòng)作，計(jì)算相關(guān)的軌跡，最終完成機(jī)器人的取物動(dòng)作，完成整個(gè)系統(tǒng)的工件分揀。

2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在硬件的選擇上需要能夠?qū)τ谡麄€(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行保障，下面對(duì)主要的硬件部分進(jìn)行介紹。

（1）工業(yè)相機(jī)。工業(yè)相機(jī)直接決定了獲得圖片的分辨率、傳輸速度以及傳輸方法。本次研究當(dāng)中的圖像區(qū)域是400×400矩形，范圍比較大，需要采集的目標(biāo)物件是比較多的，因此圖像處理的工作量是比較大的。本文研究選擇的是GigE黑白工業(yè)像機(jī)，GigE接口是輸出的借口，最遠(yuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)100m的傳輸距離，分辨率比較高，速度也更快。

（2）鏡頭。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)當(dāng)中，鏡頭是另外一個(gè)非常關(guān)鍵的硬件。它對(duì)于圖像的采集非常重要，鏡頭的好壞會(huì)對(duì)成像效果和最終識(shí)別的精度產(chǎn)生直接的影響。

關(guān)于鏡頭焦距的設(shè)置可以由公式（1）和（2）計(jì)算得出。

式中，是工件的寬度;是工件的高度;是鏡頭到工件的距離;是鏡頭的焦距。

（3）光源的選擇。為了獲得最佳的照明效果，本文進(jìn)行多方面的比較，最終選擇LED燈光，這是因?yàn)長(zhǎng)ED光源比較均勻、穩(wěn)定，并且發(fā)熱較少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，容易獲得。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的本質(zhì)是控制三個(gè)伺服電機(jī)在靜態(tài)平臺(tái)上的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)主要是有位置、速度和扭矩的三種控制模式，位置的控制主要是依據(jù)位置上的指令以及上位控制器的輸入脈沖來(lái)對(duì)伺服電機(jī)的位置進(jìn)行控制，速度的控制主要依據(jù)控制器輸入的模擬速度命令，或者是伺服內(nèi)部的速度命令，從而控制伺服電機(jī)的相關(guān)速度。轉(zhuǎn)矩控制主要是根據(jù)模擬電壓得出的轉(zhuǎn)矩指令來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相關(guān)的控制。除了轉(zhuǎn)矩的指令之外，還需要通過(guò)輸入速度來(lái)促使伺服電機(jī)的速度不會(huì)高于相關(guān)的速度限制。在這三種的控制模式當(dāng)中，伺服電機(jī)的相應(yīng)控制速度主要是依據(jù)轉(zhuǎn)矩、速度、位置三種順序的控制速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型重建還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣就是的扭矩控制的模式應(yīng)用是比較困難的，在實(shí)用上還有一定的障礙。

本設(shè)計(jì)中采用的是伺服電機(jī)的速度控制模式，這一控制模式的系統(tǒng)屬于半閉環(huán)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較是具有優(yōu)勢(shì)的，準(zhǔn)確定更高。

鑒于并行Delta機(jī)器人需要實(shí)時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算，邏輯估算計(jì)算次數(shù)。同時(shí)，工業(yè)計(jì)算機(jī)一直是選擇開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)的平臺(tái)。選擇生產(chǎn)率較高的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主控機(jī)。保證交通管制的及時(shí)性和穩(wěn)定性。根據(jù)被監(jiān)視設(shè)備的移動(dòng)選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制卡，并與運(yùn)動(dòng)控制卡的性能相結(jié)合。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡包括由NI（National Instrument）開(kāi)發(fā)的軸圖和由臺(tái)灣臺(tái)達(dá)集團(tuán)-中達(dá)電通開(kāi)發(fā)的PCI-DMC-B01運(yùn)動(dòng)控制卡。PC和運(yùn)動(dòng)控制板有分工，PC的計(jì)算能力可以執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，并負(fù)責(zé)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和路徑規(guī)劃等任務(wù)。差分補(bǔ)償，速度控制和位置控制等實(shí)時(shí)要求很高。該任務(wù)由高速運(yùn)動(dòng)控制卡執(zhí)行。因此，本文選擇一臺(tái)PC與運(yùn)動(dòng)控制卡相結(jié)合，為整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)控制系統(tǒng)平臺(tái)。

3.2 控制系統(tǒng)的硬件選型

控制系統(tǒng)的硬件主要包括以下部分：

（1）運(yùn)動(dòng)控制卡。Delta機(jī)器人需要控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)規(guī)劃軌跡，發(fā)送命令，在機(jī)器人操作期間同步協(xié)調(diào)杠桿關(guān)節(jié)的三個(gè)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并確保移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的最終效應(yīng)器運(yùn)動(dòng)的速度和準(zhǔn)確性。因此，基于PCI的運(yùn)動(dòng)控制卡被選為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的部件。軸映射的性能直接決定了后續(xù)程序開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性。由Delta開(kāi)發(fā)的PCI-DMC-B01軸可以在1 ms內(nèi)更新12軸命令。 PCI DMC B01軸也接受64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)，這些數(shù)字速度快，可以在12軸上同時(shí)控制。 支持多種駕駛模式。 有兩種速度模式：T型和S型曲線。 控制模式可以是速度，扭矩和位置控制。

（2）伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。PC通過(guò)PCI總線將機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)控制命令發(fā)送到軸控制卡，并且將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為行程并且控制電機(jī)的速度通過(guò)CAN總線傳輸?shù)剿欧?qū)動(dòng)器。 以相同的方式，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器發(fā)送的位置信息以相反的方式傳送到控制系統(tǒng)。 為確保發(fā)動(dòng)機(jī)不間斷通訊，還使用臺(tái)達(dá)公司的750W交流伺服電機(jī)和相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器。

4 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本設(shè)計(jì)的機(jī)器人流水線分揀系統(tǒng)主要是視覺(jué)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，采用LabVIEW圖形化編程工具來(lái)對(duì)整個(gè)分揀系統(tǒng)進(jìn)行軟件控制。

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Design and Research of Robotic Pipeline Sorting System Based on Machine Vision

LIU Mao-xing1，DUAN Liu-min2

（1.Jinling Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 210000;2.Shenyang Normal University，Shenyang Liaoning 110034）

Abstract：In view of the different shapes of different workpieces on the production line， this paper proposes the task of identifying and locating the workpiece production line and then performing high-speed and precise sorting through machine vision. In this paper， a sorting system based on machine vision is designed， and the visual control and motion control system are designed specifically to realize the automation of the system.

Key words：machine vision; robot; pipeline sorting system