汝 杰，李俊峰，沈軍民

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

鋼化玻璃絕緣子(toughened glass insulator， TGI)全稱盤型懸式鋼化玻璃絕緣子[1]，具有零值自破、壽命長(zhǎng)、耐振動(dòng)疲勞、抗冰害等的優(yōu)異特性，主要用于高壓和超高壓交、直流輸電線路中[2]。在TGI的生產(chǎn)制造工藝過程中，需要上窯進(jìn)行均質(zhì)處理，而目前生產(chǎn)企業(yè)均是通過手工方式完成。這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，工作環(huán)境差，人為影響因素大，不利于滿足大規(guī)模、自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。

機(jī)器視覺可替代人工視覺，用于全自動(dòng)裝配和生產(chǎn)[3-7]。陳澤寧等[8]在工件的定位與識(shí)別方面通過求取工件輪廓中心矩和輪廓軸線二階導(dǎo)數(shù)的最小值，求得工件的中心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度，然后提取模板工件的Hu不變矩與工件輪廓的Hu不變矩，利用輪廓的相似度量函數(shù)識(shí)別工件類型，但對(duì)于背景區(qū)分不大、工件之間存在重疊的情況，匹配結(jié)果不盡理想；李長(zhǎng)勇等[9]提出了一種基于機(jī)器視覺的煙箱包裝帶識(shí)別與定位算法，該算法能夠?qū)Ω鞣N顏色的包裝帶進(jìn)行識(shí)別與定位，但是對(duì)于棱角不明顯、干擾因素多的情況下效果不佳；陳海永等[10]針對(duì)集裝箱薄板對(duì)接焊，提出一種新穎的焊接機(jī)器人起始點(diǎn)識(shí)別和焊槍精點(diǎn)的視覺控制方法，并使用直線霍夫變換方法實(shí)現(xiàn)焊縫直線的識(shí)別與焊縫特征點(diǎn)的提取，該方法具有較好的魯棒性。

本文將機(jī)器視覺引入到TGI柔性生產(chǎn)線上[11]，并自主研發(fā)相關(guān)設(shè)備，開發(fā)出鋼化玻璃絕緣子識(shí)別與定位算法。

1 TGI智能上窯系統(tǒng)的組成

該智能上窯定位裝置的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能上窯系統(tǒng)方案

TGI智能上窯定位裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)組成，主要完成的任務(wù)有：對(duì)待上窯的TGI進(jìn)行識(shí)別與定位，確定TGI的中心坐標(biāo)以及正、反情況；利用機(jī)械手夾爪將識(shí)別的正、反擺放TGI逐個(gè)抓取，并進(jìn)行即時(shí)翻轉(zhuǎn)，最后按照具體要求擺放在窯爐的傳送帶上。該系統(tǒng)采取兩步走的策略，其工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

1.1 機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TGI的抓取機(jī)構(gòu)為機(jī)械手夾爪，通過六軸機(jī)器人和機(jī)械手夾爪的配合實(shí)現(xiàn)TGI的上窯操作[12]。利用自主研發(fā)的機(jī)械手夾爪，將其安裝在六軸機(jī)器人T軸的法蘭盤上，其中：左機(jī)械手負(fù)責(zé)完成對(duì)反面放置TGI的吸取和放置；右機(jī)械手負(fù)責(zé)完成對(duì)正面放置TGI的夾取和放置；左、右機(jī)械手通過齒輪、鏈條傳動(dòng)完成TGI的翻轉(zhuǎn)；左、右機(jī)械手上的手爪負(fù)責(zé)完成對(duì)隔板和托架的抓取與放置。

1.2 控制部分設(shè)計(jì)

該智能上窯定位裝置以工控機(jī)為中心控制相關(guān)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，通過RS-232串口通信完成信號(hào)的傳輸。上位機(jī)工控機(jī)通過Gige千兆網(wǎng)與工業(yè)相機(jī)進(jìn)行通信，并利用開發(fā)的識(shí)別與定位算法對(duì)相機(jī)采集的TGI圖像進(jìn)行處理，獲取TGI的中心坐標(biāo)。下位機(jī)PLC通過CC-LINK模塊與機(jī)械人進(jìn)行通信，通過控制機(jī)械手夾爪完成對(duì)TGI的抓取和放置。

1.3 視覺部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用高端集成吊頂燈作為該系統(tǒng)的光源，并設(shè)計(jì)了相機(jī)升降機(jī)構(gòu)。光源的正下方為相機(jī)升降機(jī)構(gòu)，其上安裝有CCD工業(yè)相機(jī)，通過相機(jī)標(biāo)定，確定相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，進(jìn)而可以確定相機(jī)的安裝位置。

光源和視覺采集平臺(tái)如圖3所示。

圖3 光源和視覺采集平臺(tái)

