朱名強(qiáng)，韋娟，老盛林，黃志彬

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530007）

0 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，機(jī)器視覺在自動(dòng)化和智能化的應(yīng)用越來越廣。許多生產(chǎn)工序，采用人工操作，不僅效率低，而且工作質(zhì)量難以保證，從而影響企業(yè)的競爭力。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率與工作質(zhì)量高、重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)，在生產(chǎn)自動(dòng)化過程中，工業(yè)機(jī)器人代替人工勞動(dòng)是發(fā)展的趨勢。然而，機(jī)器人沒有人類發(fā)達(dá)的大腦和視覺系統(tǒng)，不能隨著具體環(huán)境調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，通過機(jī)器人視覺可以很好的解決這些問題。機(jī)器視覺技術(shù)是傳統(tǒng)生產(chǎn)向智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。分揀工作在工業(yè)生產(chǎn)起關(guān)鍵作用，傳統(tǒng)分揀工作多以人工分揀為主，這降低了生產(chǎn)效率，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。運(yùn)用基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)，能對不同顏色、不同形狀、缺陷的物料進(jìn)行準(zhǔn)確識別和精準(zhǔn)定位，使得機(jī)器人能適應(yīng)各種環(huán)境和勝任更多的工作，提高分揀安全性、可靠性和工作效率，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)智能化水平的提高。

1 基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)組成

基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要有機(jī)器視覺模塊、機(jī)器人模塊，機(jī)器人模塊實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)和分揀功能。軟件運(yùn)用DobotVisionStudio算法平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)和機(jī)器人的控制。物料傳送到相機(jī)鏡頭底部，相機(jī)對圖像進(jìn)行采集，DobotVisionStudio平臺(tái)對采集的圖像進(jìn)行顏色識別、轉(zhuǎn)換、處理，根據(jù)不同的顏色，設(shè)定不同的搬運(yùn)和分揀路徑，由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對紅、綠、藍(lán)、黃四種顏色物料的分揀。物料采用25mm×25mm×27mm泡沫塊，重量較輕，顏色對比度較大，利于機(jī)器視覺對物料顏色進(jìn)行識別與測量，易于機(jī)器人通過吸盤搬運(yùn)與分揀。系統(tǒng)組成中的主要部分介紹如下：

圖1 分揀系統(tǒng)組成框圖

（1）機(jī)器視覺模塊。機(jī)器視覺在智能制造中，是機(jī)器的“眼睛”和視覺的“大腦”。機(jī)器視覺模塊由相機(jī)、光源、支架、計(jì)算機(jī)等組成，能夠滿足視覺定位、測量、檢測和識別等豐富的視覺應(yīng)用需求，由DobotVisionStudio算法平臺(tái)編程進(jìn)行控制。機(jī)器視覺用于采集圖像，識別不同顏色的物體，能進(jìn)行連續(xù)采集及外部控制采集，功能強(qiáng)大。

（2）機(jī)器人模塊。機(jī)器人模塊采用Dobot Magician機(jī)器人，Dobot Magician機(jī)器人是一款桌面級智能機(jī)器人，具有多個(gè)自由度，用于對物體進(jìn)行搬運(yùn)和分揀。機(jī)器人上裝有吸盤，用于抓取和放置物料，通過氣泵打開和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)。

（3）Dobot Vision Studio算法平臺(tái)。Dobot Vision Studio算法平臺(tái)算法組件多、視覺分析工具庫功能強(qiáng)大、搭建機(jī)器視覺應(yīng)用方案方便且不用編程，具有視覺識別、定位、測量、深度學(xué)習(xí)、圖像處理、缺陷檢測、顏色處理等應(yīng)用功能。在該平臺(tái)，通過運(yùn)用工具實(shí)現(xiàn)對各種顏色物料的處理。

2 基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖2所示，在DobotVisionStudio平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)功能的軟件設(shè)計(jì)。通過機(jī)器視覺、機(jī)器人對紅、綠、藍(lán)、黃四種物料進(jìn)行如果不清晰，通過硬件調(diào)節(jié)聚焦和靈敏度、配置參數(shù)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間和幀率等參數(shù)，即可得到清晰的圖像。

