智能分揀的應用和探究

關鍵詞：智能分揀;工業機器人;3D相機

中圖分類號：TP311.56;TP391.44 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0075-03

Abstract：Before intelligent cameras were available，irregular objects were positioned by traditional positioning methods or special tools，which could not satisfy the positioning problem of multiple varieties using a single positioning method or a special tool. Based on the principle of triangulation or plane measurement，the point cloud data of workpiece can be scanned quickly by the speed of up to 12 million points per second，and then the 3D model of the object can be obtained by 3D modeling of the point cloud data，and the intelligent analysis of the modeling features can be made to determine the current position of the workpiece，and through network or special high-speed communication connection. ?The data is sent to the robot in front of the light. The robot obtains the relevant information of the workpiece，and then commands the robot to complete the grabbing action.

Keywords：intelligent sorting;industrial robots;3D cameras

1 ?智能分揀平臺簡介

對于工業機器人來說，操作重復的動作并不是一個有難度的任務，而如果是要面對一種無序的環境，就需要機器人對環境自主進行感知、分析和判斷，這意味著機器人就不能再依據傳統方式，即依靠之前設定好的程序繼續執行動作了。隨著3C行業（計算機、通訊、電子產品）的興起，機器人視覺也被帶動起來，它的特點就是給原來的機器人裝上3D視覺識別系統，滿足工業對自動化的需求，解決工業機器人無序抓取的難題。本平臺為面向工業4.0的機器視覺以及機械手抓取教學示范平臺，旨在展示“工業4.0”概念下產品經過3D相機掃描后輸出灰度及深度信息，從而確定產品在傳送帶上的位姿信息，再通過坐標轉換成機械手笛卡爾坐標系，以實現機械手精確智能分揀的智能化生產流程。

該平臺主要由機械手、3D相機、視覺主控機、傳送帶、按鈕控制盒及料盒等組成，具體布局如圖1所示。

1.1 ?智能分揀抓取平臺特色

（1）快速對無序物體進行3D識別、分割以及檢測;

（2）系統準確轉換成抓取的位置和姿態;

（3）傳送帶可實現不同速度及高度需求;

（4）可實現多種維度姿態的抓取。

首先無序發生器把不同物品無規律地放到傳送帶上，當有物品通過智能相機的拍攝區域時，相機自動觸發開始信號，并且開始拍攝物品位置，通過相機圖像成形技術建立物品三維模型，從而反饋和計算相應物品抓取點的位置，并且同時反饋給關節機器人。同時，由于輸送帶一直在運行，所以機器人通過計算輸送帶速度，得到物品準確抓取位置，進而機器人開始運動，并且準確運動到物品位置，然后觸發吸盤吸氣，吸起物品，并且把物品放到指定的物品位置，從而再開始原先的動作，如此循環，直到再也沒有觸發信號，便結束整個流程。

2 ?產品硬件介紹

2.1 ?工業機器人

隨著科學技術的發展，機器人的實際應用范圍也在不斷擴大，即使是在很多的傳統行業中，人們也在想方設法嘗試使用機器人來代替人類工作。近年來，工業機器人越來越多地進入到了人類的生產和生活中，并且工業機器人不斷朝著智能化和信息化的方向發展，智能工業機器人將極大地拉動經濟和社會進步，逐漸成為工廠自動化生產線的主要發展形式。比如在餐飲加工領域，技術人員已經開發出了諸多應用于不同場合的機器人，協助人類開展生產活動。

工業機器人是當前新工業革命形勢下產生的，面向諸多領域的多關節機械手或多自由度的機器設備，依靠自身動力和控制系統，可以自動執行任務和工作，來實現各種應用功能和應用場景需要的智能化的設備。其不僅可以按照人類的設定的方式，而且可以按照預先規劃好的路徑和邏輯來運行，不厭其煩地工作，不需要休息。隨著科學技術的飛速發展，如今的工業機器人已實現根據人工智能技術制定的原則和綱領行動，越來越智能，越來越高效。

工業機器人主要由主體（機械手）、驅動系統和控制系統三個基本部分組成，另外還包括各種連接電纜和應用軟件。控制技術的主要職責是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信息，并執行控制。控制系統是整個機器人的大腦，是決定機器人的性能和功能的主要要素，且具備編程語言簡單、操作簡易、人機交互界面美觀等特點。

i5 Robot是一種串聯型的六關節機器人，包括底座、轉盤、大臂、肘部、小臂、腕部、手部相鄰部件之間均是關節相連。部件的運動都由伺服電機驅動，控制系統由沈機智能自主研發和設計。

i5工業機器人廣泛應用于機械加工、裝配等自動化行業，不同抓取能力的機器人能滿足不同行業的需求。每個關節都有自己的限位角度，因此在操作機器人之前要要先了解機器人的工作范圍。

