基于機(jī)器視覺檢測(cè)的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金龍　干江紅

摘? 要：目前，人們對(duì)碼垛機(jī)器人提出了更高的要求，提高碼放效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)則物體分揀碼放已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要工作。因此，該文將對(duì)碼垛機(jī)器人進(jìn)行闡述，并詳細(xì)探究基于機(jī)器視覺檢測(cè)的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望可以為相關(guān)工作者的研究提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺檢測(cè)? 碼垛機(jī)器人? 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH264? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（c）-0005-02

1? 碼垛機(jī)器人概述

碼垛機(jī)器人是為了將更高生產(chǎn)效率提供給現(xiàn)代生產(chǎn)而由計(jì)算機(jī)程序與機(jī)械有機(jī)結(jié)合生成的產(chǎn)物[1]。這一機(jī)器人在碼垛行業(yè)得到了廣泛運(yùn)用，并且具有以下幾方面特點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少，這也就使得零部件具備可靠性能，并且維修保養(yǎng)工作十分簡(jiǎn)單;第二，占地面積少，這一機(jī)器人只要設(shè)置在狹窄空間中就能夠被有效運(yùn)用，這給客戶留出大面積庫房提供了可能;第三，能耗低，通常情況下，機(jī)械式碼垛機(jī)功率是26kW，而碼垛機(jī)器人的功率只有5kW，可以有效降低客戶運(yùn)行成本;

2? 基于機(jī)器視覺檢測(cè)的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)包括四軸碼垛機(jī)器人、工業(yè)攝像機(jī)、工業(yè)控制器、機(jī)械氣動(dòng)抓手、圖像采集卡以及運(yùn)動(dòng)控制卡等。這一控制系統(tǒng)分成上下兩層，其中，在上層上位機(jī)中，工控機(jī)占據(jù)核心位置，工業(yè)攝像機(jī)的工作就是對(duì)物品圖像進(jìn)行傳送，之后通過圖像處理技術(shù)的運(yùn)用，做好碼放物品定位與跟蹤工作，并促進(jìn)最終分揀碼放工作的完成。下位機(jī)中占據(jù)核心地位的則是運(yùn)動(dòng)控制器，這一設(shè)備的作用就是對(duì)碼垛機(jī)器人四軸進(jìn)行同步控制與插補(bǔ)控制，并促進(jìn)機(jī)器人抓手自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，從而嚴(yán)格依照工業(yè)具體要求碼放好相應(yīng)物品。

2.2 圖像處理

2.2.1 圖像去噪

在實(shí)際采集與傳輸過程中，圖像經(jīng)常會(huì)遭到各種程度外在噪音的影響，不但會(huì)使圖像變得模糊不清，還極易丟失大量圖像細(xì)節(jié)，在很大程度上會(huì)阻礙碼垛機(jī)器人后續(xù)動(dòng)作程序順利開展。因此，在采集到相關(guān)圖像之后，必須處理圖像的噪聲，以此來對(duì)圖像重要細(xì)節(jié)進(jìn)行保護(hù)。為了更好濾除圖像噪音，該文采取了鄰域平均法，即由相鄰區(qū)域中眾多像素灰度的平均值來代替每一像素灰度。假設(shè)采集到帶有N×N像素的原始圖像是g（x，y），并且去除噪音后的圖像是h（x，y）。可以得到這樣一個(gè)公式：h（x，y）=g（x，y），其中，x，y=0，1，2，…，N-1;x則是（x，y）相鄰區(qū)域圖像的全部像素坐標(biāo)。

在運(yùn)用相鄰區(qū)域平均法這一具體方法時(shí)，通常情況下會(huì)損失部分圖像信息，并出現(xiàn)細(xì)節(jié)模糊或者是邊緣模糊的情況。針對(duì)這一問題，該文采取閾值法進(jìn)行解決，具體公式如下：

其中，T是指非負(fù)閾值。通過這種方法的運(yùn)用，可以促進(jìn)圖像清晰度的提升，并將圖像模糊程度降到最低[2]。

2.2.2 圖像分割

假設(shè)分割閾值是T，若圖像灰度值超過T，那么其就是目標(biāo)區(qū)域;若圖像灰度值低于T，那么其就是背景區(qū)域。圖像熵值定義如下：

H=-p（x）·lgp（x）dx

其中，p（x）是指像素發(fā)生概率，并且p（x）=ni/N，ni是指像素?cái)?shù)量，N則是像素的總數(shù)量。

背景區(qū)域中的概率是Pb=p（x）=ni/N，x=0，1，…，T-1;