圖2 軟件設(shè)計(jì)圖

“顏色轉(zhuǎn)換”將相機(jī)圖像采集的彩色圖像指定區(qū)域進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，可選擇轉(zhuǎn)換為灰度、HSV、HSI、YUV空間，在本系統(tǒng)轉(zhuǎn)換類型選擇轉(zhuǎn)換為灰度，輸出灰度圖像，供給“快速特征匹配”運(yùn)用。轉(zhuǎn)換比例包括通用轉(zhuǎn)換比例、平均轉(zhuǎn)換比例、通道最小值、通道最大值、自設(shè)轉(zhuǎn)換比例、R通道、G通道和B通道。通用轉(zhuǎn)換比例為：0.299r + 0.587g + 0.114b，平均轉(zhuǎn)換比例為：(r+g+b)/3，自設(shè)轉(zhuǎn)換比例為：i＊r+j＊g+k＊b（r,j,k 為歸一化自設(shè)系數(shù)），通道最大值為：max(r,g,b)，通道最小值為：min(r,g, b)，R 通 道 為：r+0＊g+0＊b，G通道為：0＊r+g+0＊b，B通道為：0＊r+0＊g+b。

特征匹配分為高精度特征匹配和快速特征匹配，此工具使用圖像的邊緣特征作為模 板，按照預(yù)設(shè)的參數(shù)確定搜索空間，在圖像中搜索與模板相似的目標(biāo)，可用于定位、計(jì)數(shù)和判斷有無等。高精度特征匹配精度高，運(yùn)行速度會(huì)比快速匹配慢些，但是設(shè)置的特征更精細(xì)，匹配精度高。“快速特征匹配”使用圖像邊緣特征作為模板，先創(chuàng)建模板，提取圖像特征，配置好模板參數(shù)。如果已經(jīng)有模板，可選擇其他圖像進(jìn)行圖像輸入作為模板。運(yùn)行參數(shù)中的最小匹配分?jǐn)?shù)要根據(jù)要求和效果進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置0-1間的數(shù)，如果設(shè)置過高，可能匹配不到要找的目標(biāo)。最大匹配個(gè)數(shù)是允許查找的最大目標(biāo)個(gè)數(shù)，如果每次只查找1個(gè)，設(shè)置為1即可。特征模板用于對圖像特征進(jìn)行提取，初次使用時(shí)需要編輯模板，選中需要編輯的模板區(qū)域，配置好參數(shù)后單擊訓(xùn)練模型即可。

“標(biāo)定轉(zhuǎn)換”用于將相機(jī)坐標(biāo)系變換為機(jī)器人世界坐標(biāo)系。先用“標(biāo)定板標(biāo)定”進(jìn)行標(biāo)定，生成標(biāo)定文件。標(biāo)定板標(biāo)定有棋盤格和圓兩種標(biāo)定板，在此選擇棋盤格標(biāo)定板，在基本參數(shù)中的標(biāo)定點(diǎn)獲取選擇“觸發(fā)獲取”，標(biāo)定點(diǎn)輸入選擇“按點(diǎn)”，圖像點(diǎn)選擇“快速特征匹配.匹配點(diǎn)[]”，平移次數(shù)設(shè)置成“9”點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)次數(shù)設(shè)置成“3”次。在“標(biāo)識別與定位、顏色測量與處理、搬運(yùn)和分揀。經(jīng)過“相機(jī)圖像”→“顏色轉(zhuǎn)換”→“快速特征匹配”→“標(biāo)定轉(zhuǎn)換”進(jìn)行顏色識別與定位后，通過“顏色抽取”→“形態(tài)學(xué)處理”→“BLOB分析”進(jìn)行物料顏色測量、處理，運(yùn)用“分支模塊”進(jìn)行四路顏色判斷和分支，再通過設(shè)計(jì)不同的路徑實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)和分揀。

■2.1 物料識別與定位

物料識別與定位功能由軟件中“相機(jī)圖像”、“顏色轉(zhuǎn)換”、“快速特征匹配”、“標(biāo)定轉(zhuǎn)換”工具實(shí)現(xiàn)。

