基于工業機械臂的鋼筋的視覺識別分揀的研究與應用

馬栓鵬，蘇世龍，靳程銳，樊則森，雷俊，楊博

(中建科技集團有限公司， 廣東 深圳 518118)

1 引言

2020年7月，住房和城鄉建設部等13部門聯合發布了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（建市〔2020〕60 號）（以下簡稱《意見》），《意見》給出了推進建筑工業化、數字化、智能化升級，加快建造方式轉變，推動建筑業高質量發展的意見。此文件的發布更加堅定了建筑工業化的道路。建筑工業化就是借鑒工業生產的經驗，取其精華,去其糟粕，在應用中改進落后的建筑生產工藝，既要提高效率，也要充分考慮了建筑業的現狀?？苿撝行脑诮涍^實踐和調研后，發現現有的鋼筋工程的作業不僅機械化程度低，而且是一個勞動密集型的工作，同時普遍存在用工荒的現象。雖然片狀鋼筋網已實現自動化生產，但是柱子、飄窗等復雜鋼筋網籠的綁扎還是由純人工完成[1]。因此，人工綁扎存在的問題，如綁扎標準化差、下模澆筑時需要大量的修正等問題普遍存在。此問題的根本原因是鋼筋生產沒有標準化，鋼筋的調直、折彎不達標，然而調直折彎的精度確影響著后續生產能否自動化。因此，本課題意在研究鋼筋標準化調直折彎，以及自動化分揀和供料，根源性地解決了后續工藝需要做的修正工作，為鋼筋籠的自動化生產提供基礎支撐。

2 工業機械臂鋼筋使用中存在的問題

2.1 鋼筋沒有統一標準

在13部委發布的《意見》中明確提出了大力發展裝配式建筑，推動建立以標準部品為基礎的專業化、規模化、信息化生產體系。大力推進先進制造設備、智能設備及智慧工地相關裝備的研發、制造和推廣應用，提升各類施工機具的性能和效率，提高機械化施工程度的要求。建筑工業化既是機械化過程也是自動化過程，通過改造舊有生產工藝，解決舊有工藝存在的產品質量不一、勞動密集、工作環境差、生產效率低下等問題，提升舊有生產方式的機械化和自動化程度。在預制混凝土構件廠，構件生產的最重要的一環就是鋼筋的生產，而鋼筋綁扎的第一步就是鋼筋的調直折彎，因此，鋼筋的標準化生產將影響后續的所有生產工藝和生產狀況[2]。

2.2 機械化和自動化水平不高

在PC構件生產中，鋼筋加工的機械化和自動化水平普遍不高。常見的生產工藝是這樣的：鋼筋工人將盤圓鋼筋接到調直切斷機，然后手動輸入鋼筋長度和數量，再然后控制機器將鋼筋調直、切斷。加工完的長直筋被運送到彎折工位，此工位的工人通過折彎機對鋼筋進行折彎處理。此種生產方式普遍存在著鋼筋長度有的太長，有的尺寸不夠的問題，而且在折彎處理中也存在折彎角度過大或者過小以及折彎位置存在偏差的問題。這些偏差就會影響鋼筋籠綁扎環節以及鋼筋籠下模澆筑的工藝，甚至影響構件的拼裝效果。

3 解決對策

3.1 調直折彎問題的解決方法

調直折彎問題，可采用調直折彎一體機解決。它可以將盤圓鋼筋一步到位加工成型，成品鋼筋的尺寸和折彎角度都能得到很好的保證。但是，一體機也有其局限性。它是一個獨立的機器，目前還不能與后續工藝工位相串聯，一體機生產的鋼筋也是雜亂無章地散落在地上，這對后續的輸送和自動化抓取極為不利，不能直接為下一工藝的鋼筋網籠的自動綁扎提供標準化、有序的成批鋼筋。因此，將盤圓鋼筋的調直、折彎、切斷、輸送、分揀放在一個系統中解決是很有必要的，能有效地解決鋼筋標準化不達標和鋼筋自動化上料的問題[3]。

在本課題的研究中還是采用調直折彎一體機加工鋼筋。一體機加工鋼筋具有一致性好，鋼筋尺寸和折彎角度標準化高的特點。然后，為一體機設計一個接收裝置，將加工完的鋼筋接收到輸送鏈，通過輸送鏈進行輸送。在輸送鏈的正上方放置相機，相機與工業PC相連，PC運行視覺算法，算法輸出鋼筋的類型以及位置坐標；以以太網為物理連接，通過數據協議發送給機械臂；機械臂通過數據解析算法獲得控制指令和數據；然后，機械臂動態跟蹤輸送鏈，到達鋼筋上方，并且與輸送鏈保持同速，再然后抓取鋼筋，且放到料盒中。每個料盒可集中存儲一批鋼筋，料盒滿倉后，由移栽機將料盒移栽到另一條輸送鏈上，料盒通過輸送鏈可運輸到鋼筋綁扎自動化工作站，也可以為人工綁扎供料[4]。

3.2 視覺識別技術

此生產工藝使用了以視覺識別為核心的整套技術。為了突破現有相機的拍照范圍的局限，采用了圖像拼接技術，在相機標定的基礎上，根據特征點將圖像進行拼接。將拼接圖像輸入深度學習的算法中，在本課題中采集了上千張的優質圖像用于神經網絡的訓練，可在毫秒級內識別出鋼筋的類型。并且根據鋼筋的類型，通過幾何計算算法得出鋼筋的抓取點和抓取角度，最后發送到機械臂。

在此系統中還融合了輸送鏈跟蹤技術。相機作為一個傳感器為機械臂提供跟蹤信號，機械臂在跟蹤信號來臨時，開始通過旋轉變壓器跟蹤輸送鏈運行距離，并且實時反饋到機械臂系統。在實時跟蹤下、物料的抓取可以在輸送鏈動態下實現，有效地保證了整套系統的效率。

在機械臂的前端還設計了專用的抓取工具，此工具除了抓取功能以外還具有鋼筋姿態調整功能。通過伸縮氣缸和旋轉電機對鋼筋進行姿態的調整，便于將鋼筋整齊地放到料盒，整套前端執行器由PLC驅動，機械臂與PLC通過Profinet通信協議實現通信控制，保證了前端工具功能的實現。

整套系統由安全PLC統籌調配。首先，操作人員與HMI交互，獲取加工信息；PLC從HMI獲取信息，經過處理后，將加工命令發送到鋼筋調直折彎一體機、輸送鏈、機械臂等控制單元。PLC通過網絡與遠程的智慧建造平臺相連接，工作站的實時數據會上傳到智慧建造平臺，實現了遠程實時監測工作站的運行情況。在未來也可以在辦公室內下達生產命令，在遠在千里的工廠實施生產[5]。

4 結語

基于工業機械臂的鋼筋的視覺識別分揀工作站在行業內屬于首例，在以往的鋼筋加工中，各種小型設備獨立運作，生產單元也相對比較獨立，無法有效地串聯起來，形成1+1大于2的效果。在建筑工業化驅動下，采用信息化和自動化的手段，將整個鋼筋加工工藝打通，形成完整的生產流水線，極大地提高了鋼筋加工的效率，也進一步推動了建筑業的發展?？梢哉f，這在建筑工業化探索的道路中邁出了一小步。