基于工业机器人控制的物料视觉分拣系统的研究与设计_王晓莲.pdf

wwwele169com|23电子电路设计与方案0 引言随着工业技术的快速发展，在如今工业智能化生产过程中，工业机器人已经成为制造业实现全面自动化中的重要环节。同时，由于现在的生产线上的任务越来越繁琐，仍然使用人工进行一些繁琐的工件分类已经无法使企业生产产能得到提高。并且随着工作量的加大，人工分拣出现的失误频率也会逐渐提高。因此，迫切需要能够代替人工且高效率的同时不易出错的工业机器人来完成分拣工作。利用视觉控系统与工业机器人相结合的方法，就可以实现这种快速分拣作业任务。1 工业机器人分拣系统硬件结构系统的整个运行流程如下：将所有类别的物料都随机放入推料模块，通过推料装置将物料推入传送带上，机器人从输送带的末端夹取物料放入视觉检测工作台上进行检测，最后通过视觉控制器来分配存储地址，分配物料入库。上位机监控器安全保护电路安全保护电路机器视觉计算机系统机器人控制器ABB本体图 1 系统硬件框图 工业机器人视觉分拣系统主要由工业机器人、供料单元、物料输送单元、视觉分拣系统单元等模块组成。其中，视觉分拣系统单元主要由光学镜头，照明设备，工业相机以及视觉控制器构成。工业相机连续拍摄采集工作台上的物料，并将获取到的信息传递到图像采集系统中，为后续视觉控制器辨别处理做好准备。信息处理单元主要由计算机组成，该单元对图像采集传输上来的信息进行分析处理，其中包括视觉控制器对目标物料进行颜色比对，并将比对后的信息传递给机械手，完成指定的动作。上位机作为监控系统，监视下位机以及其他设备的工作情况。计算机系统根据上位机监控软件的指令来对机器人控制器进行运行状态的操作。机器视觉则通过前期比对模型及程序的建立，对所需分拣的物件进行一个存储位置的锁定，将物料的存储地址发送给机器人控制器，最后控制机械手来进行分拣工作。1.1 工业机器人的选择本系统采用的机器人型号为 ABB 机器人家族中目前最小的机器人IRB 120 型机器人，图 2 是本系统使用的机器人实物图。IRB 120 型工业机器人在紧凑空间内凝聚了ABB 机器人系列的全部功能与技术，该机器人只有 25kg 的重量，几乎可以被安装在任何地方1。虽然 IRB 120 机器人的工作范围只有 580mm，但其结构轻巧，功率强劲，在所有应用到的场景中都能确保优异的精确度与敏捷性。图 2 IRB120 型工业机器人 1.2 视觉检测模块硬件设计视觉检测模块中的硬件组成部分包括 HIKVISION 的视觉控制器、智能相机，以及 FA 工业镜头等相关硬件。（1）视觉控制器HIKVISION 视觉控制器是专门为控制系统而开发的控基于工业机器人控制的物料视觉分拣系统的研究与设计王晓莲（江阴职业技术学院，江苏江阴，214405）基金项目：江阴职业技术学院科研项目“基于机器视觉的工业机器人分拣电机配件装配质量系统的设计”，项目编号XJ2022LG004。摘要：随着工业时代急速发展，在目前工业智能化生产过程中，工业机器人担任着越来越重要的角色。如今的分拣生产线任务越来越繁琐，人工分拣出现的失误率与越来越高，因此，企业生产线迫切需要一种能够代替人工且高效率的同时还不易出错的机器来替代。本系统搭建了ABB机器人与机器视觉硬件平台，实现一种可以识别物料颜色检测、抓取分类入库一体化的工作系统。关键词：工业机器人；机器人视觉；物料检测DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.02524|电子制作 2023 年 2 月电子电路设计与方案制器，该控制器集成了机器视觉应用中的各类接口与图像处理算法。并且该控制器具有 2 个独立的 HDMI 显示输出，支持 GPIO 输入输出功能。由于触发输入可以通过上位机的控制以及输入 I/O 的控制两种方式实现，因此提供三种输入模式可供选择。（2）相机型号与镜头本设计选择的相机型号是 MV-CE050-31GC。作为一款经济型面阵相机，它采用的 CMOS 芯片是 Aptina SR0521。