人類通過視覺認(rèn)知文字、圖片和周圍環(huán)境，機(jī)器人要感知和識別工作環(huán)境，同樣也離不開視覺系統(tǒng)。本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種工業(yè)分揀機(jī)器人的視覺定位方法，機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)借助三維圖像處理技術(shù)用于定位容器里的零件，軟件通過對CAD模型和三維圖像的比較，檢查給出零件的夾緊位置，以便分揀末端抓手有足夠的空間抓取零件。
機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測識別和定位。傳統(tǒng)檢測識別技術(shù)有基于分割的方法、特征分析方法、圖像識別決策分類方法、模式學(xué)習(xí)和形狀匹配方法等，這些方法在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
機(jī)器視覺檢測識別技術(shù)是用機(jī)器視覺代替人眼對工件進(jìn)行檢測、測量、分析、判斷和決策控制的智能測控技術(shù)。與其他檢測控制技術(shù)相比，主要包括如下優(yōu)點(diǎn)：具有比人眼高超的一致性和重復(fù)性，智能化程度強(qiáng);多方面感知外界信息，能夠通過多種成像方式獲得靜態(tài)空間、動(dòng)態(tài)工件、結(jié)構(gòu)等信息;檢測速度快、準(zhǔn)確率高，漏檢率和誤檢率低;具有很好的實(shí)時(shí)性，可實(shí)現(xiàn)快速大批量在線檢測;機(jī)器視覺與智能控制技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)基于視覺的路徑策劃及高速運(yùn)動(dòng)控制、視覺伺服、精確定位識別和作用力的優(yōu)化控制，極大地提高控制精度。因此，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于精密制造生產(chǎn)線、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量在線自動(dòng)化檢測、裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線等多個(gè)領(lǐng)域中，在提高智能制造裝備的精密制造水平，提高汽車、電子、醫(yī)藥、食品、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測效率等方面發(fā)揮巨大作用。
分揀單元組成圖
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器人分揀技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在制造、裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線上。傳統(tǒng)的機(jī)器人分揀技術(shù)大多采用示教的方式，分揀機(jī)器人對工件的初始和終止姿態(tài)及擺放位置要求比較嚴(yán)格，這種分揀方式不僅分揀速度慢、效率低，只要工件的擺放位置發(fā)生變化就會導(dǎo)致機(jī)器人無法抓取零件，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程的工作效率。基于視覺系統(tǒng)的分揀機(jī)器人具有效率高、錯(cuò)誤率低的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠保證分揀工作的質(zhì)量。因此，人們把研究方向轉(zhuǎn)變到機(jī)器視覺領(lǐng)域，將視覺技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合，使工業(yè)機(jī)器人具備類似人眼的檢測識別功能，使得機(jī)器人在分揀過程中更加柔性化、高精化、智能化，對于降低生產(chǎn)成本、確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等方面具有重要意義。
目前，機(jī)器人視覺系統(tǒng)已經(jīng)普遍地應(yīng)用在工件無損檢測、零件參數(shù)測量、食品包裝、醫(yī)藥生產(chǎn)、物流分揀以及PCB制圖等領(lǐng)域，基于視覺系統(tǒng)引導(dǎo)的機(jī)器人技術(shù)也將成為未來發(fā)展的主要趨勢。本文針對從生產(chǎn)線上托盤中的堆積零件中抓取工件并規(guī)則擺放，提出了一種分揀機(jī)器人的定位識別方法，以庫卡公司的KR 30型6軸工業(yè)機(jī)器人、環(huán)形輸送線等為基礎(chǔ)，搭建了基于PLB-500的3D視覺系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人分揀單元，制定了詳細(xì)的視覺分揀方案。
分揀單元的組成
隨著工業(yè)零件的復(fù)雜化，在工業(yè)生產(chǎn)和裝配的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)零件隨機(jī)散亂放置的情況，因此本文設(shè)計(jì)一種分揀單元，模擬了亂序零件的工作情況，并通過機(jī)器人視覺系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)分揀零件。整個(gè)分揀單元由KUKA KR 30機(jī)器人及其控制器、輸送線、3D視覺定位系統(tǒng)以及安全防護(hù)裝置等組成，分揀單元的結(jié)構(gòu)組成如圖所示。
輸送線
本單元采用環(huán)形輥筒輸送線，起到輔助工業(yè)機(jī)器人分揀和方便循環(huán)展示的作用。輸送線中分布3個(gè)阻擋氣缸和4個(gè)光電開關(guān)，其具體分布位置如圖所示。阻擋氣缸用于在特定位置擋停移動(dòng)的托盤，以控制分揀工作的時(shí)序，阻擋氣缸3同時(shí)還起到撞亂托盤中的有序零件的作用。光電開關(guān)用于檢測是否有托盤通過，若有，則將信號傳輸給控制系統(tǒng)，以控制輸送線的轉(zhuǎn)速。輸送線中放置了5個(gè)托盤，其中4個(gè)托盤放置零件，一個(gè)空托盤用于放置機(jī)器人從亂序托盤中抓取的零件，并在空托盤中按規(guī)則順序擺放。