“相機(jī)圖像”是選擇圖像采集的方式，在圖像采集中設(shè)置圖像來源，圖像來源方式主要有加載本地圖像、連接相機(jī)取圖，還可以存儲(chǔ)圖像。在相機(jī)圖像中設(shè)置選擇想要連接的相機(jī)，設(shè)置合適的圖像寬度和亮度。設(shè)置當(dāng)前被連接相機(jī)的幀率，幀率影響采集圖像的速度。觸發(fā)源選擇SOFTWARE模式，SOFTWARE模式下單擊“單次運(yùn)行”可觸發(fā)一次相機(jī)取圖，單擊“連續(xù)運(yùn)行”可連續(xù)預(yù)覽圖像。觸發(fā)源如果選擇硬觸發(fā)，需要外部硬件進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置方可工作。曝光時(shí)間需要設(shè)置合適，這一參數(shù)影響圖像的亮度，一般設(shè)置10000以上，通過調(diào)試確定最佳曝光時(shí)間。像素格式選擇RGB，采集彩色圖像。調(diào)節(jié)好相機(jī)的聚焦和靈敏度，設(shè)置好相機(jī)連接好參數(shù)，點(diǎn)擊程序運(yùn)行，在圖像顯示區(qū)觀察圖像是否清晰。定轉(zhuǎn)換”中加載標(biāo)定文件，建立相機(jī)坐標(biāo)和機(jī)器人坐標(biāo)關(guān)系，這樣機(jī)器人就能準(zhǔn)確抓取物料。在使用N點(diǎn)標(biāo)定和標(biāo)定板標(biāo)定中，為提高標(biāo)定效率，也可設(shè)置參數(shù)使用4點(diǎn)標(biāo)定，但坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差會(huì)大些。標(biāo)定文件生成后，即確定了相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，不能改變相機(jī)、機(jī)器人的位置，否則需要重新進(jìn)行標(biāo)定，生成新的標(biāo)定文件。

■2.2 物料顏色測量、處理

物料顏色測量、處理功能由軟件中“顏色抽取”、“形態(tài)學(xué)處理”、“BLOB分析”工具實(shí)現(xiàn)。

“顏色抽取”實(shí)現(xiàn)從彩色圖像中抽取指定顏色范圍的像素部分并輸出抽取后的8位二值圖像。在“顏色抽取”設(shè)置RGB空間下三個(gè)通道上限和通道下限，可選擇“最大值、最小值、均值和方差”的上下限值，處理區(qū)域內(nèi)圖像后返回顏色抽取后的圖像，如果選擇均值和方差上下限值，需要將數(shù)據(jù)類型改為“float”，否則選擇不了，“最大值、最小值”的上下限值數(shù)據(jù)類型選擇“int”即可。RGB空間通道上限和通道下限通過“顏色測量”功能實(shí)現(xiàn)，“顏色測量”能夠進(jìn)行通道的最大值、最小值、均值和方差測量?！邦伾珳y量”的“輸入源”要選擇“相機(jī)圖像.圖像數(shù)據(jù)”，“ROI區(qū)域”參數(shù)中“ROI創(chuàng)建”選擇“繼承”，“繼承方式”選擇“按區(qū)域”，“區(qū)域”選擇“快速特征匹配.匹配框”。在不同的光線下，經(jīng)過“顏色測量”得出的通道的最大值、最小值、均值或方差是不一樣的，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要保證物料周圍的光線基本不變，可通過打開相機(jī)的光源實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)置盡可能大且不交叉的最大值、最小值、均值或方差。

“形態(tài)學(xué)處理”通過提取圖像中有意義的圖像分量，通過膨脹、腐蝕、開操作、閉操作對圖片中的白色像素點(diǎn)進(jìn)行處理。形態(tài)學(xué)形狀支持矩形、橢圓和十字形狀的結(jié)構(gòu)元素。形態(tài)學(xué)操作操作次數(shù)，僅在膨脹和腐蝕操作下有效。本系統(tǒng)通過“膨脹”對圖片進(jìn)行處理。

“BLOB分析”是在像素是有限灰度級的圖像區(qū)域中檢測、定位目標(biāo)物體的過程。設(shè)置好“BLOB分析”參數(shù)，如極性、閾值范圍、查找個(gè)數(shù)、孔洞最小面積、面積、連通性等。在此，通過“BLOB分析”工具，找出滿足面積要求的圖像區(qū)域，從而確定要識別的物料。

■2.3 物料搬運(yùn)和分揀

物料搬運(yùn)和分揀功能由軟件中“運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)”、“吸盤開關(guān)”等工具組合實(shí)現(xiàn)。

“運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)機(jī)器人將物料以某一種運(yùn)動(dòng)模式搬運(yùn)到某一位置，運(yùn)動(dòng)模式有MOVJ（關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)），MOVL（直線運(yùn)動(dòng)），JUMP（門型軌跡），設(shè)定好X軸坐標(biāo)值、Y軸坐標(biāo)值、Z軸坐標(biāo)值、R軸控制角度坐標(biāo)值，在此，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的運(yùn)動(dòng)模式。

“吸盤開關(guān)”用于控制吸盤吸取和釋放，實(shí)現(xiàn)物料的抓取和放置。在輸入?yún)?shù)中，開啟表示吸氣，抓取物料，關(guān)閉表示關(guān)閉氣泵，放置物料。

