基金項目：2019年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2019KY1270）；柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年校級科研一般課題（2023KB08）

第一作者簡介：王富春（1979-），男，碩士，副教授。研究方向為智能裝備技術(shù)。

*通信作者：張栩濤（1993-），男，碩士，講師。研究方向為工業(yè)機器人技術(shù)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.011

摘" 要：針對當(dāng)前智能制造裝備存在傳感器監(jiān)測盲區(qū)且人工點檢效率低、易出錯的現(xiàn)狀，設(shè)計一套桁架式移動機器人視覺巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)自動監(jiān)測生產(chǎn)線設(shè)備上電氣、機械關(guān)鍵部位易松動易錯位等問題。該系統(tǒng)安裝在生產(chǎn)線上方，具有可達范圍廣、無拍照死角、適用場景廣和不影響生產(chǎn)線設(shè)備動作等優(yōu)點，解決傳統(tǒng)地面移動巡檢機器人占用生產(chǎn)線空間、拍照角度受限、無法進入復(fù)雜生產(chǎn)線內(nèi)部點檢等缺點。在智能制造技術(shù)升級的背景下，該系統(tǒng)具有較高的實用價值及推廣意義。

關(guān)鍵詞：視覺檢測；自動巡檢；巡檢機器人；智能制造；生產(chǎn)線

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0044-04

Abstract： Aiming at the current situation of sensor monitoring blind spots and low efficiency and error prone manual inspection in intelligent manufacturing equipment， a gantry robot visual inspection system has been designed. This system aims to achieve automated monitoring of electrical and mechanical critical points prone to loosening or misalignment on production line equipment. Installed above the production line， the system offers advantages including wide coverage， no blind spots in photography， versatile applicability， and no interference with production line equipment movements. The shortcomings of traditional ground-based inspection robots， such as occupying production line space， restricted photography angles， and inability to perform inspections within complex production line internals are solved. In the context of intelligent manufacturing technology upgrading， the system has high practical value and popularizing significance.

Keywords： visual inspection; automatic inspection; inspection robot; intelligent manufacturing; production line

隨著汽車、電子等制造業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化不斷升級，特別是生產(chǎn)制造現(xiàn)場普遍推進“機器人換人”的發(fā)展趨勢下，設(shè)備的運行管控以及保障變得越來越重要，通常生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于現(xiàn)場數(shù)字化、智能化設(shè)備系統(tǒng)或現(xiàn)場布置的相關(guān)傳感器，通過收集諸如電流、電壓、壓力以及相關(guān)參數(shù)從而判別當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)，而對于現(xiàn)場諸如線束磨損、相關(guān)工裝夾具的位置變化等類似故障率較高的故障源缺乏有效的智能化監(jiān)控，往往執(zhí)行的是故障發(fā)生后的事后維修，容易造成設(shè)備停機或生產(chǎn)質(zhì)量精度降低甚至不合格等不良后果。

本文設(shè)計了一套桁架式移動機器人視覺巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用桁架機器人搭載工業(yè)視覺，監(jiān)測工業(yè)機器人生產(chǎn)線等設(shè)備上電氣、機械易松動、錯位等關(guān)鍵部位，通過圖像處理判別故障源并提前提出預(yù)警，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維修，具有模塊化設(shè)計、適用場景多、檢測效率高等特點，解決了當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運行過程中常規(guī)傳感器無法監(jiān)控的盲區(qū)問題。

1" 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過程

1.1" 系統(tǒng)的組成

由于生產(chǎn)現(xiàn)場地面往往布置有生產(chǎn)裝備以及配套的控制柜、物流架、起物流搬運作用的移動機器人，不便于布置運維監(jiān)控機器人，而且工業(yè)機器人生產(chǎn)線大部分線束、工裝夾具等組成部分需要一定的高度才能拍攝監(jiān)控，地面布置的移動機器人難以有效抓取圖像，因此采用協(xié)助機器人配合工業(yè)視覺的方式實現(xiàn)桁架高空循環(huán)監(jiān)控模式。桁架式移動機器人運維系統(tǒng)由桁架、桁架驅(qū)動系統(tǒng)、協(xié)作機器人和工業(yè)視覺系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