3D視覺定位系統(tǒng)
傳統(tǒng)的分揀機(jī)器人定位系統(tǒng)存在著定位誤差大、識別速度慢和準(zhǔn)確率低的缺點(diǎn)，對于復(fù)雜的工件，在生產(chǎn)和組裝時(shí)需要對工件進(jìn)行人工識別搬運(yùn)和定位。目前廣泛應(yīng)用于分揀的機(jī)器人只能按照預(yù)定規(guī)劃的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對于散亂堆積的零件無法處理。因此，需要一套3D視覺系統(tǒng)，可以識別復(fù)雜散亂的工件，并能夠給出工件的位置與姿態(tài)，引導(dǎo)機(jī)器人抓取。
本單元采用Sick的PLB-500機(jī)器人導(dǎo)向系統(tǒng)，通過3D視覺系統(tǒng)捕獲零件的相關(guān)信息并引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行定位抓取，PLB-500有很大的掃描范圍，不受外界光和對比度的影響，可以精確的讀取工件的三維信息并傳輸給機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作引導(dǎo)。
PLB 3D視覺系統(tǒng)包含：3D相機(jī)、易于集成和通訊的零件定位軟件。其中3D相機(jī)能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境，提供準(zhǔn)確且可靠的三維圖像并且不受人工環(huán)境光的影響，并且能夠提供較好的圖像質(zhì)量。該系統(tǒng)具備可靠性和易用性的特點(diǎn)，它能毫無問題地集成到現(xiàn)有環(huán)境中，提供高精度的測量結(jié)果并且非常有助于零件操作的靈活性。
PLB 3D視覺系統(tǒng)，是用于高精度定位雜亂放置于箱子中的零件的一套視覺系統(tǒng)。它使得工作站更換新的零件變得更簡單，并能夠通過以CAD為基礎(chǔ)的3D模型匹配零件的軟件來縮短更換零件的時(shí)間。
視覺定位系統(tǒng)在分揀作業(yè)中的應(yīng)用
抓取系統(tǒng)組成
完整抓取的系統(tǒng)包含：PLB系統(tǒng)(包含視覺傳感器、軟件)、機(jī)器人控制器、機(jī)器人、分揀末端執(zhí)行器、托盤及工件。PLB系統(tǒng)的視覺傳感器主要用于零件三維數(shù)據(jù)的采集;軟件的主要功能為定位容器中的零件，檢查給出零件的夾緊位置，并與機(jī)器人進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器通過編程控制機(jī)器人的抓取路線。
標(biāo)定
通過標(biāo)定，可以將相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)系，系統(tǒng)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后直接輸出機(jī)器人的坐標(biāo)與姿態(tài)，無需機(jī)器人做轉(zhuǎn)換。標(biāo)定時(shí)需要將標(biāo)定物(圓錐)安裝在機(jī)器人手臂上，將機(jī)器人TCP點(diǎn)標(biāo)定至圓錐尖上。
標(biāo)定的方法步驟：將圓錐標(biāo)定物移至相機(jī)視野中;相機(jī)掃描圓錐;在軟件中(AlignmentGUI)輸入圓錐尖在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo);在VOI中不同高度不同位置重復(fù)以上步驟;軟件自動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系文件并加載至PLB Studio中。
PLB系統(tǒng)使用
PLB系統(tǒng)在定位時(shí)，會首先搜尋匹配容器(Bin)的位置，即VOI(Volume of interest)。在經(jīng)過標(biāo)定后，PLB studio會在機(jī)器人基坐標(biāo)系中顯示容器的位置。
PLB系統(tǒng)的編程軟件提供可視化編程，只需將工件的3D模型的CAD文件(.igs、.step)導(dǎo)入至PLB studio，調(diào)整其位置即可，抓取位置能夠可視化調(diào)節(jié)(允許一個(gè)工件使用多個(gè)抓取姿態(tài)與抓取位置)。
分揀的工作流程
首先將零件的三維模型導(dǎo)入PLB studio。人為將機(jī)器人面前的托盤中的工件隨機(jī)散亂放置，PLB-500的3D相機(jī)掃描識別托盤中的工件，與機(jī)器人建立通訊，機(jī)器人一次抓取一個(gè)工件，將工件規(guī)則的擺放在空托盤中;擺放完成后，擋停機(jī)構(gòu)1和擋停機(jī)構(gòu)2收回，輸送機(jī)運(yùn)行;光電開關(guān)4檢測到托盤后，加速段輥筒增加轉(zhuǎn)速，光電開關(guān)3檢測到托盤后，加速段阻擋氣缸3升起，托盤撞到擋停機(jī)構(gòu)導(dǎo)致工件亂序;然后阻擋氣缸3收回，托盤被輸送到擋停機(jī)構(gòu)1位置，此時(shí)空托盤恰好輸送到擋停機(jī)構(gòu)2位置，擋停機(jī)構(gòu)1和擋停機(jī)構(gòu)2升起，PLB-500識別托盤中的工件，然后機(jī)器人依次抓取亂序工件放置在空托盤中，依次進(jìn)行循環(huán)。
結(jié)論
基于KUKA KR30機(jī)器人的分揀場景，集成3D視覺定位、智能安全等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了散亂堆積零件的快速分揀，同時(shí)也為機(jī)器人產(chǎn)品功能安全認(rèn)證和系統(tǒng)功能安全評估及智能傳感器驗(yàn)證服務(wù)提供實(shí)操場景。