在機(jī)器人對物料進(jìn)行抓取時(shí)，如果機(jī)器人的吸盤沒有運(yùn)動(dòng)到物料的中間位置，可能原因是“快速特征匹配”功能中沒有創(chuàng)建好模板，或是機(jī)器人、相機(jī)的位置移動(dòng)了，此時(shí)需要重新進(jìn)行“快速特征匹配”的模板創(chuàng)建，如果還解決不了問題，則重新進(jìn)行“標(biāo)定板標(biāo)定”，生成新的標(biāo)定文件，在“標(biāo)定轉(zhuǎn)換”重新加載新的標(biāo)定文件。

■2.4 軟件執(zhí)行說明

軟件需要對紅、綠、藍(lán)、黃四種物料進(jìn)行物料顏色識別、搬運(yùn)和分揀，通過“顏色抽取”→“形態(tài)學(xué)處理”→“BLOB分析”→“分支模塊”→“運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)”→“吸盤開關(guān)”→“運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)”→“運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)”→“吸盤開關(guān)”工具控制實(shí)現(xiàn)?？刂撇襟E為：第一，通過視覺采集紅、綠、藍(lán)、黃色物料，判別是否是紅色，如是紅色，則往下執(zhí)行，發(fā)送信號給機(jī)器人實(shí)施抓取，否則分支到另一路程序處理；第二，機(jī)器人根據(jù)視覺轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到物料中心位置；第三，機(jī)器人吸盤開啟，抓取物料；第四，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到過渡安全點(diǎn)，一般設(shè)備為物料上方或其他安全區(qū)；第五，機(jī)器人搬運(yùn)物料運(yùn)動(dòng)到指定分揀物料的位置；第六，機(jī)器人吸盤關(guān)閉，放置物料；第七，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定安全位置，該安全位置不能影響視覺識別和物料放置，等待視覺信號再重復(fù)工作。如果是綠、藍(lán)、黃色物料，通過“分支模塊”進(jìn)行分支，“分支模塊”要選“結(jié)果INT[]”，分支參數(shù)選擇“按值索引”，條件輸入值為1表示滿足條件，為0表示不滿足條件。

在軟件調(diào)試過程中，運(yùn)行機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)，會(huì)遇到各種的不確定因素（如光線的影響、機(jī)器人零點(diǎn)丟失等），影響物料的識別和分揀，需要通過多次調(diào)試，采取機(jī)器人零點(diǎn)復(fù)位、加大“顏色抽取”通道的范圍值、提高“顏色測量”數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、設(shè)置合適的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)安全點(diǎn)等措施解決。

3 系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

（1）安全可靠?；跈C(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)，運(yùn)用視覺功能，與被測物沒有直接接觸，不會(huì)損傷被測物，具有安全可靠的特點(diǎn)。

（2）保證質(zhì)量和提高效率。機(jī)器視覺替換人工，不知疲勞，始終如一地測量，沒有人為造成的操作變化，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量。機(jī)器視覺可以長時(shí)間運(yùn)行工作，采集數(shù)據(jù)速度快、自動(dòng)處理，提高生產(chǎn)效率。

（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)器視覺測量對象廣泛，具有一定的抗干擾能力，除代替人工普通環(huán)境下的工作外，還應(yīng)用在其他危險(xiǎn)環(huán)境或人工視覺難以達(dá)到要求的各種場合，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

（4）適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。機(jī)器視覺作為智能制造的“智慧之眼”，在智能制造的應(yīng)用率不斷提升，從“可選項(xiàng)”成為智能制造的“必選項(xiàng)”，最大程度地適應(yīng)自動(dòng)化和智能化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展需要。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺的功能主要實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)、識別、測量和檢驗(yàn)，機(jī)器視覺技術(shù)推動(dòng)傳統(tǒng)生產(chǎn)向自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)變革。隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，逐漸從“可選項(xiàng)”成為智能制造的“必選項(xiàng)”，具有“智慧之眼”的能力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)，通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換和顏色測量，對物料進(jìn)行準(zhǔn)確的目標(biāo)識別與定位，通過機(jī)器人對物料進(jìn)行準(zhǔn)確搬運(yùn)和分揀。運(yùn)用基于機(jī)器視覺的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)，能對不同顏色、不同形狀、缺陷的物料進(jìn)行準(zhǔn)確識別和精準(zhǔn)定位，具有強(qiáng)大的功能，使得機(jī)器人能適應(yīng)不同的環(huán)境和勝任更多的工作，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的自動(dòng)化與智能化需要。