搭載工業(yè)相機的協(xié)作機器人在桁架上的導(dǎo)軌移動，在避開工業(yè)機器人運動軌跡的前提下，通過變換各個拍攝角度實現(xiàn)對生產(chǎn)線運行設(shè)備上的線束、工裝夾具等依次拍攝圖像，控制系統(tǒng)通過圖像內(nèi)的目標位置變化、狀態(tài)變化判斷目標的好壞以及預(yù)判目標的變化趨勢，從而顯示目標狀態(tài)并給出相應(yīng)的預(yù)防維修建議，實現(xiàn)生產(chǎn)線運行的監(jiān)控和預(yù)防維修。

1.2" 巡檢機器人可達性驗證

為驗證巡檢機器人的巡檢可達性，使用Proces Simulate軟件對現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備進行三維仿真環(huán)境搭建。并進行巡檢機器人運動學(xué)建模，對巡檢機器人創(chuàng)建6個旋轉(zhuǎn)約束J1—J6，分別對應(yīng)巡檢機器人的6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如圖2所示。

根據(jù)每個工位的巡檢需求，對生產(chǎn)線進行巡檢仿真，仿真結(jié)果見表1。其中機器人最大可達距離指機器人在該工位巡檢拍照姿態(tài)下的末端可達的最遠距離，機器人最大可達距離受機器人拍照角度影響，因此每個巡檢點的機器人最大可達距離不相同。最大實際巡檢距離是巡檢機器人進行巡檢任務(wù)時需要達到的拍照點距離，巡檢機器人可達性定義為機器人最大可達距離/最大實際巡檢距離，可達性大于100%表明該位置可達。根據(jù)巡檢機器人可達性仿真結(jié)果：OP10工位最大實際巡檢距離為1 324.73 mm，該工位巡檢機器人最大可達距離為1 622.70 mm，因此該工位巡檢機器人可達性為122.49%；OP20工位最大實際巡檢距離為1 345.10 mm，該工位巡檢機器人最大可達距離為1 611.01 mm，因此該工位巡檢機器人可達性為119.77%；OP30工位最大實際巡檢距離為1 205.25 mm，該工位巡檢機器人最大可達距離為1 618.32 mm，因此該工位巡檢機器人可達性為134.27%；OP40工位最大實際巡檢距離為1 432.28 mm，該工位巡檢機器人最大可達距離為1 632.52 mm，因此該工位巡檢機器人可達性為113.98%；OP50工位最大實際巡檢距離為1 242.33 mm，該工位巡檢機器人最大可達距離為1 642.36 mm，因此該工位巡檢機器人可達性為132.20%；綜上所述，該巡檢機器人可以覆蓋生產(chǎn)線5個工位的巡檢點。

2" 控制系統(tǒng)設(shè)計

巡檢控制系統(tǒng)是桁架式移動機器人視覺巡檢系統(tǒng)的核心，由上位機作為總控單元，實現(xiàn)對協(xié)作機器人、工業(yè)相機、巡檢系統(tǒng)X軸軌道伺服電機、巡檢系統(tǒng)Y軸軌道伺服電機等硬件的控制，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

2.1" 巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計

1）基于工業(yè)機器人生產(chǎn)線現(xiàn)場的圖像抓取及識別需求，采用3D主動雙目工業(yè)相機，分辨率12 MP，結(jié)構(gòu)光編碼方式：二進制格雷碼，XY/Z方向測量精度為0.19～0.25 mm/0.1 mm?？蓪崿F(xiàn)對生產(chǎn)線工裝夾具的位置變化識別如圖4（a）所示，以及機械易松動、錯位等關(guān)鍵部位識別如圖4（b）所示。

2）基于圖像采集對象的運動軌跡變化，需要從不同角度針對目標點進行圖像拍攝，采用6軸協(xié)作機器人，最大工作半徑1 650 mm，負載20 kg，重量63 kg，重復(fù)定位精度±0.1 mm，采用Modbus-TCP通信方式，可有效地變化角度和位置抓拍目標點。

