王建華，徐鯤鵬，丁信剛

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221140； 2.徐州至信建材機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221000)

0 引言

傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線普遍利用各種傳感器來檢測(cè)工件類型，一般只能獲取工件的材質(zhì)、顏色和高度等信息，很難得到工件的完整形狀。而工業(yè)機(jī)器人抓取位姿點(diǎn)一般采用示教方式逐一記錄，限制了機(jī)器人的自動(dòng)化水平。近年來，智能相機(jī)(Smart Camera)在智能制造工程中的應(yīng)用越來越廣泛，它是一種集成化高的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，將圖像的采集、處理和通信功能集成于相機(jī)內(nèi)，具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)；同時(shí)，應(yīng)用了DSP、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度高，可滿足多種機(jī)器視覺的應(yīng)用需求。本文將視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工件位置視覺檢測(cè)和自動(dòng)抓取，避免了繁瑣的機(jī)器人位姿點(diǎn)示教，擴(kuò)展了機(jī)器人智能化，并利用視覺技術(shù)獲取工件形狀，實(shí)現(xiàn)了工件按形狀的自動(dòng)分揀[1-2]。

1 基于智能相機(jī)的機(jī)器人定位和分揀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于智能相機(jī)的機(jī)器人定位和分揀控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面、S7-1200PLC、智能相機(jī)、工業(yè)機(jī)器人和傳輸線變頻器G120組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面、PLC和傳輸線變頻器之間通過交換機(jī)鏈接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；智能相機(jī)、工業(yè)機(jī)器人和PLC間使用Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3-4]。

圖2為機(jī)器人定位和分揀控制流程。先進(jìn)行初始化，當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后托盤流水線開始運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工件托盤行走；當(dāng)托盤經(jīng)過拍照位光電傳感器后，產(chǎn)生一個(gè)下降沿使拍照位置氣缸抬起，拍照氣缸抬起觸發(fā)相機(jī)拍照；拍照完成后PLC對(duì)相機(jī)拍照數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理完成拍照氣缸下降，托盤繼續(xù)跟隨托盤流水線前行，并將數(shù)據(jù)傳給機(jī)器人。

2 智能相機(jī)配置

2.1 工件學(xué)習(xí)

本控制系統(tǒng)采用無錫信捷電氣有限公司的SV4系列相機(jī)，該相機(jī)是一款集采集和處理于一體的智能相機(jī)，通過內(nèi)含的 CCD/CMOS傳感器采集高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)圖像，其內(nèi)嵌數(shù)字圖像處理(DSP)芯片，能脫離PC機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算處理，PLC在接收到相機(jī)的圖像處理結(jié)果后進(jìn)行動(dòng)作輸出。相機(jī)軟件為X-Sight Studio，相機(jī)學(xué)習(xí)工件流程如圖3所示，軟件X-Sight Studio學(xué)習(xí)工件過程如圖4所示。

圖1 機(jī)器人定位和分揀控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相機(jī)學(xué)習(xí)工件具體過程如下：

(1) 設(shè)置相機(jī)的IP地址為“192.168.8.3”，計(jì)算機(jī)IP地址為“192.168.8.1”。

(2) 計(jì)算機(jī)和相機(jī)連接后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”和“顯示圖像”按鈕，顯示當(dāng)前相機(jī)拍到的圖像，如圖4(a)所示。

(3) 采用“圖案定位”定位物體。拖動(dòng)矩形窗口，將要識(shí)別的物體包在矩形框中。在矩形位置確定之后，將“目標(biāo)搜索的最大個(gè)數(shù)”修改為3，表示一次可以識(shí)別最多3個(gè)工件。配置完后，在相機(jī)下方放置某一工件，如圖4(b)所示。注意有兩個(gè)矩形框，其中內(nèi)部為物體識(shí)別框，外側(cè)為搜索框，當(dāng)物體放置超出搜索框范圍時(shí)，則相機(jī)無法識(shí)別物體。調(diào)整搜索框和識(shí)別框之后，雙擊“Tool1”， 點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)”完成工件學(xué)習(xí)。所有工件均按照該方法預(yù)先學(xué)習(xí)[5]。

