基于RobotStudio 的煤矸石視覺分揀系統仿真

魏 亮 馬慧娟

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

進入“十四五”階段，我國作為負責任的能源大國提出“碳達峰”、“碳中和”的要求，作為我國主要基礎能源來源的煤炭行業，加快行業智能化部署，提高整體能源利用率勢在必行。煤炭行業的“十四五”規劃中更是明確要求原煤入選率達到85%以上，對我國原煤入選率提高有確切的需求。以往的傳統洗煤流程采用人工的方式進行分揀，效率低，且工作污染大，精度低，重復體力勞動極易引發工人疲勞[1]。在煤矸石的分選流程中引入搭配視覺系統的工業機器人系統，不僅效率有所提高，也極大改善一線工人工作環境[2]。由于煤矸石分揀現場機器人直接操作不便，為方便優化視覺選煤機器人的運行程序和運動軌跡規劃、提高煤矸石分揀執行機構效率，本文設計了一種基于RobotStudio的虛擬機器人煤矸石分揀系統平臺，方便對不同的機器人運動算法、機器人執行軌跡設計進行仿真，以減少現場調試作業時間，提高整體生產效率。

1 搭建RobotStudio 仿真系統

1.1 搭建仿真工作站模型

完整的視覺機器人煤矸石分揀系統包括上料機、傳送帶、工業相機、傳感器、機器人以及配套的矸石處理運送系統，RobotStudio 支持外部模型導入，除機器人本體外的其他設備模型一般由三維建繪制完畢后，保存為可識別的文件格式，導入系統后進行布局規劃。

1.2 動態SMART 組件設計

RobotStudio 中SMART 組件是實現仿真系統的關鍵，具有動畫顯示、傳感器、邏輯運算等功能，同時可以附加信號點位模擬電磁閥開關等數字量控制信號[3]。使用SMART 組件可以實現仿真系統中的動態運動效果。本文使用SMART 組件進行物料傳輸系統和機器人抓取系統的仿真模擬。

1.2.1 傳送系統SMART 組件的工作流程

在RobotStudio 自帶的模型庫有長度和寬度自由調節的基礎傳送帶模型，在無特殊情況下，使用該模型可以實現場景的快速部署。在傳送帶模型的基礎上新建SMART 組件實現對物料傳送的動態仿真。

在傳送系統的SMART 組件中，需添加源（Source）、隊列（Queue）、直線運動器（LinearMover）、面傳感器（PlaneSensor）、邏輯運算器（LogicGate）等功能子組件。當仿真啟動后，直線運動器推動隊列沿傳送帶運動，物料通過源組件復制本體，復制體加入到始終運動的隊列中，復制體接觸到面傳感器后觸發信號將其移除隊列，停止移動，等待機器人抓取。當機器人抓取后，面傳感器物體消失的信號經過邏輯運算器取反后，再次觸發源組件復制物料，以此循環。此狀態下的傳送系統SMART 滿足仿真系統啟動時物料開始運動，到傳送帶末端時停止運動，且物料被移除后，傳動系統會重新生成一個物料重復以上過程。

1.2.2 系統的參數設置和屬性連接

SMART 功能子組件的添加過程相關參數都需要詳細的配置，根據設計方案進行功能子組件的配置和設計如圖1，圖1 中的箭頭指向線段代表屬性及信號的傳遞方向。

圖1 傳送系統SMART 組件的設計

1.3 創建和關聯I/O 信號

RobotStudio 中機器人控制系統需要手動添加I/O 系統，根據設計方案，仿真需要數字量接口即可，在機器人控制系統中添加DeviceNet 板卡，添加對應的I/O 信號見表1。

表1 I/O 信號創建

機器人控制系統信號創建后，仍然需要和仿真系統信號進行關聯后，才能在機器人程序中對仿真系統的信號進行控制和讀取。信號關聯邏輯如圖2。

圖2 I/O 信號的關聯

2 配置視覺系統

視覺系統是自動化系統進一步發展的方向，在傳統的機器人分揀工作中，機器人運行程序依靠示教等在線編程手段，精度有限，物料位置改變就會導致重新示教，不利于生產線的柔性化，極大增加了人工成本。采用視覺系統后，生產過程可以實現完全自動化運行，即使上料系統有積累誤差，視覺系統也可以根據實際傳遞的物料情況進行相應糾正。

