張 星,吳麗明，曹 勁

(1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，福建 莆田 351254;2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械科，福建 莆田 351254)

人類在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中為了擺脫自身能力的局限性，發(fā)明和創(chuàng)造了許多智能機(jī)器來(lái)輔助或代替人類活動(dòng).[1]碼垛機(jī)器人是碼垛行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”.將視覺系統(tǒng)引入碼垛機(jī)器人中，可以改變傳統(tǒng)的PLC或單處機(jī)控制，提升碼垛活動(dòng)的靈敏性.同時(shí)，機(jī)器視覺系統(tǒng)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、智能化程度高等特點(diǎn)，這為移動(dòng)機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ).

碼垛機(jī)器人的視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)的高科技系統(tǒng)[2].美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)自動(dòng)化視覺協(xié)會(huì)定義機(jī)器視覺是，通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置.[3]系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算控制來(lái)采集和分析必要的數(shù)據(jù)，然后發(fā)出指令控制設(shè)備.碼垛機(jī)器人現(xiàn)已經(jīng)被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，如鞋材的涂膠.借助于視覺傳感系統(tǒng)，碼垛機(jī)器人能夠自動(dòng)捕捉鞋材的形狀，感知位置，實(shí)時(shí)進(jìn)行路徑規(guī)劃和涂膠處理，能有效地控制涂膠質(zhì)量，同時(shí)避免膠水給人體帶來(lái)的傷害，減輕人工操作的危險(xiǎn)性和工作強(qiáng)度.

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)Fig. 1 Integrated Design of System

機(jī)器視覺系統(tǒng)的目的是給機(jī)器增加一套視覺系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人眼視覺功能，其中視覺傳感器是關(guān)鍵.系統(tǒng)通過(guò)視覺傳感器獲取圖像，由計(jì)算機(jī)或者圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理后，提取并輸出有用的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制.碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示.

1.2 主要功能

機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要功能有如下3個(gè)方面：

(1)引導(dǎo)和定位.系統(tǒng)要求機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地找到加工零件并確認(rèn)其位置，引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行抓取、焊接或涂膠處理.[4]

(2)識(shí)別和采集.將經(jīng)過(guò)采集、分析和處理的圖像數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，建立可追溯系統(tǒng).

(3)外觀檢測(cè).利用數(shù)據(jù)比對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)加工的零件，判斷有無(wú)外觀缺陷等.

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)框架如圖2[5]所示.

圖2 系統(tǒng)整體框架Fig. 2 Overall System Framework

1.3 視覺匹配的原理

模型匹配是當(dāng)前最常用的圖像處理方法之一.[6]碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用IMAQ Vision模型匹配技術(shù).該技術(shù)采用了3種新方法，即高效率的非均勻圖像采集、圖像的幾何建模和與旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)的樣板信息提取.當(dāng)物體進(jìn)入相機(jī)曝光區(qū)域時(shí)，相機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，并計(jì)算物體的空間坐標(biāo)和方向數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)械手控制器.基于以太網(wǎng)TCP/IP的通訊服務(wù)器，不斷偵聽來(lái)自機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的視覺照片，以獲取目標(biāo)的位置信息指令.如圖3所示，系統(tǒng)捕捉到加工零件的外形并自動(dòng)定位中心.

圖3 系統(tǒng)采集圖像Fig. 3 System Acquisition Image

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件部分主要是由光源、鏡頭、攝像機(jī)、控制機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成.光學(xué)鏡頭和攝像機(jī)構(gòu)成圖像采集部分，完成圖像的采集和轉(zhuǎn)換，是系統(tǒng)重要的組成部件；控制機(jī)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是圖像抓取、模型匹配、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)標(biāo)識(shí)和跟蹤目標(biāo)選擇等功能程序的載體；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的最后一環(huán)，也是最核心的部件，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行各類動(dòng)作.這里選用自行開發(fā)的六軸機(jī)械手作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu).

2.2 軟件部分

機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟件部分采用LabVIEW(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái))圖形化編程工具.LabVIEW是一個(gè)編程環(huán)境，具有直觀、易學(xué)易用、通用編程系統(tǒng)和模塊化等特點(diǎn)，人機(jī)界面友好，可實(shí)現(xiàn)多種功能，如數(shù)據(jù)采集、圖像處理、數(shù)據(jù)分析和運(yùn)動(dòng)控制等.在LabVIEW中用戶可用圖形符號(hào)編程，通過(guò)數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)連接功能節(jié)點(diǎn)，縮短了控制軟件的開發(fā)周期.視覺采集軟件界面如圖4所示，程序編寫軟件界面如圖5所示.

