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）

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。

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

图3 视觉控制器的侧面示意图

HIKVISION视觉控制器是专门为控制系统而开发的控制器，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

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

①具有90%反射比的目标对象；

②触发感应距离为灰色，18%反射比；

③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所示。

图8 减速电动机运动过程示意图

无负荷动力p1 =9.8uωVL[w]， 水平动力垂直动力运送带长度[m]，ω：环状带比量[kgf/m]，μ：摩擦系数，η：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]。

■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

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。

图9 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。

图1 系统硬件框图

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：

3 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。

图12 通讯管理

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。