魯剛強，葉霞

（1.成都農業(yè)科技職業(yè)學院，成都 611130；2.杭州師范大學錢江學院，杭州 310027）

在包裝自動化生產線中，柔性上料裝置的應用比較廣泛。柔性上料大多采用抖動或旋轉方式完成上料，通過振動調整物料姿態(tài)，機器人利用機器視覺完成物料識別和定位，最終完成物料抓取[1-2]。振動式上料過程可以描述為：首先將物料添加到某平臺上，利用馬達驅動該平臺振動；通過設計不同振動模式實現物料移動或姿態(tài)調整[3]。該方式具有速度快、結構簡單等諸多優(yōu)勢，但是振動效應會影響生產線中的精密器件、視覺模塊等工作。振動會產生噪聲，影響工廠工作環(huán)境；另外，振動上料的吞吐量比較大，一次振動會造成多個物料姿態(tài)發(fā)生變化，而抓取、包裝等工藝往往針對某個特定物料，振動上料效率不高[4-7]。為解決此問題，需要設計一種目的性更強的柔性上料裝置，即從物料傳送帶上抓取特定物料，將其放到包裝生產線的特定位置，或者監(jiān)視送料裝置，判斷當前視域內是否存在物料、物料是否存在缺陷。如果缺料，則命令機器人抓取物料進行填補；如果物料存在殘缺，則剔除并替換新的物料。隨著工業(yè)機器人技術的不斷發(fā)展，機器視覺的應用越來越成熟，特別是“手眼”視覺系統相關研究越來越多。趙久強等[8]FlexiJet 柔性上料綜合創(chuàng)新實驗平臺，可實現遠程選料、柔性上料、視覺輔助、噴氣調節(jié)位姿、機器人取放等功能。曹啟賀[9]以KUKA 機器人為研究對象，確定了各坐標系之間的轉換關系以及相關參數。謝豐隆等[10]以六自由度機械臂為研究對象，基于OpenCV 算法庫設計了一種快速的標定方法，該標定方法結合標定板、霍夫變換和線性回歸擬合，可獲得準確的標定結果。

綜上所述，文中以物料傳送裝置監(jiān)視機器人為研究對象，設計一種包裝生產線視覺上料系統，以實現物料檢測、填料、補料等操作，并通過實驗驗證所述視覺上料系統的有效性。

1 攝像機成像原理

視覺成像是機器人正常工作的基礎，因此文中首先闡述攝像機成像原理。攝像機成像過程類似于小孔成像，通過攝像機鏡頭成像將物體形狀在相機成像平面展示出來。從本質上講，攝像機成像的標定過程就是不同坐標系之間的關系換算。綜合考慮，文中建立了4 種坐標系，即攝像機坐標系、圖像坐標系、世界坐標系及圖像像素坐標系，前3 種坐標系單位為mm，最后1 種坐標系單位為像素[11-12]。各坐標系示意圖見圖1。

圖1 各坐標系Fig.1 Diagram of coordinate system

如圖1 所示，世界坐標系為Ow-X wY w Zw，攝像機坐標系為Oc-X c Yc Zc，圖像物理坐標系包含X和Y兩軸，圖像像素坐標系包含U和V兩軸。通過剛體變換、透視投影、圖像離散等幾個圖像處理方法便可將物體的世界坐標系進行轉換，得到圖像像素坐標。

2 視覺標定

所謂剛體變換，就是通過適當的平移和旋轉將世界坐標系轉換為相機坐標系，其轉換過程可描述為：

式中：R為旋轉變換矩陣；T為移變換矩陣。利用齊次坐標變換可以將式（1）進行轉化，見式（3）。

式中：旋轉變換矩陣R可分解為繞Xw軸的旋轉矩陣α；繞wY軸的旋轉矩陣β；繞Zw軸的旋轉矩陣γ，即滿足：

文中所述視覺系統，取機器人坐標系為世界坐標系，攝像機的光軸Zc和機器人Zw軸基本平行，可以理解為缸體變換過程中旋轉角度α和β均非常小。根據上面的分析，如果忽略角度α和β點的影響，那么式（4）就可以表示為：

攝像機成像其實就是一個透視投影過程，通過確保像距和焦距相等便可保證實像的清晰度。根據相似三角形之間的關系，成像過程可以用式（6）進行描述。

通過攝像機得到圖像后，為了后期圖像的分析處理，需要將物理圖像進行離散化處理，離散后的數據再傳送到計算機中，即需要將物理坐標系轉換為像素坐標系。

一般情況下，成像平面均勻分布一些傳感器陣列。圖像到達成像平面時，陣列上相應位置傳感器會獲得該區(qū)域的灰度值，即像素點。上述過程可稱之為圖像離散化，可描述為：