2.2 ?智能視覺

（1）智能視覺是一項綜合技術，是計算機科學的一個重要發展方向，更是人工智能快速發展的一個方向，它綜合了電氣、機械、通訊等多學科的技術，涉及計算機運算、電氣邏輯控制、運動控制、機械等多個領域。換一句話來說，智能視覺就是用計算機來模擬人的眼睛，實現對物體位置、姿態、形狀的獲取。智能視覺系統是通過智能視覺產品（3D相機）將物品轉化成圖像，并輸送給特殊的圖像處理機構，從而得到物體的位置、姿態、形狀等信息數據，并將其轉變成可設別的數字化信號;圖像處理機構再對這些信息進行各種運算，并對物體進行識別，根據識別結果來做出反饋，然后驅動現場的設備有所動作。圖像處理機構和模式識別等科技的發展，極大地推動了智能視覺的發展，具有高自定義、高穩定性、高定制性、高集成度以及靈活的IO輸出方式、良好的接口保護等特點。物品識別與分割3D相機能夠精準獲取小型物體位姿信息并對其進行處理，可實現3D點云數據的生成，深度方向的測量誤差為4.87μm，最高掃描速度可25000Hz/s，測量距離高達197mm。

i5Vision為CNC提供了一個視覺定位和視覺測量的功能，可以對工件表面某一形狀特征進行坐標定位、旋轉角測量和尺寸測量。

智能視覺系統的應用主要是為了提升生產率、信息化、自動化程度。隨著科學技術的快速的發展，特別是在諸多危險高、勞動強度大的工作的場合，就需要選擇機器視覺來代替人工視覺，同時在重復性的工作中，用傳統的人工視覺來檢查產品效率低下且質量不高，如果采用視覺檢測方案，則可以大大提高生產作業效率和生產節奏的自動化程度。機器視覺技術應用前景極為廣闊，目前應用于生活各領域，但在工業領域中實用化、商業化還有很大差距，因為工業現場具有條件復雜、環境惡劣、變化情況多等特點，因此亟待提高我國機器視覺技術的發展速度和水平，達到工業生產的智能化和現代化，為中國制造2025計劃做出巨大的貢獻。

（2）3D相機可切換3D輸出模式和灰度輸出模式，灰度輸出模式即普通相機模式，輸出原始的灰度圖像，圖像分辨率為1600×1088，可用于研究片光法三維建模方法。3D模式下，相機內自帶處理模塊及算法，可根據激光點偏離距離計算出每個點的z軸高度（高度圖），另外，還可以選擇輸出每個激光點的寬度值（激光分布圖）及光強度（強度圖）。它們都是1600點的一維數據。此項目采用3D模式輸出一維高度圖，可以預先調試標定好相機高度及相機參數，如此相機輸出的高度圖就是物體上點距離傳送帶的高度。傳送帶帶動物體勻速運動，3D相機對其連續拍照，拼合多幀高度圖，即可得到整個傳送帶通過3D相機掃描區域的物體深度信息。

3 ?輸送帶

輸送帶一般按是否有牽引件來進行分類，一般分為：有牽引件的輸送帶設備、無牽引件的傳送帶設備。有牽引件的傳送帶設備種類多，應用范圍廣，在我們日常生活中最常見的有稻谷機、機場中行李輸送帶和架空索道等;無牽引件的傳送帶設備，常見的有旋轉輥道、螺旋輸送機和振動輸送機等。

該平臺使用的傳送帶又叫柔性鏈板輸送機，是鏈板輸送機械設備中的一種，具有靈巧美觀、安裝簡便、結構標準、干凈無污染等特點，柔性鏈輸送機廣泛地應用于食品、藥品、罐頭飲料、紙制品、乳業、化妝品、煙草等對衛生要求比較嚴苛的行業。該平臺傳送帶由傳動機械結構、減速機以及伺服電機組成，通過機器人CNC控制伺服電機的運轉速度及其編碼器的反饋從而能夠確定物品在傳送帶上的具體位置，以實現機械手準確抓取。

4 ?視覺UI界面

視覺UI界面是特定開發的一款人機交互軟件，它集成了相機開關、數據采集開關、與機器人連接、標定、傳送帶速度匹配以及匹配模型等功能，相機相關的代碼是在halcon上開發的，UI是在QT上開發的。本平臺使用的界面為沈機（上海）智能系統研發設計有限公司自主設計和研發，該公司是一家專注于運動控制系統研發及提供運動控制整體解決方案的面向工業4.0，致力于高端電子產品設計、制造，并提供智能制造高端服務、定制化服務的工業服務公司。

本平臺中應用的有圓柱體、長方體、三角體和立方體，從而可以在相機軟件中人為來標定，可以設定不同物品和不同形狀，由于外置環境總是不斷變化的，比如光線、溫度等，因此檢測出來的結果一般不可能同設定物品百分百相符，所以說可以設置相似度達到多少就認為合格，相似度在多少以下就認為不合格，開放這個接口，用戶根據實際情況來確定。

5 ?結 ?論

隨著人工智能的興起與快速發展，機器視覺作為人工智能的一個重要分支，在人們的生產生活中不斷發揮著越來越重要的作用。而隨著人們對工作要求的不斷提高，以及不愿意從事重復勞動的要求，且人的眼睛容易疲勞，從而容易導致錯誤或漏檢情況的發生，因此智能分揀平臺就有了其市場需求，簡單來說就是利用機器來代替人的眼睛，從而達到對物體的準確判斷和測量，其特點是提高生產的柔性和自動化程度，并且在工業批量生產中可以大大提高作業效率，而且通過視覺也容易實現信息集成化，并對自動化生產過程實現高度兼容性，從而實現輕易驅動機械手等設備動作。智能分揀平臺就是利用機器視覺實現動態獲取物體位置姿態，然后驅動機械手實現動態抓取等一系列動作。

參考文獻：

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[3] 王迎暉.基于機器視覺的物料分揀工業機器人技術研究 [J].儀器儀表標準化與計量，2018（5）：28-30.

作者簡介：楊愛俊（1983.07-），男，漢族，江蘇淮安人，中級工程師，本科，主要研究方向：自動化。