胡長(zhǎng)友?陳樂(lè)柱?王晨晨?趙耀武

摘 要 本文主要從視覺(jué)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了在分揀系統(tǒng)的策略中機(jī)器人的抓放和最優(yōu)路徑的選擇。同時(shí)介紹了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)追蹤和重復(fù)目標(biāo)的剔除。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué)；分揀；動(dòng)態(tài)追蹤

前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也在快速發(fā)展。隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展和完善，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用也越來(lái)越寬廣。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速地獲取大量的信息，而且易于自動(dòng)處理，從而提高了工作效率。機(jī)器視覺(jué)可以代替人工視覺(jué)[1]，進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，提高檢測(cè)系統(tǒng)的智能化水平和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能在機(jī)械手分揀系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的高速檢測(cè)、識(shí)別和拾取等。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要由物品輸送部分、視覺(jué)檢測(cè)與控制部分和機(jī)器人本體控制部分組成。

本文控制系統(tǒng)分為視覺(jué)控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。視覺(jué)控制系統(tǒng)是利用攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集傳送帶上物體的信息，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的物體信息進(jìn)行分析和處理，提取出有效信息和對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤，得出物體的相應(yīng)位置和姿態(tài)為機(jī)械臂的抓取提供參考。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)取經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析和處理過(guò)的數(shù)據(jù)，當(dāng)目標(biāo)物體到達(dá)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)時(shí)，由計(jì)算機(jī)分析處理得出的一系列所需位置坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)控制各個(gè)伺服電機(jī)使機(jī)械臂到達(dá)這些所需位置點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的抓取動(dòng)作和分選工作。

1.1 視覺(jué)控制系統(tǒng)

視覺(jué)控制系統(tǒng)采用了基于位置控制方式對(duì)傳送帶上移動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，攝像機(jī)固定在機(jī)械臂操作空間外且易于采集信息的位置。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)攝像機(jī)所采集到的圖像特征信息，通過(guò)攝像機(jī)坐標(biāo)與機(jī)械手坐標(biāo)的變換計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于機(jī)械臂的位置，再由視覺(jué)控制器根據(jù)機(jī)械臂位姿計(jì)算出控制量，生成運(yùn)動(dòng)軌跡的位置插補(bǔ)點(diǎn)，最后通過(guò)總線形式傳給機(jī)器人控制器，完成對(duì)機(jī)器人的控制。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各種功能的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人有序運(yùn)動(dòng)，就必須要構(gòu)建一個(gè)完整的穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心模塊，即運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)編程指令控制各主軸關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)末端執(zhí)行器平穩(wěn)快速運(yùn)動(dòng)。其中，較好的運(yùn)動(dòng)控制是控制系統(tǒng)的核心，是機(jī)器人具有優(yōu)良操作性能的前提和保障?？刂茩C(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)就是控制安裝在平臺(tái)上三個(gè)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)的控制方式一般分為位置控制方式，速度控制方式和轉(zhuǎn)矩控制方式。三種控制方式中，伺服電機(jī)響應(yīng)速度高低順序依次是轉(zhuǎn)矩控制方式，速度控制方式和位置控制方式。由于建立工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型方法并沒(méi)有得到完善統(tǒng)一，因此轉(zhuǎn)矩控制方式應(yīng)用受到阻礙，并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，而建立工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方法相對(duì)前者簡(jiǎn)單，更方便應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人控制中，故受到市場(chǎng)青睞。為了具有快速響應(yīng)性和精確性，本文對(duì)伺服電機(jī)采用速度控制方式，所設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，此系統(tǒng)為半閉環(huán)控制系統(tǒng)，比一般的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)精度要高，通過(guò)伺服電機(jī)上的編碼器將檢測(cè)到的電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速信息反饋到運(yùn)動(dòng)控制卡中，然后準(zhǔn)確輸出電機(jī)轉(zhuǎn)角位置。

