凌雙明

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

匯博機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)在工件分揀中的應(yīng)用

凌雙明

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

針對(duì)使用示教或離線編程方式工作的工業(yè)機(jī)器人程序固化，不能隨環(huán)境改變自動(dòng)調(diào)整分揀對(duì)象和過(guò)程，造成生產(chǎn)效率低、成本高的問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用匯博工業(yè)機(jī)器人和智能相機(jī)與S7-1200 PLC通訊后對(duì)準(zhǔn)抓取點(diǎn)并調(diào)整工件放置參數(shù)從而完成對(duì)工件的分揀和歸類擺放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分揀工件且分揀成功率高，且易于實(shí)施。

機(jī)器視覺(jué)；S7-1200；準(zhǔn)確分揀

隨著工業(yè)4.0在我國(guó)的快速推進(jìn)，依靠人工對(duì)工件進(jìn)行分揀的作業(yè)模式正逐步由高效低成本的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)替代。而目前普遍使用示教或離線編程的方式工作的工業(yè)機(jī)器人程序固化，如果工作在不同的環(huán)境中則必須要重新編寫(xiě)特定的程序才能完成分揀任務(wù)，這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高和成本的較低帶來(lái)了及其不利的影響。而使用機(jī)器視覺(jué)的分揀技術(shù)則不但能解決程序固化的工業(yè)機(jī)器人問(wèn)題，還能提高工業(yè)生產(chǎn)效率，較低生產(chǎn)成本[1]。在機(jī)器人分揀系統(tǒng)里，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)、尺寸等特工件分揀是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)重要的組成部分，其目的是將不同類型的物料或工件分類擺放到相應(yīng)的位置，其步驟主要分為定位、識(shí)別、抓取和放置 4 個(gè)階段。使用相機(jī)作為視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人能夠根據(jù)分揀環(huán)境的需要，自動(dòng)調(diào)整作業(yè)對(duì)象和每個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。本文主要研究基于智能相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)幫助六自由度工業(yè)機(jī)器人判斷工件的位置和類型，將對(duì)于其他機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)，使用智能相機(jī)不但高效準(zhǔn)確而且成本低廉，操作簡(jiǎn)單，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1 匯博機(jī)器人工件分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成由匯博6關(guān)節(jié)機(jī)器人單元、智能視覺(jué)統(tǒng)檢測(cè)識(shí)別單元、工件流水線單元以及主控系統(tǒng)單元組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。該分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，硬件主要由機(jī)器人、PC機(jī)、相機(jī)、托盤(pán)和工件等組成。其中相機(jī)和機(jī)器人之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，系統(tǒng)軟件由自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器人控制程序、圖像處理程序組成。機(jī)器人分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理和工作過(guò)程為:智能視覺(jué)系統(tǒng)安裝于工件流水線中（視覺(jué)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)由智能相機(jī)、光源控制器、光源、鏡頭等硬件組成，光源采用背光方式），當(dāng)工件運(yùn)轉(zhuǎn)到視覺(jué)檢測(cè)、分揀工位時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件流水線上的工件進(jìn)行形狀和種類識(shí)別，并把檢測(cè)和識(shí)別的結(jié)果（工件的形狀和位置）傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)和6軸關(guān)節(jié)機(jī)器人，由6軸工業(yè)機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖1 視覺(jué)分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

2 匯博機(jī)器人分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人分揀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件部分主要有托盤(pán)流水線單元、視覺(jué)系統(tǒng)單元、主控制器單元和匯博機(jī)器人單元等4部分組成，其中視覺(jué)處理算法、視覺(jué)處理與機(jī)器人控制之間的通信接口、機(jī)器人控制程序是軟件系統(tǒng)的主要功能模塊。HBRCPS-C10 設(shè)備使用SV4-30ML 型智能相機(jī)作為視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，PLC 使用西門子公司的 S7 1200系列，CPU 為1215C DC/DC/DC。智能相機(jī)與 PLC之間采用 Modbus/TCP 協(xié)議通信，其中智能相機(jī)是服務(wù)器端，PLC 是客戶端，即 PLC 主動(dòng)讀取智能相機(jī)的數(shù)據(jù)。托盤(pán)流水線共設(shè)6個(gè)托盤(pán)工位，小車裝卸貨物處為后端，另一端為前端，從前端起分別定義為1-6號(hào)工位，在1 2 4 6工位處設(shè)有托盤(pán)有無(wú)檢測(cè)傳感器，在2 4工位處設(shè)有止停氣缸。硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 視覺(jué)分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其主要功能

