李 超， 鄧小寶， 史運(yùn)濤， 李小虎， 胡子佳

(北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線技術(shù)及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，搬運(yùn)機(jī)器人在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，生產(chǎn)過程對于搬運(yùn)機(jī)器人的要求越來越高。傳統(tǒng)離線編程的搬運(yùn)機(jī)器人按照固定路徑進(jìn)行工作，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，需重新編程以適應(yīng)新環(huán)境，適用性不足。

近年來，雙目視覺技術(shù)日益成熟，各種測距、定位算法不斷優(yōu)化，測距和定位的準(zhǔn)確度不斷提升[1-5]。工業(yè)無線可以降低現(xiàn)場的布線成本，提升空間利用率，同時(shí)工業(yè)無線傳輸機(jī)制不斷發(fā)展，工業(yè)無線的可靠性不斷提高[6-8]。為提升搬運(yùn)機(jī)器人的智能化程度和可靠性，增強(qiáng)學(xué)生對搬運(yùn)機(jī)器人和視覺技術(shù)的應(yīng)用能力，本文根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)科研項(xiàng)目，將雙目視覺應(yīng)用于搬運(yùn)機(jī)器人[9-12]，使用PLC作為搬運(yùn)機(jī)器人的主控制器，同時(shí)利用工業(yè)無線實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人和控制中心之間的數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)開發(fā)了該智能搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)證明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可綜合鍛煉學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由智能搬運(yùn)機(jī)器人和控制中心兩部分組成。智能搬運(yùn)機(jī)器人完成目標(biāo)物識(shí)別、測距、抓取和搬運(yùn)功能，控制中心完成對智能搬運(yùn)機(jī)器人的監(jiān)控。通過位于控制中心的無線接入點(diǎn)(AP)和位于智能搬運(yùn)機(jī)器人的無線客戶端實(shí)現(xiàn)無線通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能搬運(yùn)機(jī)器人和控制中心的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控站。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能搬運(yùn)機(jī)器人

智能搬運(yùn)機(jī)器人由全向移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂、PLC、樹莓派、雙目攝像頭、無線客戶端、交換機(jī)、IP攝像頭和電源模塊構(gòu)成。全向移動(dòng)平臺(tái)采用3個(gè)麥克納姆輪，以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)功能；PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，S7-1200 PLC通過RS-232通信控制xArm機(jī)械臂和全向移動(dòng)平臺(tái)[13-14]，并完成與Raspberry Pi3 B+(樹莓派)的數(shù)據(jù)交互；使用Raspberry Pi3 B+提供Python編程環(huán)境，編程實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物識(shí)別和測距功能；通過kingcent雙目攝像頭獲取圖像；無線客戶端SCALANCE W734、沃仕達(dá)IP攝像頭和S7-1200 PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)線接入SCALANCE XB208二層交換機(jī)。智能搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)對應(yīng)各個(gè)模塊的安裝位置；智能搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物如圖3所示。

圖2 智能搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物圖

2.2 控制中心

控制中心由HMI、PLC、無線AP、交換機(jī)和視頻監(jiān)控站構(gòu)成。HMI實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，選型為KTP700 Basic。S7-1200 PLC和HMI連入同一子網(wǎng)，完成對智能搬運(yùn)機(jī)器人的監(jiān)控功能[15-16]；選用SCALANCE W774作為無線AP，在實(shí)驗(yàn)室中，為保證無線AP和無線客戶端之間的通信質(zhì)量，W774和W734均選用IEEE 802.1n協(xié)議，使用5G Hz通信頻段；采用SCALANCE XB208二層交換機(jī)擴(kuò)展以太網(wǎng)接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)部分和雙目視覺部分，下位機(jī)程序完成接收雙目視覺數(shù)據(jù)、控制機(jī)械臂和全向移動(dòng)平臺(tái)功能;雙目視覺程序完成目標(biāo)物識(shí)別和測距功能。智能搬運(yùn)機(jī)器人工作流程如圖4所示。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

S7-1200 PLC控制程序設(shè)計(jì)如下：閾值設(shè)定為智能搬運(yùn)機(jī)器人抓取目標(biāo)物時(shí)的最佳距離，在本次實(shí)驗(yàn)中閾值設(shè)置為22 cm。當(dāng)智能搬運(yùn)機(jī)器人與目標(biāo)物距離大于閾值時(shí)，PLC通過RS-232發(fā)送數(shù)據(jù)幀控制移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)；當(dāng)智能搬運(yùn)機(jī)器人與目標(biāo)物距離小于或等于閾值時(shí)，智能搬運(yùn)機(jī)器人停止移動(dòng)。根據(jù)不同的抓取距離，為機(jī)械臂編制不同的動(dòng)作組，并將不同動(dòng)作組的數(shù)據(jù)存放到PLC的數(shù)據(jù)塊中。當(dāng)PLC接收到雙目視覺提供的目標(biāo)物顏色和距離信息時(shí)，將對應(yīng)的動(dòng)作組數(shù)據(jù)通過RS-232發(fā)送給機(jī)械臂，控制機(jī)械臂抓取目標(biāo)物。