根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)TGI擺放規(guī)則、最大款TGI的成像及機(jī)械手夾爪的設(shè)計(jì)要求等因素，系統(tǒng)定位誤差不能超過5 mm，相機(jī)視野為1 300 mm×900 mm。相機(jī)選用DALSA公司的Genie M2560面掃描相機(jī)，分辨率為2 560×2 048，鏡頭焦距為16 mm。視覺系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 視覺系統(tǒng)控制流程

2 基于信息融合的TGI識(shí)別與定位算法

通過視覺采集平臺(tái)，該智能上窯定位裝置獲取TGI圖像，如圖5所示。

圖5 鋼化玻璃絕緣子圖像

傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)算法在單位像素內(nèi)所獲得邊緣控制點(diǎn)并不精確，獲得的中心坐標(biāo)也不準(zhǔn)確，故筆者采用亞像素精度獲取邊緣輪廓。

筆者在提取亞像素精度邊緣輪廓的過程中，采用本文提出的三點(diǎn)插值法，獲得輪廓邊緣的一系列控制點(diǎn)，從而獲得亞像素精度邊緣輪廓，然后利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合。

2.1 特征輪廓提取

為實(shí)現(xiàn)像素的細(xì)分，本文采用三點(diǎn)插值法[13]。插值具體過程如下：

先在x方向上對(duì)R1和R3進(jìn)行插值，如下式所示：

(1)

(2)

式中：x，x1，x2—x方向像素;f—像素點(diǎn)x方向像素值。

然后在y方向上對(duì)R1和R3進(jìn)行插值，如下式所示：

(3)

式中：y，y1，y2—y方向像素；f1—像素點(diǎn)p在y方向像素值。

由式(1，2)代入式(3)可以得到f1(p)結(jié)果；在x方向上對(duì)R2進(jìn)行插值，可以得到：

(4)

式中：x，x1，x2—x方向像素；f—像素點(diǎn)x像素值。

在y方向上對(duì)R2和R3進(jìn)行插值，可以得到f2(p)：

(5)

式中：y，y1，y2—y方向像素；f2—像素點(diǎn)p在y方向像素值。

由式(3，5)可以得到點(diǎn)pi+x，j+y處的灰度值：

(6)

式中：f—像素點(diǎn)p在x、y方向像素值。

利用上述計(jì)算過程，插值結(jié)果如圖6所示。

圖6 本文提取的邊緣輪廓

2.2 輪廓擬合

計(jì)算出邊緣數(shù)據(jù)之后，由于存在畸變，邊緣成橢圓輪廓，本研究利用最小二乘法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[14]，利用方程直接求出橢圓的中心位置，以該點(diǎn)為中心繪制圓近似替代橢圓輪廓，具體的計(jì)算過程如下：

設(shè)橢圓輪廓坐標(biāo)的數(shù)據(jù)為：Nc=[(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)]，其中：(x1，y1)，(x2，y2)，(xn，yn)—該橢圓中各控制點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

橢圓的一般方程可寫為：P(X，R)=x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=0，其中：R—曲線參數(shù)，R=[A，B，C，D，E]；X—坐標(biāo)向量，X=[x2xyy2xy1]T。因此橢圓圓心坐標(biāo)(x0，y0)可以表示為：

(7)

式中：x0—橫坐標(biāo)；y0—縱坐標(biāo)。

那么橢圓長(zhǎng)、短軸可以表示成：

(8)

式中：a，b—橢圓的長(zhǎng)、短軸。

(9)

本研究通過上述的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輪廓擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 擬合結(jié)果

反面特征擬合的中心是4個(gè)擬合圓中心坐標(biāo)的平均值，由于畸變的影響，從圖像的中心向四周逐漸發(fā)生扭曲偏移，每個(gè)產(chǎn)品近中心位置處偏移量最小，中心區(qū)域最接近真實(shí)值。擬合中心與真值對(duì)比如圖8所示。

圖8 中心坐標(biāo)對(duì)比

通過畸變校正實(shí)驗(yàn)，第①組近心中心為(1 121.65，968.197)，目標(biāo)中心為(1 114.465，968.255)，誤差為(+7.185，-0.058)；第②組近心中心為(726.713，660.287)，目標(biāo)中心為(710.021，651.374)，誤差為(+16.692，+8.913)；第③組進(jìn)行中心為(1 788.75，992.128)，目標(biāo)中心為(1 803.57，991.007)，誤差為(-14.82，+1.121)。

通過實(shí)驗(yàn)可知：在水平方向上具有7～16個(gè)像素誤差，即不超過±3.5 mm～8.0 mm的誤差；在豎直方向上最大不超過10個(gè)像素誤差，即不超過±5 mm的誤差。而機(jī)械手夾爪每次抓取前起止位置為產(chǎn)品的正上方，之后根據(jù)反饋的坐標(biāo)值，每次抓取產(chǎn)品調(diào)節(jié)的控制量有本體回轉(zhuǎn)X-，X+，下臂前后擺動(dòng)Y-，Y+，上臂上下擺動(dòng)Z-，Z+。為了滿足定位精度，在本體回轉(zhuǎn)控制量上，設(shè)置為向左X-+5.5 mm，向右X+-5.5 mm，這樣水平方向上的誤差可以控制在±(2.0～2.5) mm，滿足本項(xiàng)目的精度要求。