2 分揀系統(tǒng)的策略分析

2.1 機(jī)器人抓放分析

通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲取傳送帶上不同類(lèi)型的雜亂物件的位置，機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)定位，對(duì)已識(shí)別的物件進(jìn)行分類(lèi)抓取，如圖3所示是機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)路徑，常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)路徑為典型的PTP（Point to Point）模式，即是分揀機(jī)器人常用到“門(mén)字框”型的運(yùn)動(dòng)路徑。

所謂的“門(mén)字框”路徑即在目標(biāo)軌跡上設(shè)置四個(gè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4 。P1為機(jī)器人末端執(zhí)行件路徑軌跡的起點(diǎn)，P4為機(jī)器人末端執(zhí)行件路徑軌跡的終點(diǎn)，P2、P3分別為目標(biāo)路徑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。將P2、P3點(diǎn)路徑經(jīng)過(guò)圓弧過(guò)渡優(yōu)化為P5、P6、P7、P8四個(gè)點(diǎn)，如此四個(gè)點(diǎn)把目標(biāo)軌跡劃分為五段，即上升段；和為圓弧過(guò)渡段；水平移動(dòng)段；下降段。因此，對(duì)于每一段的運(yùn)動(dòng)路徑機(jī)器人末端執(zhí)行件都是基于兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)，段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(mén)1，段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(mén)2，段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(mén)3，段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(mén)4，段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T(mén)5，所以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期T有：

（1）

綜上分析，機(jī)器人在抓取不同物件時(shí)，上升段、過(guò)渡段和下降段的末端移動(dòng)距離是相對(duì)固定的，影響整個(gè)抓取及放置效率的是水平運(yùn)動(dòng)段的移動(dòng)距離。機(jī)器人在有效的工作空間內(nèi)，能夠高效的將視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別的所有物件抓放在指定的位置。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度一定時(shí)，如何優(yōu)化整個(gè)過(guò)程機(jī)器人末端所走的運(yùn)動(dòng)總路程最短，是提高整個(gè)分選系統(tǒng)效率的重要因素。抓取的運(yùn)動(dòng)總路程最短問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換成在傳送帶I上的物件被機(jī)器人抓取到轉(zhuǎn)送帶II上的先后排序問(wèn)題。目前，傳統(tǒng)的方法是在笛卡爾坐標(biāo)系下依次按照行或列先后順序來(lái)完成分揀。如果物件數(shù)目和種類(lèi)很多的情況下，會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，如何在最短時(shí)間內(nèi)將物件高效的分選出來(lái)是問(wèn)題研究的關(guān)鍵。通過(guò)算法尋找抓取的先后順序，計(jì)算最后Delta機(jī)器人末端所走總路程最短。

2.2 最優(yōu)路徑選擇

根據(jù)以上對(duì)抓取策略相關(guān)分析可知，分選工作存在抓放順序優(yōu)化問(wèn)題，而最優(yōu)抓放順序的求解是提高機(jī)械手抓取效率最終要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。所謂最優(yōu)解抓放順序，即是當(dāng)抓放效率最高時(shí)，機(jī)器人將傳送帶I中各個(gè)物件抓放到傳送帶II上相應(yīng)位置的先后順序?？蓪?wèn)題等效為：

（2）

其中，S表示分選效率；So1表示機(jī)器人執(zhí)行末端原點(diǎn)位置到第一個(gè)物件的抓取點(diǎn)位置的水平移動(dòng)距離；i表示第幾個(gè)抓取物件；j表示第幾個(gè)放置點(diǎn)；n表示放置點(diǎn)總數(shù)；Sij 表示從第i個(gè)抓取點(diǎn)到第j個(gè)放置點(diǎn)的水平移動(dòng)距離；同理，Sji表示第j個(gè)放置點(diǎn)到第i個(gè)抓取點(diǎn)的水平移動(dòng)距離；Sno表示第個(gè)放置點(diǎn)到末端原點(diǎn)位置的水平移動(dòng)距離。

