萬(wàn)松峰， 吳靖明

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院， 廣東 東莞 523808）

引言

電子信息產(chǎn)業(yè)是廣東支柱產(chǎn)業(yè)中最具創(chuàng)新、最具活力的行業(yè)之一，具有知識(shí)高度密集、產(chǎn)業(yè)附加值高和輻射帶動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在區(qū)域工業(yè)體系中占有重要地位，也是各國(guó)搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。3C 電子產(chǎn)品更新?lián)Q代快，零部件眾多，結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)差異較大，生產(chǎn)工序復(fù)雜，傳統(tǒng)方法很難適應(yīng)高精度、快節(jié)拍、柔性化的個(gè)性化定制產(chǎn)品生產(chǎn)需求。

在電子信息生產(chǎn)制造中，工業(yè)機(jī)器人具有可靠性強(qiáng)、重復(fù)精度高、適用性好等特點(diǎn)，不僅可以提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品一致性、改善生產(chǎn)條件、提升制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人示教的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)未知尺寸、形狀和擺放位置等條件下零件的抓取?；谝曈X(jué)引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人的智能抓取系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景[1]。廖家驥等[2]利用機(jī)器人和視覺(jué)構(gòu)建分揀系統(tǒng)，提出一種快速手眼標(biāo)定算法分揀不同形狀的工件。張衛(wèi)芬和湯文成[3]通過(guò)多閾值模板匹配算法，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對(duì)不同形狀的立方體進(jìn)行識(shí)別。高斌和費(fèi)繼友[4]采用機(jī)器視覺(jué)和傳感器檢測(cè)，結(jié)合多關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同工件的自動(dòng)分揀和抓取。王懷江等[5]提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法求得最優(yōu)工位點(diǎn)坐標(biāo)，縮短移動(dòng)機(jī)械臂的抓取路徑長(zhǎng)度。

在實(shí)際3C 產(chǎn)品生產(chǎn)流水線中，產(chǎn)品尺寸、形狀和擺放位置不確定，給工業(yè)機(jī)器人抓取帶來(lái)挑戰(zhàn)。本文以流水線生產(chǎn)時(shí)3C 產(chǎn)品外殼件的組裝為研究背景，搭建“機(jī)器視覺(jué)+工業(yè)機(jī)器人”的智能抓取系統(tǒng)，開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人智能抓取的研究和驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)方案

以流水線生產(chǎn)時(shí)3C 產(chǎn)品外殼件的組裝為背景搭建“機(jī)器視覺(jué)+工業(yè)機(jī)器人”的智能抓取系統(tǒng)，主要包括工業(yè)機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制模塊、圖像處理模塊和通信模塊等。3C 產(chǎn)品外殼在傳送帶上經(jīng)光學(xué)成像檢測(cè)區(qū)時(shí)控制器觸發(fā)相機(jī)采集圖片，并將圖像傳遞給工控機(jī)，Halcon 視覺(jué)軟件進(jìn)行圖像處理和分割，提取圖像特征獲取產(chǎn)品的外觀尺寸和位置坐標(biāo)，機(jī)器人根據(jù)零件信息實(shí)時(shí)抓取。智能抓取系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 智能抓取系統(tǒng)示意圖

智能抓取系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。工業(yè)機(jī)器人、工控機(jī)、PLC、分布式IO 和遠(yuǎn)程監(jiān)控之間通過(guò)交換機(jī)連接，通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交換。

圖2 智能抓取系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制模塊和圖像處理模塊等。

工業(yè)機(jī)器人選用ABB 公司生產(chǎn)的全新緊湊型設(shè)計(jì)IRB1200 型工業(yè)機(jī)器人，其工作范圍寬廣，而且能滿足電子信息產(chǎn)業(yè)上下料行業(yè)對(duì)柔性、易用性、緊湊性和節(jié)拍的要求，并且自帶以太網(wǎng)接口,方便與常用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信。

運(yùn)動(dòng)控制模塊包括PLC、伺服電機(jī)、分布式IO等。PLC 選用西門子 S71200，CPU 1212C DC/DC/DC，8輸入/6 輸出，2 點(diǎn)集成模擬量輸入，2 點(diǎn)脈沖輸出頻率高達(dá) 100 kHz，集成以太網(wǎng)接口（TCP/IP native、ISO-on-TCP）。分布式 IO 選用 FR8210+IO 模塊，PROFINET 適配器可以進(jìn)行快速安全的數(shù)據(jù)交換。伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)選用三菱HG-KR43B+MR-J4-40。