2.3 基于小波的多尺度輪廓特征匹配

利用上文中擬合的正、反輪廓作為特征，經(jīng)小波變換，采用由粗到精的匹配策略[15-17]，具體的過程如下：

(1)將模板圖像和目標(biāo)圖像利用小波變換得到尺度空間M下的分量；

(2)在j=M上進(jìn)行特征匹配，獲得最佳的匹配輪廓Li；

(3)從第二層開始，上一層的匹配結(jié)果將作為本層的初始值，即把在j=M層得到的最佳匹配輪廓映射到j(luò)=M-1層圖像上，然后再在j=M-1層圖像上進(jìn)行匹配，進(jìn)行更精細(xì)的匹配；

(4)另j=j-1重復(fù)上述(3)操作，隨著匹配層數(shù)的增加，可以將假目標(biāo)層層排除，直至在原始圖像上(即j=0時(shí))進(jìn)行最終的匹配，從而獲得最終的目標(biāo)以及中心坐標(biāo)的定位。

2.4 測(cè)距校正

為了提高準(zhǔn)確率，該智能上窯裝置利用機(jī)械手夾爪上的激光測(cè)距傳感器，通過其發(fā)射激光脈沖，測(cè)量傳感器到TGI產(chǎn)品第一接觸面的距離，通過公式判斷，確定是否為誤檢。

TGI產(chǎn)品測(cè)距校正如圖9所示。

圖9 測(cè)距校正H1—激光測(cè)距傳感器到反面放置TGI第一接觸面的距離，經(jīng)過多次測(cè)量H1取平均值為200 mm；H2—激光測(cè)距傳感器到正面放置TGI第一接觸面的距離，多次測(cè)量H2取平均值為20 mm

H1與H2的關(guān)系滿足：

H2?H1

(10)

H1-10≤H≤H1+10

(11)

H2-10≤H≤H2+10

(12)

式中：H，H1，H2—實(shí)際測(cè)量、反面測(cè)量、正面測(cè)量距離。

其中：實(shí)際測(cè)量距離為H，若滿足式(11)的條件，則認(rèn)為TGI為反面放置；若滿足式(12)的條件，則認(rèn)為TGI為正面放置。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 智能上窯裝置

該智能上窯定位裝置系統(tǒng)選用2 G內(nèi)存臺(tái)式的工控機(jī)，利用VC++中的MFC搭建系統(tǒng)界面，并在指定模塊下進(jìn)行編程，智能上窯定位裝置系統(tǒng)界面及控制機(jī)器人如圖10所示。

圖10 智能上窯裝置

3.2 不同時(shí)間段光照對(duì)識(shí)別的影響

TGI上窯流水線安裝于室內(nèi)，由于TGI表面光滑且成弧狀，極易反光，該識(shí)別與定位系統(tǒng)在通風(fēng)窗處安裝有遮光窗簾。

本文通過大量采集上午、下午和晚上的TGI產(chǎn)品圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，隨機(jī)抽取上午、下午、晚上的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同光照下TGI識(shí)別結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雖然在自然光的影響下圖像的成像質(zhì)量不好，但是該識(shí)別與定位系統(tǒng)依然能夠確保產(chǎn)品正、反面的識(shí)別，魯棒性較好。

3.3 智能上窯定位裝置效率

本文通過隨機(jī)選取5托產(chǎn)品，其中每一托有8層，每一層正、反TGI產(chǎn)品個(gè)數(shù)為10個(gè)，產(chǎn)品總個(gè)數(shù)為800個(gè)，將信息融合技術(shù)引入到鋼化玻璃絕緣子識(shí)別與定位算法中，通過流水線在線操作，分析本識(shí)別與定位系統(tǒng)的識(shí)別率，識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 智能上窯系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果及識(shí)別率

本文選取3種不同型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行工作效率分析，將人工上窯與智能上窯裝置進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果如表2所示。

表2 人、機(jī)工作效率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過設(shè)計(jì)鋼化玻璃絕緣子智能上窯裝置定位系統(tǒng)，采用三點(diǎn)插值法提高插值精度，有效獲取正、反產(chǎn)品的特征輪廓；并增加激光測(cè)距校正環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品識(shí)別的準(zhǔn)確率。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該智能上窯裝置定位系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)計(jì)可靠，可以實(shí)現(xiàn)TGI全自動(dòng)化上窯作業(yè)。

但如果產(chǎn)品未水平放置，就會(huì)造成無(wú)法識(shí)別該產(chǎn)品，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行上窯。因此該系統(tǒng)要求工人在托架上擺放產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)品之間留有一定的間隙，隔板的背景選擇灰暗的且隔板厚度均一致，選擇底部托架時(shí)，挑選標(biāo)準(zhǔn)托架，盡量保證與地面水平。

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