带有视觉识别模块的分拣机器人

带有视觉识别模块的分拣机器人

作者：李德民王诗宇王嘉乐

来源：《知识文库》2018年第05期

传统的机器人分拣操作一般采用示教或离线编程方式，当机器人所处的工作环境发生改变时机器人很难即时作出相应的调整，为了使机器人具有更加智能化的功能，以阿童木并联机器人和工业智能相机为基础，组成一套带有视觉模块的机器人分拣系统。这样的分拣系统结合了并联型机器人和视觉模块两个方面的优势，通过视觉模块智能的识别不同的对象，系统可以完成高速的分拣工作，显著提升了机器人对工作环境的适应能力，提高了工作效率。同时，实验结果证明了该系统软硬件设计正确，分拣成功率高。

随着我们国家生产需求的不断增加，机器人越来越多的参与到各行各业的生产过程中来。其中，对工件的分拣作业是当前生产过程中的一个重要环节，传统的机器人分拣，其动作和目标的摆放位置都需要根据程序预先严格的设定。一旦机器人所处的环境有所改变，很容易导致抓取错误。本文模拟工业生产中的分拣作业环境，引入视觉模块，用摄像机来模拟人类的视觉功能来对待测的对象进行识别分类，可以使分拣作业拥有更高的可靠性和灵活性，作业对象以及分拣工序可以随时随地的变换，也提高了工作的效率和机器人的智能化程度。

1机器人系统组成介绍

我们设计的机器人分拣系统主要由并联机器人、视觉模块、传送带装置以及分拣对象组成，结构如图1所示：

1.1并联机器人

相比于其他工业机器人，并联机器人占用较小的空间，其更具有高速度、高精度、灵活性等特点，更能适合苛刻的工业生产需求。我们在实验中采用的是阿童木4轴并联型机器人，如图2所示，它能够完成空间中X、Y、Z方向的移动及角度的转动。除了并联型机器人本体之外，机器人配套设施还包括机器人控制柜、控制编程器和驱动机器人各关节运动的伺服交流电机。机器人末端执行机构为气动吸盘，用于吸附传送带上的分拣对象，完成抓取动作。

1.2 视觉模块

视觉模块我们采用康奈视公司的In-Sight7000型智能相机，如图3所示。该视觉模块能够智能的识别出实验中不同种类的实验对象，以及采集各个实验对象的位置信息。

1.3网络交换机

实验中，我们使用一般的家用路由器来替代网络交换机。视觉模块采集到的信息要通过局域网来络传递给机器人，因此我们要用到网络交换机来搭建局域网络，进而使各个模块间完成信息传输。

1.4 传送带及分拣对象

皮带输送机用来完成对分拣对象的输送，其工作长度约为1米，分拣对象为印有不同字母的立方体铅块，用以上装置来搭建一个可以模拟工业生产中分拣环节的实验环境。

2实验流程设计

如图4所示为整个实验环境，实验主要完成“识别—定位—抓取—放置”等一系列过程。首先，不同种类的实验物块通过气缸的开合随机的散落在传送带上，视觉模块会判断视区域野内是否有待分拣的实验物块，当实验物块运行到相机的视野区域内时，视觉模块进行图像采集，采集分拣对象的位姿信息，计算机通过一定的程序算法对实验物块进行识别、计算，获取分拣对象的分类信息和坐标信息、旋转角度后，再传递给机器人，机器人根据视觉模块传回的信息，控制机器人末端执行机构（即吸盘）在合适的动作区域内进行跟踪和拾取操作，将不同种类的实验物块放置到分别指定的位置。当料盘上的物块数量达到设定的数值时，气缸再次开启，将物块随机的散落在传送带上，重复上述的过程。

要实现上述过程，我们需要完成以下几个方面的工作：

2.1 相机标定

首先我们要保证视觉模块采集到的坐标信息是准确无误的，这就需要对相机进行标定工作。由于镜头等硬件环境的原因，相机在采集图像的时候经常会产生一定的误差，标定即是对镜头的畸变进行校正的过程。我们在实验中利用视觉模块自带的标定功能，使用棋盘格作为相机标定模板，完成对视觉模块的标定工作，如图5所示。

标定工作完成之后，视觉模块就可以对传送带上的实验对象进行信息的采集工作了，图6为视觉模块采集到的图像信息。

2.2 建立坐标关系

视觉模块拥有自己的坐标系统，机器人同样也具有自己的坐标系统，视觉模块采集到实验对象的数据信息后，要转换成机器人可以理解的坐标信息，因此我们需要建立视觉坐标系和机器人坐标系之间的对应关系，如图6所示：

其中，两个坐标系之间有如下式（1）的对应关系：

2.3机器人抓取

计算机将视觉模块采集到的数据信息转换成机器人可以理解的坐标信息后，传送给机器人，机器人的末端执行器根据获取的坐标信息移动到待抓取对象的上方，开启末端执行器上的气阀装置，将待抓取的实验对象牢牢地吸附在末端执行器上。如图7所示：

2.4机器人放置

最后，我们要将不同种类的实验对象放置到预先设定好的不同区域。首先设定好每一种类实验对象放置的初始位置，每放置一次沿Y方向一次减掉相应的距离，这样就可以保证两次放置不会发生位置重合的现象。放置情况如图8所示：

3 软件设计

根据系统的作业需求，要在运动的传送带上准确的识别不同种类的分拣对象，实验中采用分别印有字母A至F的立方体块，如上图8所示，将它们分别抓取至相应的位置，因此在程序设计时要对6种立方体块进行判别，每种对象都包含一个循环体，下面以一种对象为例，将程序设计流程表示如下：

4实验结果及分析

经过对软硬件的调试，本实验顺利完成了对待分拣对象的分拣过程。实验过程为预先在上位机上建立所有待抓取对象的模板，然后在传送带初始位置开始随意放置不同类型的待分拣对象，分拣作业要求将不同的分拣对象分别放置到相应的位置。整个抓取过程，视觉系统通过规定好的数据通信格式向机器人发送传送带上目标对象的位姿信息。

机器人末端执行器上的气动吸盘根据坐标信息运动到气动目标物体上方，开启气阀对应的IO接口吸附目标物体，运动到预先定义好的坐标位置后关闭气阀，完成放置过程。

（作者单位：1.大连市第二十四中学2.中国科学院沈阳计算技术研究所）