2.1 視覺系統簡介

項目選擇Cognex In-Sight 智能相機實現視覺識別功能，該系統運行密閉式過濾器和邊緣幅度過濾器的速度比傳統系統快七倍，可以更快速地完成對目標物體的識別和運算，實現自動化生產過程，完成對人工的替換，擴大整體產能。

2.2 物料位置獲取

智能相機經過標定后，需要引入世界坐標系、像素坐標系、圖像坐標系和相機坐標系四個坐標系來描述識別目標三維空間與其在相機圖像中的關系。其中，世界坐標系（X，Y，Z）代表目標實際所在三維空間的絕對坐標系，像素坐標系（u，v）描述相機中感光元件實際物理像素位置，圖像坐標系（x，y）是以獲得圖像中點為原點的坐標系，相機坐標系（XC，YC，ZC）是以相機光心為原點的三維坐標系。實際目標位置的確定需要經過以上四個坐標系的相對變換[4]。

由系統最初獲得的是目標在相機感光器件上的投射，需要先進行像素坐標系到圖像坐標系的轉換。兩個坐標系之間軸方向相同，原點相差（u0，v0），可得坐標系之間的齊次表換關系如下：

其中：dx、dy分別表示對應x、y軸上的實際尺寸。

相機坐標系（XC，YC，ZC）中的點投射到圖像坐標系（x，y），如相機的焦距為f，由透射原理可建立兩者之間的數學模型：

相機坐標系（XC，YC，ZC）與世界坐標系（X，Y，Z）之間用3×3 矩陣表示坐標系之間的旋轉關系，3×1 矩陣表示坐標系之間平移關系，可得兩者之間的轉換關系：

聯立式（1）（2）（3）可得像素坐標系（u，v）與世界坐標系（X，Y，Z）之間的轉換關系為：

工業相機將獲取對應機器人坐標系中的數據采用TCP/IP 協議以太網通信，將數據傳遞給機器人進行解析。

3 機器人程序編寫

3.1 程序編寫

仿真系統中，機器人程序的編寫可以在虛擬示教器中采用和實際一樣的方式進行程序編寫，也可以直接在軟件程序界面直接輸入指令，完成編程。通常機器人編程時，將功能進行模塊化編寫，可以極大地縮減代碼量，提高程序的可讀性。

根據需要實現的功能，可以將程序功能分割為以下例行程序，如圖3。

圖3 機器人程序流程

以系統中分揀部分程序為例，關鍵指令代碼如圖4。

圖4 機器人分揀程序

3.2 系統調試和優化

在仿真中可以很方便地對算法和流程進行驗證，減少調試程序時間。仿真設定中將I/O 連接完畢后，打開信號仿真器，配合機器人移動系統，進行組件測試。動畫效果和預想一致后，在機器人虛擬示教器中使用程序控制鍵，單步執行程序。觀察信號變化和機器人移動，確認機器人系統運行無誤后，在仿真選項卡中點擊播放，進行系統整體仿真測試。此時仿真系統移動應與預想一致。

確定整體系統運行無誤后，可以借助機器人仿真軟件自帶分析器對機器人系統能耗和工作節拍進行調整，主要修改運動指令、轉彎半徑等影響機器人運行時間的指令和各中間接近點，使機器人效率最大化。經過多次測試和優化，測試程序機器人工作節拍由17.2 s 優化到13.4 s，整體效果提升明顯。

4 結語

本文針對視覺機器人煤矸石分揀系統，設計了一種基于RobotStudio 的仿真方法，可用于優化機器人運動軌跡和程序流程，提高系統整體運行效率。該方法為企業實際的機器人分揀系統提供了實驗平臺，方便進行高級算法的理論驗證，還可以有效減少現場調試時間，提供安全的生產環境，對智能化設備在行業內提高利用率具有積極的意義。