機(jī)器人分揀工作流程如圖3所示：首先由托盤(pán)流水線負(fù)責(zé)把貨品托盤(pán)輸送到視覺(jué)檢測(cè)工位，經(jīng)視覺(jué)定位識(shí)別輸送到抓取工位，由機(jī)械手將托盤(pán)中的貨品，通過(guò)真空吸盤(pán)吸放到相應(yīng)盒中。當(dāng)貨品托盤(pán)中的貨物全部取空時(shí)，由機(jī)械手通過(guò)另一套真空吸盤(pán)將托盤(pán)吸放到空托盤(pán)存放處。具體執(zhí)行時(shí)，當(dāng)4號(hào)位檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有托盤(pán)時(shí)，停止動(dòng)氣缸伸出，將待檢測(cè)托盤(pán)停住。由視覺(jué)識(shí)別探頭對(duì)托盤(pán)中的貨物進(jìn)行辨識(shí)，并將辨識(shí)的特征數(shù)據(jù)（坐標(biāo)，形狀等）通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到機(jī)器人控制器中，識(shí)別完成后止動(dòng)氣缸縮回。托盤(pán)流向3號(hào)工位并在2-3工位間排隊(duì)，當(dāng)1號(hào)工位有托盤(pán)且2號(hào)工位開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有托盤(pán)時(shí)，2號(hào)工位止停氣缸伸出，將托盤(pán)停住等候，等待1號(hào)工位中的托盤(pán)被取走后進(jìn)入1號(hào)工位。1號(hào)工位為機(jī)器人抓取工位，在4號(hào)工位識(shí)別是數(shù)據(jù)，此時(shí)被調(diào)出使用，由機(jī)械手根據(jù)識(shí)別的數(shù)據(jù)以及所需完成的裝盒的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，將合適的貨品裝到合適的盒中。貨品卸完后，機(jī)械手將空的貨品托盤(pán)移載到空托盤(pán)存放處，空托盤(pán)存放處設(shè)有滿位檢測(cè)傳感器，正常情況下，應(yīng)通過(guò)計(jì)數(shù)對(duì)空托盤(pán)數(shù)量進(jìn)行管理，當(dāng)發(fā)生差錯(cuò)或異常時(shí)，滿位檢測(cè)傳感器接通，防止托盤(pán)堆放產(chǎn)生跌落。當(dāng)空托盤(pán)達(dá)到規(guī)定數(shù)量時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，提示移走空托盤(pán)。

3.1 視覺(jué)處理單元

視覺(jué)處理單元相機(jī)的智能一體相機(jī)通過(guò)內(nèi)含的CCD/CMOS 傳感器采集高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)圖像，內(nèi)嵌數(shù)字圖像處理（DSP）芯片，能脫離PC 機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算處理，PLC 在接收到相機(jī)的圖像處理結(jié)果后，進(jìn)行動(dòng)作輸出[2]。相機(jī)有兩個(gè)接口，分別為RJ45 網(wǎng)口與DB15 串口，連接時(shí)，用交叉網(wǎng)線連接相機(jī)與電腦，用SW-IO 串口線連接相機(jī)與電源控制器。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，光源采用背光方式（光源在工件下面），托盤(pán)傳到工件位且符合拍照條件時(shí)，給光源控制器輸入端一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)，相機(jī)拍照，拍照完成后，光源控制器給出一個(gè)輸出信號(hào)，系統(tǒng)執(zhí)行下一步操作。照片包含每種形狀物體的個(gè)數(shù)、每個(gè)物體的位置坐標(biāo)以及角度，這些信息可以通過(guò) X-Sight Studio中的“窗口”→“Modbus 配置”給它們配置相應(yīng)的 Modbus 地址，以便 PLC 讀取。對(duì)不同形狀物體的識(shí)別需要用到 X-Sight Studio 軟件中的視覺(jué)工具，選用定位工具中的圖案定位，將每種形狀的物體分配一個(gè)圖案定位，每個(gè)圖案定位工具都自帶有一個(gè)學(xué)習(xí)框，將框框中要識(shí)別的物體，然后點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)”選項(xiàng)，完成后相機(jī)就具有了識(shí)別框中物體的能力[3]，因此，有多少種形狀的物體，就要建立多少種圖案定位工具 。圖案定位工具同時(shí)還具備了角度識(shí)別功能，識(shí)別范圍為-180°—180°，因?yàn)榻嵌茸R(shí)別需要處理的數(shù)據(jù)量較大，因此要將相機(jī)改為受控模式，在受控模式下，圖像的處理將由和相機(jī)連接的計(jì)算機(jī)處理，很大程度上縮短了相機(jī)的掃描周期。同一種形狀物體的最多個(gè)數(shù)，在“目標(biāo)搜索的最大個(gè)數(shù)”中進(jìn)行設(shè)置[4]。

3.2 視覺(jué)處理與機(jī)器人控制間通信接口

為了使 S7-1200 PLC 能與SV4-30ML 型智能相機(jī)正常通信，必須使PLC 的 IP 地址與智能相機(jī)的 IP 地址一致。Modbus/TCP 是一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，其通信規(guī)范已經(jīng)固化到智能相機(jī)底層，因此只需在智能相機(jī)的上位機(jī)軟件 X-Sight STUDIO中做相應(yīng)的配置即可。智能相機(jī)與 PLC 通信流程如圖4所示。