本文通過(guò)收斂速度較快的粒子群優(yōu)化算法來(lái)求解最優(yōu)路徑，具體步驟如下：

（1）首先初始化，選擇最大迭代次數(shù)T，種群數(shù)N，加速因子C1，C2，初始化粒子位置和速度；

（2）根據(jù)初始粒子的位置和速度，尋找當(dāng)前的最優(yōu)解，并賦值給行為參數(shù)；

（3）計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，每次迭代中，粒子通過(guò)跟蹤兩個(gè)極值更新位置和速度——粒子本身找到的歷史最好解，整個(gè)種群目前找到的最好的解，并賦值給行為參數(shù)；

（4）粒子根據(jù)當(dāng)代適應(yīng)度值與本身歷史位置最優(yōu)時(shí)的適應(yīng)度值進(jìn)行比較，若適應(yīng)度值優(yōu)于歷史位置最優(yōu)時(shí)的適應(yīng)度值，則更新粒子歷史最優(yōu)位置，粒子歷史最優(yōu)位置適應(yīng)度值取當(dāng)代適應(yīng)度值，否則保留粒子歷史最優(yōu)位置及其適應(yīng)度值；

（5）比較各個(gè)粒子當(dāng)代適應(yīng)度值，找出當(dāng)代全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值，若當(dāng)代全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值優(yōu)于之前全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值，則更新粒子群全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值，全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值取當(dāng)代全局位置最優(yōu)適應(yīng)度值，否則保留粒子群全局位置最優(yōu)及其適應(yīng)度值；

（6）判斷迭代中止條件：設(shè)置最大的迭代次數(shù)。若到達(dá)最大迭代次數(shù)轉(zhuǎn)至（7）；否則轉(zhuǎn)至（3）；

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3 目標(biāo)物體的識(shí)別

3.1 目標(biāo)的動(dòng)態(tài)追蹤

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征是跟蹤一個(gè)物體的重要依據(jù)，在許多跟蹤算法中都有提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征這一環(huán)節(jié)。提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征必須在環(huán)境、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自身變化時(shí)，都能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)目標(biāo)描述出來(lái)。目標(biāo)的特征大致分為：

（1）視覺(jué)特征，如形狀、邊緣、輪廓、紋理等特征；

（2）代數(shù)特征，如圖像矩陣的奇異值分解等特征；

（3）統(tǒng)計(jì)特征，如顏色直方圖等不變矩等特征；

（4）變換系數(shù)特征，如傅里葉描述子和自回歸模型等特征。

靜態(tài)視覺(jué)中通過(guò)對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理、識(shí)別后，再將提取到的位置信息傳遞給控制系統(tǒng)后就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確抓取。本文通過(guò)采集具有反饋功能的伺服電機(jī)，配合減速機(jī)和同步帶輪來(lái)驅(qū)動(dòng)傳送帶，從而保證系統(tǒng)精度，通過(guò)傳送帶伺服電機(jī)實(shí)時(shí)反饋位置記錄物體的位置，從而達(dá)到跟蹤的目的。

傳送帶I運(yùn)行的方向?yàn)闄C(jī)械臂y坐標(biāo)正方向，故目標(biāo)點(diǎn)的x坐標(biāo)方向的數(shù)值不變。攝像機(jī)固定在傳送帶邊上，每采集一幀圖片經(jīng)過(guò)圖像處理、信息提取后得到該圖片上所有的目標(biāo)點(diǎn)的位置、大小信息。輸送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)由所發(fā)的脈沖數(shù)決定。同步帶的傳送比已知，減速機(jī)的傳動(dòng)比已知，主動(dòng)輪的直徑已知。則傳送帶每前進(jìn)1mm電機(jī)所接收到的脈沖數(shù)λ可由下式求得：

其中：i為減速比；j為傳動(dòng)比；d為輸送帶主動(dòng)輪的直徑；N為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)。

視覺(jué)控制系統(tǒng)在提取、保存每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)位置信息時(shí)，除了提取目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（xn，yn）、大小Dn外，還記錄此刻傳送帶伺服電機(jī)編碼器反饋回來(lái)的脈沖數(shù)tn，記錄為（xn yn Dn tn）T。這樣就可以得到動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置信息：