目標(biāo)區(qū)域中的概率則是Po=p（x）=ni/N。

其中，x=T，T+1，…，L，并且L是指圖像灰度極數(shù)。

由此可以得出，背景區(qū)域熵與目標(biāo)區(qū)域熵定義分別是Hb（T）=-（px/Pb）lg（px/Pb），x=0，1，…，T-1;Ho（T）=-（px/Po）lg（px/Po），x=T，T+1，…，L。圖像熵則是背景區(qū)域熵值與目標(biāo)區(qū)域熵值的總和，即H（T）=Hb（T）+Ho（T）。依照最大熵法原理可知，所求閾值應(yīng)該選擇圖像熵的最大值，因此，T=arg max（H（T））。

2.3 控制系統(tǒng)

2.3.1 軟件設(shè)計(jì)

要想促進(jìn)視覺機(jī)器人編程可讀性與條理性的提升，就應(yīng)該將模塊化編程思想運(yùn)用到機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)中，以功能為依據(jù)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分成圖像處理算法、系統(tǒng)初始化模塊、用戶程序加載模塊以及中斷服務(wù)模塊等。

軟件設(shè)計(jì)的總體流程如下：開始—系統(tǒng)上電—程序加載—系統(tǒng)初始化—SAA7133啟動(dòng)—系統(tǒng)等待中斷—是否結(jié)束中斷信號(hào)。若選擇“否”，則回到上一步，若選擇“是”，則依照下述流程繼續(xù)進(jìn)行，即關(guān)閉DSP中斷、屏蔽外部中斷—DSP接收?qǐng)D像并傳送到圖像采集卡—圖像處理算法—DSP將信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人的控制系統(tǒng)—打開DSP中斷、打開外部中斷。在最終步驟結(jié)束后，如有需要，還應(yīng)該回到SAA7133啟動(dòng)步驟。

2.3.2 硬件設(shè)計(jì)

包裝碼垛系統(tǒng)的硬件主要包含運(yùn)動(dòng)控制卡與工業(yè)控制器，其中，工控機(jī)在控制器中占核心位置，而運(yùn)動(dòng)控制卡的作用就是促進(jìn)機(jī)器人四軸同步控制與插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡通信主要由PCI總線控制，并且碼垛機(jī)器人的四軸伺服驅(qū)動(dòng)器控制可由運(yùn)動(dòng)控制卡同時(shí)完成。

運(yùn)動(dòng)控制卡主要對(duì)碼垛機(jī)器人A、x、y以及z四軸同步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，具體包括高速數(shù)據(jù)采集、伺服驅(qū)動(dòng)以及插補(bǔ)運(yùn)算等工作，而且機(jī)器人的多軸插補(bǔ)運(yùn)算工作能夠在內(nèi)部完成。通常情況下，只要在IPC插槽中直接安插運(yùn)動(dòng)控制卡，那么就能夠以動(dòng)態(tài)鏈接方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。ADT—8948A1運(yùn)動(dòng)控制卡是以PCI總線為基礎(chǔ)的、性能較高的多軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，內(nèi)核是兩片以DSP為基礎(chǔ)的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片（產(chǎn)于日本NOVA公司），其接口數(shù)量眾多，編程也較為簡(jiǎn)單，被廣泛運(yùn)用到工業(yè)控制領(lǐng)域中。

3? 結(jié)語

綜上所述，做好以機(jī)器視覺檢測(cè)為基礎(chǔ)的碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。因此，必須了解碼垛機(jī)器人具備的特點(diǎn)，并從圖像去噪、圖像分割以及軟硬件設(shè)計(jì)等入手，完成圖像處理與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作，提高機(jī)器人碼放穩(wěn)定性與可操作性，從而促進(jìn)物品高效碼放的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永勛，千紅濤.基于模糊控制的導(dǎo)軌型碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].包裝工程，2018，39（17）：170-175.

[2] 豆磊.碼垛機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018，45（7）：87