在采用这种芯片的情况下，它在图像采集信息的传输上都可以达到预期的要求。并且支持自动与手动的两种调节方式来调节相机曝光时间，且具有千兆以太网接口。在无中断的情况下，100m 是该相机所能达到的最大传输距离3。表 1 为该款相机的基本技术参数。表1 MV-CE050-31GC通用技术参数通用技术参数传感器类型COMS，卷帘快门传感器型号Aptina AR0524像元尺寸2.2m x 2.2m靶面尺寸1/2.5分辨率2592 x1944最大帧率24 fps2592 x 1944动态范围63dB信噪比37dB增益0 dB 23dB曝光时间21 s1 sec快门模式支持自动曝光、手动曝光、一键曝光模式 图 4 Hikvision MV-CE050-31GC 图 5 FA 工业镜头镜头在机器人视觉分拣系统中担任着十分重要的角色，它在系统中的功能是收集物料的反射光，并将反射光聚焦在面阵相机上2。一个优异的镜头可以获得良好的拍摄效果，所以就对镜头的选择必须满足两个基本的要求，首先对拍摄物料的成像必须比较清晰，另外还要求图像的畸变很小。而本次研究镜头的选择为 FA工业镜头，图 5 为本次所选镜头的实物。其优异的性能以及高性价比都完全符合本次的研究中镜头的选择。1.3 输送模块硬件设计光电传感器以及减速电机等硬件组成了本系统的输送模块，图 6 为系统中输送模块实物示意图。图 6 输送模块实物图（1）光电传感器GTB6-N1211 是一款迷你型光电传感器，其工作原理是漫反射光电传感器。并且具有 90反射率的扫描对象3。其轻小的体积可以轻松地安装在各种场合，减少占地面积的使用。本次研究中推料模块、输送模块、存储模块都将使用到此传感器，以用来检测物料是否到达预定位置。图 7 为光电传感器的实物图以及其触发感应距离图表。图 7 GTB6-N1211 实物图及触发感应距离图表具有 90反射比的目标对象；触发感应距离为灰色，18反射比；触发感应距离为黑色，6反射比。（2）圆柱齿轮减速机本次研究输送模块中电机的型号为 80UYT25GV22，输送模块中的圆柱齿轮减速机是一种动力传达机构，其利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的装置4。在本系统中主要运用于输送模块，通过减速电机的精确控制，将输送带上的物料输送到预定位置。下面为皮带输送简易图以及相关皮带输送时马达容量（Pg）的具体计算方法，减速电动机运动过程示意图如图 8图 3 视觉控制器的侧面示意图wwwele169com|25电子电路设计与方案所示。100g(123)wPppp=+无负荷动力19.8 pu VL w=，水平动力2w367uQLp=，垂直动力3 367QHpw=，L：运送带长度 m，：环状带比量 kgf/m，：摩擦系数，：效率%，Q：运送量kgf/h，V：环状带的速度 m/sec，H：倾斜运送机的两端高低差 m。图 8 减速电动机运动过程示意图 1.4 通用仓储模块硬件设计仓储模块主要为各模块的物料提供一个存储位。仓库库位都有检测传感器，通过传感器测物料，将数据传输给其他设备。工业机器人通过快换工具和库位信息，进行物料的入库。1.5 系统 I/O 地址分配表表2 I/O信号分配表功能信号（Signal）信号功能机器人快换信号DO3快换电磁阀吸合为1，松开为0机器人夹爪信号DO4夹爪电磁阀吸合为1，松开额为0推料气缸DO8推料电磁阀推出为1，缩回为0皮带运输DO11电机转动为1，停止为0视觉拍照信号DO14相机拍照信号触发时为1推料气缸缩回到位DI8传感器检测到推料气缸缩回到位时为1料仓有无物料DI9传感器检测到料仓有物料时为1皮带运输起始点DI11起始端检测到有物料时为1皮带运输终点DI12末端检测到有物料时为1视觉检测DI14视觉控制器输出信号2 工业机器人分拣系统程序设计 2.1 系统程序流程图基于工业机器人控制的物料视觉分拣系统的内部通信设置完成之后，进行机器人程序设计。