圖3 機(jī)器人工件分揀流程

圖4 智能相機(jī)與 PLC 通信流程

圖5 相機(jī)主功能塊及介紹

3.3 視覺(jué)控制程序軟件實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人視覺(jué)的主控制程序使用博圖軟件編寫(xiě)，將全部變量定義后放在FB塊中，完成子程序編寫(xiě)并將主程序放在FC塊中。首先定義四組全局變量[5]。

gsCameraData : ARRAY[1..5,1..3] OF Camera_Data;//相機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)組[托盤(pán)號(hào),物體編號(hào)]

giCameraZ : ARRAY[1..9] OF INT;//每種物體的高度設(shè)定值（一位定點(diǎn)小數(shù)）

giCameraBoxNo: INT;// 當(dāng)前排隊(duì)托盤(pán)號(hào)（數(shù)值范圍1-5）

其中 Camera_Data 結(jié)構(gòu)類型如下：

TYPE Camera_Data :

STRUCT

TargetType:INT;//類型

Xcoordinates:INT;//X 坐標(biāo)

Ycoordinates:INT;//Y 坐標(biāo)

Zcoordinates:INT;//Z 坐標(biāo)

Angel:INT;//角度

END_STRUCT

END_TYPE

Camera-Main功能塊（圖5）通過(guò) Execute管腳觸發(fā)正常執(zhí)行一次，則將相機(jī)數(shù)據(jù)根據(jù)giCameraBoxNo變量?jī)?nèi)的值放入 gsCameraData 數(shù)組中的指定位置，并對(duì) giCameraBoxNo 變量進(jìn)行加一操作。通過(guò) DataPop 管腳觸發(fā)正常執(zhí)行一次，則將 gsCameraData 數(shù)組中數(shù)據(jù)向前移動(dòng)一個(gè)位置，并對(duì) giCameraBoxNo 變量進(jìn)行減一操作。

4 測(cè)試驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了“識(shí)別工件—抓取工件—放置工件”的過(guò)程，取得了預(yù)期效果，“識(shí)別工件—抓取工件—放置工件”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：在流水線上的托盤(pán)中隨意放置正方形、圓形、星行的工件各10 個(gè)，分揀作業(yè)要求將形狀不同的工件分別放置在不同的盒子中，啟動(dòng)機(jī)器人分揀系統(tǒng)后，通過(guò)示教操作，使工業(yè)機(jī)器人分別沿X 軸、Y 軸運(yùn)動(dòng)，調(diào)整工件盒生產(chǎn)線的空間位置，使工件生產(chǎn)線與工業(yè)機(jī)器人相對(duì)位置正確；在托盤(pán)中放置一種工件，置于托盤(pán)生產(chǎn)線1 號(hào)工位，在工件盒生產(chǎn)線的中間位置放置一個(gè)工件盒，利用示教器進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人示教操作，將托盤(pán)中的工件分別放置在工件盒指定的四個(gè)小格中。通過(guò)示教記錄該工件的位置信息，將空托盤(pán)放置在托盤(pán)收集處；示教結(jié)束后更換托盤(pán)及工件盒，工業(yè)機(jī)器人程序再現(xiàn)時(shí)，應(yīng)能沿以上示教軌跡重復(fù)3種工件的抓取及空托盤(pán)收集動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該分揀系統(tǒng)識(shí)別并分揀工件的正確率達(dá)到約100%。

[1] 郭聯(lián)金.淺談機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)化制造業(yè)中的應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2016(11):235-235.

[2] 宋屹峰,王洪光,李貞輝. 基于視覺(jué)方法的輸電線斷股檢測(cè)與機(jī)器人行為規(guī)劃[J].機(jī)器人,2015, (2):204-210.

[3]賈丙西,劉山, 張凱祥, 等. 機(jī)器人視覺(jué)伺服研究進(jìn)展:視覺(jué)系統(tǒng)與控制策略[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2015,41(5):861-873.

[4] 鄒楊,石紅瑞. 基于Lab VIEW 的Tripod 機(jī)器人視覺(jué)處理和定位[J]. 機(jī)電工程,2016, 33(4):448-452.

[5]劉金國(guó),高宏偉. 智能機(jī)器人系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京:科學(xué)出版社,2014.

［編校：楊 琴］

Application of of Huibo Industrial Robots’ Vision System in the Sorting of the Workpieces

LING Shuang-ming
(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

An industrial robot has a curing program due to the use of teaching or off-line programming,and so it cannot automatically adjust the sorting objects and processes with the environment changes, which results in low production efficiency and high cost. Thus the author proposes a sorting system of an industrial robot based on machine vision, in which Huibo industrial robots and intelligent camera and S7-1200 PLC communication are used to align the grasping points and to adjust the placement parameters of the workpieces to complete the sorting and classification of the workpieces. The experimental results show that the hardware and software design of the control system can realize the accurate, effective and easy sorting of the workpieces.

machine vision; S7-1200; accurate sorting

TP391.41

A

1671-9654(2017)03-0096-04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.03.017

2017-06-24

凌雙明（1983－ ），女，湖南長(zhǎng)沙人，實(shí)驗(yàn)師，工程碩士，研究方向?yàn)镻LC、機(jī)電一體化技術(shù)。

本文為2016年湖南省教育廳科研課題“HR20-1700-C10機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)在工件分揀中的應(yīng)用研究”（編號(hào)：16C0012）階段性研究成果。