其中：x，y為目標(biāo)點(diǎn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)；為單個(gè)脈沖輸送帶所走的距離。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單靠次方法實(shí)現(xiàn)跟蹤機(jī)械臂的抓取精度不高。通過(guò)分析公式（4）可知，t為目標(biāo)有效信息輸送到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中當(dāng)前時(shí)刻傳送帶收到的脈沖值，而機(jī)械臂從原點(diǎn)到抓取點(diǎn)或者從抓取點(diǎn)到放置點(diǎn)這個(gè)過(guò)程中傳送帶所走的距離沒(méi)有被記錄，從而導(dǎo)致每次抓取位置偏后。所以對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在抓取點(diǎn)和放置點(diǎn)之間產(chǎn)生一系列的位置點(diǎn)，機(jī)械臂通過(guò)這些位置點(diǎn)坐標(biāo)完成完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.2 重復(fù)目標(biāo)的剔除

本文采用基于單幀圖像上獲取目標(biāo)物的坐標(biāo)信息，但當(dāng)兩張相連的圖像采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物的遺漏還會(huì)增加視覺(jué)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，時(shí)間過(guò)短則會(huì)對(duì)相同目標(biāo)物的重復(fù)采集。所以相連兩張圖片采集間隔時(shí)間的確定要適合，故我們做了如下分析：

假設(shè)本視覺(jué)系統(tǒng)的視場(chǎng)大小為M×N，相機(jī)拍照間隔時(shí)間內(nèi)傳送帶會(huì)走一定的距離，任意相連的兩張圖片可能會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的重復(fù)采集以及目標(biāo)點(diǎn)的遺漏現(xiàn)象。

由上述情況分析可知，考慮到所采集的圖像包含全部目標(biāo)物無(wú)遺漏且完整，由于伺服電機(jī)按照每10ms進(jìn)行一次插補(bǔ)，要實(shí)現(xiàn)相機(jī)在輸送帶移動(dòng)距離d的過(guò)程中精確拍攝兩張圖片的難度較大。綜合考慮，此時(shí)相連的兩張圖片可能出現(xiàn)重復(fù)的目標(biāo)。因此，本文引入一種基于像素當(dāng)量剔除重復(fù)目標(biāo)點(diǎn)的方法。具體方法如下：

假設(shè)，a圖像中m個(gè)物體的像素坐標(biāo)記為集合M。

b圖像中n個(gè)物體的像素坐標(biāo)記為集合N。

將集合N中元素與a圖像中的每個(gè)元素做比較得出兩元素的像素坐標(biāo)的距離，再利用標(biāo)定出的像素當(dāng)量求出實(shí)際距離d：

傳送帶移動(dòng)的距離為：，若，則該點(diǎn)為重復(fù)點(diǎn)予以剔除。由于現(xiàn)實(shí)存在誤差，所以設(shè)定誤差范圍τ，即當(dāng)時(shí)，對(duì)此點(diǎn)做剔除。τ的具體值可以通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)獲得。

通過(guò)引入像素當(dāng)量計(jì)算相連兩幅圖像中目標(biāo)點(diǎn)的位置，并利用傳送帶反饋脈沖差值確定傳送帶所走的距離，把兩者進(jìn)行比較從而最終獲得傳送帶上每個(gè)不重復(fù)目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，此方法在實(shí)驗(yàn)中獲得了良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，使機(jī)器人可以高速分揀。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要完成了以下方面：

（1）對(duì)系統(tǒng)的總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)；

（2）針對(duì)機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)識(shí)別物件進(jìn)行快速分揀的問(wèn)題，分析了機(jī)器人的抓放和路徑的最優(yōu)選擇；

（3）同時(shí)介紹了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)追蹤和重復(fù)目標(biāo)的剔除。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳衛(wèi).基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械零件檢測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2011.