圖2 機(jī)器人定位和分揀控制流程

(4) 驗(yàn)證相機(jī)對(duì)工件學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度。在相機(jī)下方

放置了2個(gè)已經(jīng)學(xué)習(xí)過的工件，如圖4(c)所示；識(shí)別后分別得到了2個(gè)工件相對(duì)于初始學(xué)習(xí)的x坐標(biāo)偏移量、y坐標(biāo)偏移量和旋轉(zhuǎn)角度偏移量，如圖4(d)所示；通過Modbus/TCP將該數(shù)據(jù)和工件形狀傳送給工業(yè)機(jī)器人。

圖3 相機(jī)學(xué)習(xí)工件流程

圖4 軟件X-Sight Studio學(xué)習(xí)工件過程

2.2 相機(jī)和機(jī)器人的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

相機(jī)坐標(biāo)系(XC,YC,ZC)和機(jī)器人坐標(biāo)系(XW,YW,ZW)一般是不一致的，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，如圖5所示。

圖5 坐標(biāo)系變換

坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換可用平移和旋轉(zhuǎn)來描述，表達(dá)式為：

PW=RPC+T.

(1)

其中：PW為工件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；PC為工件在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；R和T分別為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

公式(1)用齊次坐標(biāo)表示為：

(2)

R和T是將工件從相機(jī)坐標(biāo)系PC變換到機(jī)器人坐標(biāo)系PW下的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣，由智能相機(jī)拍照采集圖像和分析得到，并最終傳給機(jī)器人，從而指導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

3 智能相機(jī)數(shù)據(jù)的PLC處理

在S7-1200建立TCP_CAMERA_DATA數(shù)據(jù)塊，存儲(chǔ)從相機(jī)傳送過來的工件數(shù)據(jù)，如圖6所示。假設(shè)有8種不同形狀的工件，一個(gè)托盤中最多放置3個(gè)隨機(jī)工件，每個(gè)工件包含X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度3個(gè)數(shù)據(jù)，所以用二維數(shù)組[0，…，7；0，…，8]存放讀取的數(shù)據(jù)，其中0～7代表8種類型物品，0～8代表一個(gè)托盤中3種工件的坐標(biāo)。譬如相機(jī)采集1號(hào)類型工件，得到工件的X坐標(biāo)存入數(shù)組CAMERA DATA [0,0]，工件的Y坐標(biāo)存入數(shù)組CAMERA DATA[0,1]，工件的偏移角度存入數(shù)組CAMERA DATA[0,2]。如果這個(gè)托盤中還有一個(gè)1號(hào)類型的工件，則依次存在數(shù)組CAMERA DATA [0,3]、CAMERA DATA[0,4]和CAMERA DATA[0,5]。相機(jī)采集2號(hào)類型工件時(shí)，則依次存入數(shù)組CAMERA DATA [1,0]，CAMERA DATA [1,1]，……。

因此，相機(jī)采集和分析得到的工件類型和坐標(biāo)，將依次存入數(shù)組CAMERA DATA[工件類型 工件坐標(biāo)]，其中數(shù)組前面一位表示工件類型，后面一位依次存放工件的X、Y和偏移角度。

智能相機(jī)與PLC通過Modbus/TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖7所示。由于通訊是相互的，所以兩個(gè)MB_CLIENT分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀和寫[6-7]。

圖6 PLC數(shù)據(jù)塊設(shè)置

圖7 Modbus/TCP通訊的PLC程序

4 結(jié)語

在智能制造工程中，經(jīng)常需要對(duì)工件按形狀分類，采用一般的光電或光纖傳感器很難實(shí)現(xiàn)工件形狀測(cè)量，而智能相機(jī)作為新型傳感檢測(cè)設(shè)備，能夠高精度地測(cè)量工件二維甚至三維輪廓。此外，在工業(yè)機(jī)器人拾取工件時(shí)，工件位置坐標(biāo)一般通過示教定點(diǎn)方式記錄，該方法比較復(fù)雜、智能化水平低、精度不高，而采用智能相機(jī)檢測(cè)工件的位置，并將工件在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系中，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺抓取，大大提高了機(jī)器人的智能化。

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