張 星,吳麗明,曹 勁
(1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,福建 莆田 351254;2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械科,福建 莆田 351254)
人類在生產(chǎn)實(shí)踐過程中為了擺脫自身能力的局限性,發(fā)明和創(chuàng)造了許多智能機(jī)器來輔助或代替人類活動(dòng).[1]碼垛機(jī)器人是碼垛行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”.將視覺系統(tǒng)引入碼垛機(jī)器人中,可以改變傳統(tǒng)的PLC或單處機(jī)控制,提升碼垛活動(dòng)的靈敏性.同時(shí),機(jī)器視覺系統(tǒng)具有適應(yīng)能力強(qiáng)、智能化程度高等特點(diǎn),這為移動(dòng)機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ).
碼垛機(jī)器人的視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)的高科技系統(tǒng)[2].美國制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺分會(huì)和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)自動(dòng)化視覺協(xié)會(huì)定義機(jī)器視覺是,通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置.[3]系統(tǒng)通過計(jì)算控制來采集和分析必要的數(shù)據(jù),然后發(fā)出指令控制設(shè)備.碼垛機(jī)器人現(xiàn)已經(jīng)被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域,如鞋材的涂膠.借助于視覺傳感系統(tǒng),碼垛機(jī)器人能夠自動(dòng)捕捉鞋材的形狀,感知位置,實(shí)時(shí)進(jìn)行路徑規(guī)劃和涂膠處理,能有效地控制涂膠質(zhì)量,同時(shí)避免膠水給人體帶來的傷害,減輕人工操作的危險(xiǎn)性和工作強(qiáng)度.
圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)Fig. 1 Integrated Design of System
機(jī)器視覺系統(tǒng)的目的是給機(jī)器增加一套視覺系統(tǒng),由計(jì)算機(jī)來模擬人眼視覺功能,其中視覺傳感器是關(guān)鍵.系統(tǒng)通過視覺傳感器獲取圖像,由計(jì)算機(jī)或者圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理后,提取并輸出有用的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制.碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示.
機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要功能有如下3個(gè)方面:
(1)引導(dǎo)和定位.系統(tǒng)要求機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地找到加工零件并確認(rèn)其位置,引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行抓取、焊接或涂膠處理.[4]
(2)識(shí)別和采集.將經(jīng)過采集、分析和處理的圖像數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫,建立可追溯系統(tǒng).
(3)外觀檢測(cè).利用數(shù)據(jù)比對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)加工的零件,判斷有無外觀缺陷等.
典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)框架如圖2[5]所示.
圖2 系統(tǒng)整體框架Fig. 2 Overall System Framework
模型匹配是當(dāng)前最常用的圖像處理方法之一.[6]碼垛機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用IMAQ Vision模型匹配技術(shù).該技術(shù)采用了3種新方法,即高效率的非均勻圖像采集、圖像的幾何建模和與旋轉(zhuǎn)無關(guān)的樣板信息提取.當(dāng)物體進(jìn)入相機(jī)曝光區(qū)域時(shí),相機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別,并計(jì)算物體的空間坐標(biāo)和方向數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)械手控制器.基于以太網(wǎng)TCP/IP的通訊服務(wù)器,不斷偵聽來自機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的視覺照片,以獲取目標(biāo)的位置信息指令.如圖3所示,系統(tǒng)捕捉到加工零件的外形并自動(dòng)定位中心.
圖3 系統(tǒng)采集圖像Fig. 3 System Acquisition Image
機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件部分主要是由光源、鏡頭、攝像機(jī)、控制機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成.光學(xué)鏡頭和攝像機(jī)構(gòu)成圖像采集部分,完成圖像的采集和轉(zhuǎn)換,是系統(tǒng)重要的組成部件;控制機(jī)是系統(tǒng)的基礎(chǔ),是圖像抓取、模型匹配、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)標(biāo)識(shí)和跟蹤目標(biāo)選擇等功能程序的載體;執(zhí)行機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的最后一環(huán),也是最核心的部件,主要負(fù)責(zé)執(zhí)行各類動(dòng)作.這里選用自行開發(fā)的六軸機(jī)械手作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu).