而视觉系统的任务就是将需要分拣对象的颜色信息传递给机器人的控制系统，由于本系统是面向分拣台上的物体，所以只需将机器人放置的物料进行分拣。图 9 为系统程序流程图。2.2 视觉模块程序设计在识别前需进行模块的建立，在建立完模块后加载运行时，视觉控制器会根据拍摄到的相机成像与模块中已有的数据进行数据比对。图 10 为视觉检测模块流程图，以及各程序模块相关信息。开始机器人就绪检测是否有物料？推送模块推送物料输送模块输送物料输送模块有物料？物料是否到位？机器人夹取物料至视觉模块物料是否为黑色？存储到黑色物料存储槽存储到白色物料存储槽结束YYYYNNNN图 9 系统程序流程图图像采集图像预处理颜色提取模板匹配对应存储地址图 10 视觉检测模块流程图图像采集：通过相机对物料进行拍摄成像，并以图片的形式反馈给图像预处理。图像预处理：去除图像中的噪声，获取清晰的图像。颜色模板：将相机成像后的图片与建立模块中的图片进行颜色的检测比对，以确定存储地址。由于需要分拣两种不同颜色物料进行分别入库，因此需要调用保存在子程序中的任务指令，可以通过视觉控制器输出信号给出的信号来调用需要的指令，Routine1 指令是黑色物料存储地址指令，而 Routine2 是白色物料存储地址指令。主程序中从推料模块到开始判断物料颜色的执行步骤的指令是不用改变的，其中让机器人从输送末端夹取物料到检测模块的相关指令的编写代码如下：PROC main()WaitDI DI12,1;/末端检测到有物料时为 1MoveL offs(p20,0,0,60),v1000,fine,tool1;MoveL p20,v1000,fine,tool1;Set DO4;/夹具夹取物料WaitTime 1;MoveL offs(p20,0,0,60),v1000,fine,tool1;26|电子制作 2023 年 2 月电子电路设计与方案MoveL p30,v1000,fine,tool1;MoveL offs(p40,0,0,60),v1000,fine,tool1;MoveL p40,v1000,fine,tool1;WaitTime 1;IF DI14=1 THEN /判断视觉控制输出信号是否为 1 Routine1；/为 1 执行黑色物料存储指令 Routine2；/不为 1 执行白色物料存储指令 ENDIFEND PROC3 系统调试视觉模块设计主要依托于 VisonMaster 软件平台，其拥有强大的视觉分析工具库，可以简单灵活的搭建机器视觉应用方案，并且无需编程。首先打开 VisonController 软件，选择串口、点击光源亮度调节光源亮度，应用后即可使光源以特定亮度打开并且保持不变。图 11 VisonController 控制界面在颜色处理方面，首先在软件 VisionMaster 3.2.0 中新建一个全新方案。颜色识别主要依靠颜色为模板进行分类识别，当同种类物体有着比较明显的颜色差异时，相机就可以实现精准的物体分类并输出相关的分类信息。通讯管理方面选取协议类型为“IO”与“OK 时输出”，通讯串口号改为“COM2”。启动状态改为“非连续运行”。图 12 为通讯管理设置。在处理物料时，根据不同颜色物料进行多次拍摄检测，观察并检测各通道值进行对比分析，选择通道值差距较大的一组数值对物料进行测量分类。图 13 为拍摄物料后颜色对比模块。图 12 通讯管理 图 13 模块状态示意图4 结论综上所述，利用视觉系统来模拟人类的视觉来对物料进行测量和判断在生产效率上，可以长时间保持生产能力，不仅可以解放人工视觉分拣时的视觉疲劳，而且大大提高了企业的生产效率，促进企业生产可持续的发展目标。参考文献 1 王震宇,陈鹏,廉法威.ABB 工业机器人操作基础 M.哈尔滨.黑龙江人民出版社.2019.10-13.2 彭辉辉,刘飞飞,代云勇,陈臻阳,陈文涛.基于移动视觉的工业机器人分拣系统应用研究 J.现代电子技术,2020,43(20):26-30.3 刘华锋,周俊荣,叶军林,车海波,徐娟.工业机器人在自动化生