圖4 圖像采集界面截圖Fig. 4 Screenshot of Image Acquisition Interface

圖5 程序運(yùn)行控制界面截圖Fig. 5 Screenshot of Program Operation Controlling Interface

2.3 執(zhí)行部分

機(jī)械手執(zhí)行部分主要是用Visual C++ 6.0開發(fā)的通用六軸機(jī)器人控制軟件，實(shí)現(xiàn)控制功能.此控制系統(tǒng)具有界面美觀、操作方便、功能齊全、性能穩(wěn)定的人機(jī)操作接口和控制特點(diǎn)[7]，全漢字化的程序和代碼顯示為程序編寫提供了極大方便.模塊化功能設(shè)置，優(yōu)化的DH架構(gòu)，適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)形式的本體控制，使得只需通過(guò)一定的參數(shù)設(shè)定和硬件上的線路連接，就可實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)的點(diǎn)位、直線、圓弧等運(yùn)動(dòng)控制，保證機(jī)器人高速、高精度運(yùn)行且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)精密、快速、智能化、柔性化的生產(chǎn).執(zhí)行的部分程序如下：

0000 程序開始

0001 速率=25.0%

0002 加減速的時(shí)間=250 ms

0003 工具轉(zhuǎn)換=1

……

0006 *相機(jī)拍照獲取物體坐標(biāo)

0007 *開啟相機(jī)拍照后工作偏移模式

……

0009 平滑開啟

0010 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)J(18)，速度=20.0%

0011 直線運(yùn)動(dòng)J(19)，速度=默認(rèn)速度

……

0017 直接運(yùn)動(dòng)J(25)，速度=默認(rèn)速度

0018 直接運(yùn)動(dòng)J(26)，速度=默認(rèn)速度

……

0031 *關(guān)閉拍照后工作偏移模式

……

0033 設(shè)置輸出3=ON

……

0035 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)J(17)，速度=35.0%

0036 等待3 000 ms

0038 轉(zhuǎn)到0006行

……

0057 結(jié)束

3操作實(shí)例

以鞋材涂膠為例，為了提高鞋材涂膠的精度和效率，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求自行開發(fā)碼垛機(jī)器人涂膠系統(tǒng).操作步驟如下：

(ⅰ)啟動(dòng)電源，顯示開機(jī)界面.

(ⅱ)登錄涂膠系統(tǒng)，進(jìn)入六軸視覺系統(tǒng)，再進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面.

(ⅲ)參數(shù)界面單擊【零點(diǎn)設(shè)置】，成功后進(jìn)入程序設(shè)計(jì).

(ⅳ)單擊【參數(shù)設(shè)置】，再點(diǎn)取【外掛視覺設(shè)置】，連接控制器，相機(jī)開始捕捉信號(hào).

(ⅴ)視覺系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)并進(jìn)行圖像處理.

(ⅵ)圖像信號(hào)分析、處理完畢后，機(jī)械手開始執(zhí)行命令，對(duì)鞋材進(jìn)行涂膠處理.

信號(hào)捕捉和處理如圖6所示.

圖6 信號(hào)捕捉和處理截圖Fig. 6 Screenshot of Signal Capture and Processing

4 結(jié)語(yǔ)

在簡(jiǎn)單重復(fù)作業(yè)中，人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、誤差大.碼垛機(jī)器人增加視覺系統(tǒng)后更具智能性，顯著提高生產(chǎn)效率和作業(yè)精度[8-9]，為“機(jī)器換工”奠定基礎(chǔ).目前，系統(tǒng)已完成軟硬件安裝，初步測(cè)試結(jié)果顯示達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).下一步的研究方向是針對(duì)系統(tǒng)的以下不足加以改善：(1)通信的原因，只實(shí)現(xiàn)了單目功能，這與人眼的雙目成像還有一定的距離，成像效果需進(jìn)一步提升，算法可以更加優(yōu)化；(2)視覺系統(tǒng)的圖像采集優(yōu)化程度不夠，對(duì)于不規(guī)則物體的識(shí)別能力有限.

[1] 張 星.基于VB6.0平面盤形凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)的研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,26(1):29-32.

[2] 張文化.視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2016,27:164-166.

[3] 魏 嘉.視覺識(shí)別系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社,2012.

[4] 李紫艷，劉奇付，李春曉.基于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的機(jī)器人焊接路徑修正研究[J].鑄造技術(shù),2017,38(2):412-415.

[5] 申一歌，靳 果.基于DSP和μC/OS-Ⅱ的采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017(6):223-226.

[6] 李化東，吳明光，陳大力，等.基于LabVIEW的運(yùn)動(dòng)物體跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].科技通報(bào),2009,25(3):332-336.

[7] 張 星.基于平面盤形凸輪CAD系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(5):45-48.

[8] 賈丙西，劉 山，張凱祥，等.機(jī)器人視覺伺服研究進(jìn)展:視覺系統(tǒng)與控制策略[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2015,41(5):861-869.

[9] 陳善本,呂 娜.焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].點(diǎn)焊機(jī),2013(5):28-37.