機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟件部分采用LabVIEW(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái))圖形化編程工具.LabVIEW是一個(gè)編程環(huán)境,具有直觀、易學(xué)易用、通用編程系統(tǒng)和模塊化等特點(diǎn),人機(jī)界面友好,可實(shí)現(xiàn)多種功能,如數(shù)據(jù)采集、圖像處理、數(shù)據(jù)分析和運(yùn)動(dòng)控制等.在LabVIEW中用戶可用圖形符號(hào)編程,通過數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)連接功能節(jié)點(diǎn),縮短了控制軟件的開發(fā)周期.視覺采集軟件界面如圖4所示,程序編寫軟件界面如圖5所示.
圖4 圖像采集界面截圖Fig. 4 Screenshot of Image Acquisition Interface
圖5 程序運(yùn)行控制界面截圖Fig. 5 Screenshot of Program Operation Controlling Interface
機(jī)械手執(zhí)行部分主要是用Visual C++ 6.0開發(fā)的通用六軸機(jī)器人控制軟件,實(shí)現(xiàn)控制功能.此控制系統(tǒng)具有界面美觀、操作方便、功能齊全、性能穩(wěn)定的人機(jī)操作接口和控制特點(diǎn)[7],全漢字化的程序和代碼顯示為程序編寫提供了極大方便.模塊化功能設(shè)置,優(yōu)化的DH架構(gòu),適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)形式的本體控制,使得只需通過一定的參數(shù)設(shè)定和硬件上的線路連接,就可實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)的點(diǎn)位、直線、圓弧等運(yùn)動(dòng)控制,保證機(jī)器人高速、高精度運(yùn)行且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),從而實(shí)現(xiàn)精密、快速、智能化、柔性化的生產(chǎn).執(zhí)行的部分程序如下:
0000 程序開始
0001 速率=25.0%
0002 加減速的時(shí)間=250 ms
0003 工具轉(zhuǎn)換=1
……
0006 *相機(jī)拍照獲取物體坐標(biāo)
0007 *開啟相機(jī)拍照后工作偏移模式
……
0009 平滑開啟
0010 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)J(18),速度=20.0%
0011 直線運(yùn)動(dòng)J(19),速度=默認(rèn)速度
……
0017 直接運(yùn)動(dòng)J(25),速度=默認(rèn)速度
0018 直接運(yùn)動(dòng)J(26),速度=默認(rèn)速度
……
0031 *關(guān)閉拍照后工作偏移模式
……
0033 設(shè)置輸出3=ON
……
0035 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)J(17),速度=35.0%
0036 等待3 000 ms
0038 轉(zhuǎn)到0006行
……
0057 結(jié)束
3操作實(shí)例
以鞋材涂膠為例,為了提高鞋材涂膠的精度和效率,根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求自行開發(fā)碼垛機(jī)器人涂膠系統(tǒng).操作步驟如下:
(ⅰ)啟動(dòng)電源,顯示開機(jī)界面.
(ⅱ)登錄涂膠系統(tǒng),進(jìn)入六軸視覺系統(tǒng),再進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面.
(ⅲ)參數(shù)界面單擊【零點(diǎn)設(shè)置】,成功后進(jìn)入程序設(shè)計(jì).
(ⅳ)單擊【參數(shù)設(shè)置】,再點(diǎn)取【外掛視覺設(shè)置】,連接控制器,相機(jī)開始捕捉信號(hào).
(ⅴ)視覺系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)并進(jìn)行圖像處理.
(ⅵ)圖像信號(hào)分析、處理完畢后,機(jī)械手開始執(zhí)行命令,對(duì)鞋材進(jìn)行涂膠處理.
信號(hào)捕捉和處理如圖6所示.
圖6 信號(hào)捕捉和處理截圖Fig. 6 Screenshot of Signal Capture and Processing
在簡(jiǎn)單重復(fù)作業(yè)中,人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、誤差大.碼垛機(jī)器人增加視覺系統(tǒng)后更具智能性,顯著提高生產(chǎn)效率和作業(yè)精度[8-9],為“機(jī)器換工”奠定基礎(chǔ).目前,系統(tǒng)已完成軟硬件安裝,初步測(cè)試結(jié)果顯示達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).下一步的研究方向是針對(duì)系統(tǒng)的以下不足加以改善:(1)通信的原因,只實(shí)現(xiàn)了單目功能,這與人眼的雙目成像還有一定的距離,成像效果需進(jìn)一步提升,算法可以更加優(yōu)化;(2)視覺系統(tǒng)的圖像采集優(yōu)化程度不夠,對(duì)于不規(guī)則物體的識(shí)別能力有限.
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