圖4 智能搬運(yùn)機(jī)器人工作流程圖

將控制中心S7-1200 PLC設(shè)為IO控制器，將智能搬運(yùn)機(jī)器人S7-1200 PLC設(shè)為IO設(shè)備，建立智能傳輸區(qū)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC變量之間的工業(yè)無線連接，通過S7通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.2 雙目視覺程序設(shè)計(jì)

以不同顏色的小型正方體為抓取目標(biāo)物，通過對雙目攝像頭標(biāo)定以消除圖像畸變，對圖像依次進(jìn)行預(yù)處理、顏色過濾、輪廓提取，計(jì)算得出視差，進(jìn)而通過空間坐標(biāo)系變換計(jì)算出距離。

(1) 圖像預(yù)處理。通過高斯濾波對圖像進(jìn)行預(yù)處理，以減小圖像的噪聲影響。原圖像如圖5所示，預(yù)處理后圖像如圖6所示。

圖5 原圖像

圖6 預(yù)處理后圖像

(2) 顏色過濾。通過顏色過濾，篩選出目標(biāo)物。雙目攝像頭拍到的圖像基于RGB顏色模型，但RGB顏色模型難以找出準(zhǔn)確的顏色范圍，所以在進(jìn)行顏色過濾之前，先將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間，進(jìn)行顏色過濾后再轉(zhuǎn)換回RGB顏色空間進(jìn)行后續(xù)操作。在HSV顏色空間中，H指色調(diào)，取值范圍為0°～360°；S代表飽和度，取值范圍為0～1；V代表亮度，取值范圍為0～1，表明顏色明亮的程度。顏色過濾后圖像如圖7所示，顏色過濾流程如圖8所示。

圖7 顏色過濾后圖像

圖8 顏色過濾流程圖

(3) 輪廓提取。對顏色過濾得到的圖像進(jìn)行高斯濾波、開運(yùn)算、腐蝕，消除圖像中的噪聲，對新的圖像進(jìn)行輪廓提取，將提取得到的輪廓標(biāo)注在原圖中。輪廓過濾預(yù)處理后圖像如圖9所示，輪廓提取標(biāo)注如圖10所示。

圖9 輪廓過濾預(yù)處理圖

圖10 輪廓提取標(biāo)注圖

(4) 雙目測距。在輪廓提取時(shí)，找到目標(biāo)輪廓的中心坐標(biāo)，將右攝像頭成像的中心坐標(biāo)映射到左攝像頭的坐標(biāo)系中，計(jì)算兩個(gè)中心坐標(biāo)對應(yīng)的視差，利用空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)物塊的三維坐標(biāo)，即可得目標(biāo)物距離信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在控制中心的HMI上啟動(dòng)智能搬運(yùn)機(jī)器人，智能搬運(yùn)機(jī)器人檢測目標(biāo)物，并將要抓取的目標(biāo)物顏色和距離顯示在控制中心的HMI上，HMI界面如圖11所示。

圖11 HMI界面

智能搬運(yùn)機(jī)器人檢測到目標(biāo)物，對目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別、抓取和搬運(yùn)操作，在本實(shí)驗(yàn)中以黃色長方體標(biāo)志為搬運(yùn)終點(diǎn)。抓取目標(biāo)物如圖12所示，搬運(yùn)目標(biāo)物如圖13所示，放置目標(biāo)物如圖14所示。

圖12 抓取目標(biāo)物圖

圖13 搬運(yùn)目標(biāo)物圖

圖14 放置目標(biāo)物圖

5 結(jié) 語

本文根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，結(jié)合控制中心功能設(shè)計(jì)，以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有全向移動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，融合工業(yè)無線、雙目視覺和PLC，設(shè)計(jì)完成了一種智能搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行效果穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了智能搬運(yùn)機(jī)器人對于目標(biāo)物的識(shí)別、抓取和搬運(yùn)功能；控制中心可通過工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)獲取智能搬運(yùn)機(jī)器人的雙目視覺數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并完成對智能搬運(yùn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。通過在我校電氣自動(dòng)化類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程能力，增強(qiáng)學(xué)生項(xiàng)目合作能力和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。