3）由于采集圖像的目標是生產(chǎn)線，其工作范圍較大，且需要配合運動中的工業(yè)機器人進行位置定位，采用巡檢系統(tǒng)X/Y軸帶動安裝在桁架上協(xié)作機器人，由伺服電機驅(qū)動巡檢系統(tǒng)桁架X/Y軸，實現(xiàn)協(xié)作機器人的大范圍移動巡檢。

4）巡檢過程的所有流程控制，使用PLC可編程控制器與上位機及協(xié)作機器人通信，完成對巡檢系統(tǒng)桁架X/Y軸伺服電機控制、對巡檢結(jié)果做邏輯判斷等功能。

2.2" 巡檢系統(tǒng)流程設(shè)計

在自動巡檢模式下，桁架式移動機器人視覺巡檢系統(tǒng)按照設(shè)定的巡檢邏輯開始對生產(chǎn)線進行巡檢監(jiān)控，其控制流程如圖5所示。

巡檢系統(tǒng)開始運行前，根據(jù)生產(chǎn)線巡檢要求錄入生產(chǎn)線的巡檢位置點、巡檢類型及巡檢要求，系統(tǒng)開始運行后，巡檢系統(tǒng)將第一個位置點、巡檢類型及巡檢要求信息下發(fā)給PLC及協(xié)作機器人，協(xié)作機器人首先回到工作原點，巡檢系統(tǒng)X/Y軸伺服電機啟動，根據(jù)巡檢位置點移動到對應(yīng)的X/Y軸位置值，X/Y軸到達巡檢點位置值后，協(xié)作機器人移動到對應(yīng)的巡檢拍照點，觸發(fā)工業(yè)相機拍照上傳到上位機進行圖像識別，根據(jù)圖像識別結(jié)果決定是否觸發(fā)異常報警。若巡檢識別結(jié)果為正常，則自動進入下一巡檢點進行循環(huán)點檢，若巡檢識別結(jié)果為異常則記錄巡檢點位置信息及異常信息，并發(fā)出聲光報警提示，當(dāng)異常排除后自動進入下一巡檢點進行循環(huán)點檢。

3" 結(jié)論

針對目前制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)線等設(shè)備在運行過程中存在大部分無法使用傳感器進行檢測的故障源部位，采用工業(yè)機器人、工業(yè)視覺以及圖像處理技術(shù)設(shè)計桁架式移動機器人巡檢系統(tǒng)，解決盲區(qū)監(jiān)控的問題，并能有效地提前預(yù)判故障的發(fā)生，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的預(yù)防性維修，降低設(shè)備的故障率及停機率，提高設(shè)備的使用效率，具有模塊化設(shè)計、柔性化程度高、檢測效率高等特點，適用于焊接、涂裝、搬運等工業(yè)機器人生產(chǎn)線，避免高溫、有毒、危險等工作環(huán)境。在智能制造技術(shù)升級的背景下，該系統(tǒng)具有較高的實用價值及推廣意義。

參考文獻：

[1] 王滿，吳功平，熊一飛，等.巡檢機器人自動上下線系統(tǒng)制動裝置研究[J].機床與液壓，2020，48（9）：1-4.

[2] 馬麗娜.基于PLC的消防自動巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].中國設(shè)備工程，2022（2）：98-99.

[3] 藍青.火力發(fā)電廠輸灰?guī)捷斔蜋C廊道智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].中國高新科技，2023（8）：84-87.

[4] GUO W， WANG H， JIANG Y， et al. Obstacle Navigation Planning for a Power Transmission Line Inspection Robot[J].Robot， 2012，34（4）：505-512.

[5] 侯衛(wèi)衛(wèi).大數(shù)據(jù)下的遠程設(shè)備智能檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2022，19（7）：60-61.

[6] 李梁，劉帥，李國波，等.變電站智能巡檢機器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2013（5）：32-35.