圖像處理模塊包括工控機(jī)、工業(yè)相機(jī)和光源、鏡頭等。工業(yè)相機(jī)選用?？低昅V-CE120-10UC 的1200 萬(wàn)像素USB3.0 彩色相機(jī)，鏡頭選用焦距為12 mm 的?？低昅VL-MF1628M-8MP 鏡頭，光源選擇環(huán)形白色光源，工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)USB 接口與工業(yè)相機(jī)連接實(shí)現(xiàn)圖像的采集和處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

RAPID 編程。RobotStudio 軟件不僅模擬仿真功能強(qiáng)大，還具有自動(dòng)生成路徑功能、仿真監(jiān)控碰撞功能，能及時(shí)對(duì)機(jī)器人已有程序進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)不同工件的抓取機(jī)器人的末端通過(guò)選擇不同的種工具實(shí)現(xiàn)。ABB工業(yè)機(jī)器人的編程語(yǔ)言是RAPID 語(yǔ)言，ABB 程序結(jié)構(gòu)由各模塊組成，模塊包括程序數(shù)據(jù)、主程序、例行程序、中斷等組成。編程前需先建立工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，配置標(biāo)準(zhǔn)IO 端口和遠(yuǎn)程IO 端口，設(shè)置以太網(wǎng)通信等，設(shè)置完成后可以在Robotstudio 上編寫RAPID 程序。機(jī)器人首先初始化回到原位等待PLC指令，收到指令后發(fā)送命令給視覺(jué)系統(tǒng)和夾具庫(kù)，通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)夾具快換和零件的智能抓取?？紤]機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置和狀態(tài)，采用優(yōu)化算法對(duì)軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練，獲取端至端的學(xué)習(xí)深度圖像和最佳抓取位置的映射關(guān)聯(lián)性。

4 驗(yàn)證分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有機(jī)器視覺(jué)識(shí)別和工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

利用VS+Halcon 搭建機(jī)器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在VS2019 編譯環(huán)境下編寫MFC 上位機(jī)程序，HALCON是德國(guó)MVtec 公司開(kāi)發(fā)的一套完善的標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué)算法包，擁有機(jī)器視覺(jué)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以利用其開(kāi)放式結(jié)構(gòu)快速開(kāi)發(fā)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)軟件。該軟件由1 000 多個(gè)各自獨(dú)立的函數(shù)及底層的資料管理核心構(gòu)成，包含各類濾波、色彩及幾何、數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換、形態(tài)學(xué)計(jì)算分析、校正、分類辨識(shí)形狀搜尋等基本的幾何及圖像計(jì)算功能，其應(yīng)用范圍涵蓋各類自動(dòng)化領(lǐng)域。首先通過(guò)平移、轉(zhuǎn)置、鏡像、旋轉(zhuǎn)、縮放等對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，提取目標(biāo)零件的關(guān)鍵輪廓特征。利用gauss_filter 算子來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯濾波對(duì)圖像去噪，采用sobel_dir 算子對(duì)輪廓特征進(jìn)行提取，利用convol_fft算子求取輪廓點(diǎn)方向，采用Otsu 法提取主體輪廓特征。利用輪廓特征提取方法獲取待測(cè)零件的輪廓點(diǎn)及其方向，采用均值法構(gòu)造圖像金字塔搜索策降低模板和待測(cè)零件圖像的分辨率，提高識(shí)別效率。

利用RobotStudio 實(shí)現(xiàn)ABB 工業(yè)機(jī)器人的離線

采用基于機(jī)器視覺(jué)的智能抓取系統(tǒng)，針對(duì)物體形狀識(shí)別功能，選取A 公司手機(jī)外殼進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該智能抓取系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)外殼的識(shí)別和抓取，抓取速度為120 次/min，為進(jìn)一步推廣工業(yè)機(jī)器人在3C 產(chǎn)品的抓取提供了參考。

5 結(jié)語(yǔ)

以流水線生產(chǎn)時(shí)3C 產(chǎn)品外殼件的組裝為背景搭建“機(jī)器視覺(jué)+工業(yè)機(jī)器人”的智能抓取系統(tǒng)，借助Halcon 實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的識(shí)別，通過(guò)零件位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制。