式中：dx為x方向上單位像素的物理尺寸；dy為y方向上單位像素的物理尺寸。由式（5）、（6）、（7）聯合可以得到圖像坐標系和世界坐標系之間的變換關系，即：

在包裝過程中，物料的厚度與豎直平移坐標系相比可忽略不計，因此假設物料的高度為0，將式（8）進行簡化處理后可得：

在得到原始圖像后，計算機會利用圖像二值化、輪廓提取等方法，獲取物料的輪廓和中心；根據實際情況判斷當前位置是否存在物料以及物料是否完整；若物料缺少或者是物料不完整，那么就可以根據視覺標定的結果得到完整的填充位置的坐標，同時將準確的坐標發(fā)送給視覺機器人，視覺機器人在得到準確的坐標值后，就會自動抓取物料填充到對應的位置[13-15]。

3 控制系統結構設計

基于包裝生產線視覺上料控制系統的結構，見圖2。該控制系統采用工控機作為總控制器，處理主邏輯流程。該工控機配有多個I/O 模塊、RS232 和RS485通信模塊、2 個以太網接口以及工業(yè)交換機等，可與機器人控制器、視覺采集模塊、多個傳感器相連接，實現控制指令下發(fā)和傳感器信號接收等功能[16-17]。

圖2 控制系統結構Fig.2 Structure of control system

文中選用ADT-8948A1 作為運動控制卡，該運動控制卡能夠實現對機器人多個軸電機的同步運動控制。運動控制卡ADT-8948A1 是一種高性能、多軸伺服電機控制器，其內核有2 片專用的運動控制芯片MCX312，該芯片不僅支持DSP 架構，而且還擁有多種接口；該芯片具有編程簡單、使用方便等特點。

文中伺服驅動器為MIINASA5，該款伺服驅動器具有較高的定位精度，且擁有較強的抗干擾能力，該款伺服驅動器同樣具備轉矩控制、速度控制以及位置控制3 種控制方式。通過該款伺服驅動器可以實現機器人的高精度定位以及定位精度反饋，從而實現機器人的閉環(huán)自動控制。

傳感器信號獲取模塊主要用于獲取機器人各軸位置，進而判斷抓取執(zhí)行末端的具體位置。視覺采集控制包括工業(yè)相機、圖像采集卡以及視覺采集模塊，工業(yè)相機選用高分辨率、大視域、快速響應類抗干擾相機。

人機界面為常見的觸摸屏。

包裝生產線視覺上料流程可以描述如下。

1）備用物料到位，由機器人通過視覺標定確定備用物料位置并存儲其坐標，便于以后使用。

2）送料裝置正常運轉，借助機器人末端執(zhí)行器的大視角工業(yè)相機采集送料裝置圖像。

3）通過圖像處理判斷當前物料是否完整或缺料。

4）如果物料殘缺或缺料，則執(zhí)行剔除操作，通過視覺標定獲取目標位置坐標并傳送至機器人，機器人根據物料坐標和目標位置坐標實現抓取、補料等操作。

4 實驗測試

為了驗證該系統的性能，進行了以下幾個方面的測試，其測試內容主要包括定位精度、抓取速度以及填料成功率。

搭建前文所述控制系統并將其移植到某廠包裝生產線，見圖3。機器人連續(xù)工作1 h，傳送速度分別設定為30、40、50、60、70、80、90、100、150、200 mm/s，每個傳送速度下隨機抽取100 個樣本，計算定位精度并取平均值。首先，設定理論坐標值并存儲到計算機；然后，根據設定值和反饋值之差生產控制信號并將其傳送至機器人控制器；接著，驅動機器人完成相應動作；最后，記錄機械手實際位置，具體結果見表1。

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device

由表1 可以看出，隨著傳送帶速度增加，定位精度雖有下降，但是定位精度仍然很高，最大絕對誤差只有0.7 mm，說明所述視覺上料控制系統具有較高的定位精度。

表1 實驗結果Tab.1 Experimental results

在抓取速度方面，受益于工業(yè)相機和控制系統的快速響應能力，機器人完全可以適應傳送帶的高速度，基本不會出現漏抓、誤抓的情況。實驗表明，采用文中所述控制系統傳送帶速度可以達到220 mm/s。

在填料成功率方面，當傳送帶速度低于100 mm/s時，可以確保填料成功率為100%，當傳送帶速度增加，偶爾會出現誤抓或漏抓情況，但是整體成功率仍可以達到99.5%以上。

綜上所述，包裝生產線視覺上料控制系統具有響應速度快、定位精度高、填料成功率高等優(yōu)點，可滿足包裝過程高速、高精度要求。

5 結語

以包裝生產線上料過程為研究對象，針對送料裝置可能存在缺料或物料不完整等情況，設計了一種基于視覺的自動機器上料系統。文中著重論述了機器視覺標定的整個過程和控制系統的設計方法。對空料、物料不完整等情況，控制系統會自動剔除并抓取備用物料進行填補。根據實驗得出的結果可知，該系統具有較高精度的定位、響應速度快等特點，可滿足包裝生產線的控制要求。下一步，可從物料形狀識別、不同缺陷判定等方面入手，進一步增加系統功能，提高智能化程度。