凌双明

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

汇博机器人视觉系统在工件分拣中的应用

凌双明

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

针对使用示教或离线编程方式工作的工业机器人程序固化，不能随环境改变自动调整分拣对象和过程，造成生产效率低、成本高的问题，提出了一种基于机器视觉的工业机器人分拣系统，该系统利用汇博工业机器人和智能相机与S7-1200 PLC通讯后对准抓取点并调整工件放置参数从而完成对工件的分拣和归类摆放。实验结果表明，该控制系统的软硬件设计能实现准确分拣工件且分拣成功率高，且易于实施。

机器视觉；S7-1200；准确分拣

随着工业4.0在我国的快速推进，依靠人工对工件进行分拣的作业模式正逐步由高效低成本的工业机器人系统替代。而目前普遍使用示教或离线编程的方式工作的工业机器人程序固化，如果工作在不同的环境中则必须要重新编写特定的程序才能完成分拣任务，这对工业生产效率的提高和成本的较低带来了及其不利的影响。而使用机器视觉的分拣技术则不但能解决程序固化的工业机器人问题，还能提高工业生产效率，较低生产成本[1]。在机器人分拣系统里，根据工件结构、尺寸等特工件分拣是工业生产环节重要的组成部分，其目的是将不同类型的物料或工件分类摆放到相应的位置，其步骤主要分为定位、识别、抓取和放置 4 个阶段。使用相机作为视觉系统的机器人能够根据分拣环境的需要，自动调整作业对象和每个阶段的运动坐标。本文主要研究基于智能相机的视觉系统帮助六自由度工业机器人判断工件的位置和类型，将对于其他机器视觉的工业机器人分拣系统，使用智能相机不但高效准确而且成本低廉，操作简单，具有较大的优势。

1 汇博机器人工件分拣实验系统

实验系统构成由汇博6关节机器人单元、智能视觉统检测识别单元、工件流水线单元以及主控系统单元组成。实验系统组成如图1所示。该分拣实验系统可分为硬件和软件两大部分，硬件主要由机器人、PC机、相机、托盘和工件等组成。其中相机和机器人之间通过以太网连接，系统软件由自主开发的机器人控制程序、图像处理程序组成。机器人分拣实验系统的工作原理和工作过程为:智能视觉系统安装于工件流水线中（视觉检测识别系统由智能相机、光源控制器、光源、镜头等硬件组成，光源采用背光方式），当工件运转到视觉检测、分拣工位时，视觉系统对工件流水线上的工件进行形状和种类识别，并把检测和识别的结果（工件的形状和位置）传输到主控系统和6轴关节机器人，由6轴工业机器人任务执行相应的动作。

图1 视觉分拣实验系统构成

2 汇博机器人分拣实验系统硬件结构

工业机器人分拣实验系统硬件部分主要有托盘流水线单元、视觉系统单元、主控制器单元和汇博机器人单元等4部分组成，其中视觉处理算法、视觉处理与机器人控制之间的通信接口、机器人控制程序是软件系统的主要功能模块。HBRCPS-C10 设备使用SV4-30ML 型智能相机作为视觉识别系统，PLC 使用西门子公司的 S7 1200系列，CPU 为1215C DC/DC/DC。智能相机与 PLC之间采用 Modbus/TCP 协议通信，其中智能相机是服务器端，PLC 是客户端，即 PLC 主动读取智能相机的数据。托盘流水线共设6个托盘工位，小车装卸货物处为后端，另一端为前端，从前端起分别定义为1-6号工位，在1 2 4 6工位处设有托盘有无检测传感器，在2 4工位处设有止停气缸。硬件设计如图2 所示。

图2 视觉分拣系统硬件设计

3 软件系统结构及其主要功能

机器人分拣工作流程如图3所示：首先由托盘流水线负责把货品托盘输送到视觉检测工位，经视觉定位识别输送到抓取工位，由机械手将托盘中的货品，通过真空吸盘吸放到相应盒中。当货品托盘中的货物全部取空时，由机械手通过另一套真空吸盘将托盘吸放到空托盘存放处。具体执行时，当4号位检测开关检测到有托盘时，停止动气缸伸出，将待检测托盘停住。由视觉识别探头对托盘中的货物进行辨识，并将辨识的特征数据（坐标，形状等）通过通讯网络传送到机器人控制器中，识别完成后止动气缸缩回。托盘流向3号工位并在2-3工位间排队，当1号工位有托盘且2号工位开关检测到有托盘时，2号工位止停气缸伸出，将托盘停住等候，等待1号工位中的托盘被取走后进入1号工位。1号工位为机器人抓取工位，在4号工位识别是数据，此时被调出使用，由机械手根据识别的数据以及所需完成的装盒的目标数据进行比对，将合适的货品装到合适的盒中。货品卸完后，机械手将空的货品托盘移载到空托盘存放处，空托盘存放处设有满位检测传感器，正常情况下，应通过计数对空托盘数量进行管理，当发生差错或异常时，满位检测传感器接通，防止托盘堆放产生跌落。当空托盘达到规定数量时，发出声光报警，提示移走空托盘。

3.1 视觉处理单元

视觉处理单元相机的智能一体相机通过内含的CCD/CMOS 传感器采集高质量现场图像，内嵌数字图像处理（DSP）芯片，能脱离PC 机对图像进行运算处理，PLC 在接收到相机的图像处理结果后，进行动作输出[2]。相机有两个接口，分别为RJ45 网口与DB15 串口，连接时，用交叉网线连接相机与电脑，用SW-IO 串口线连接相机与电源控制器。在本实验系统中，光源采用背光方式（光源在工件下面），托盘传到工件位且符合拍照条件时，给光源控制器输入端一个触发信号，此时，相机拍照，拍照完成后，光源控制器给出一个输出信号，系统执行下一步操作。照片包含每种形状物体的个数、每个物体的位置坐标以及角度，这些信息可以通过 X-Sight Studio中的“窗口”→“Modbus 配置”给它们配置相应的 Modbus 地址，以便 PLC 读取。对不同形状物体的识别需要用到 X-Sight Studio 软件中的视觉工具，选用定位工具中的图案定位，将每种形状的物体分配一个图案定位，每个图案定位工具都自带有一个学习框，将框框中要识别的物体，然后点击“学习”选项，完成后相机就具有了识别框中物体的能力[3]，因此，有多少种形状的物体，就要建立多少种图案定位工具 。图案定位工具同时还具备了角度识别功能，识别范围为-180°—180°，因为角度识别需要处理的数据量较大，因此要将相机改为受控模式，在受控模式下，图像的处理将由和相机连接的计算机处理，很大程度上缩短了相机的扫描周期。同一种形状物体的最多个数，在“目标搜索的最大个数”中进行设置[4]。

3.2 视觉处理与机器人控制间通信接口

为了使 S7-1200 PLC 能与SV4-30ML 型智能相机正常通信，必须使PLC 的 IP 地址与智能相机的 IP 地址一致。Modbus/TCP 是一种标准通信协议，其通信规范已经固化到智能相机底层，因此只需在智能相机的上位机软件 X-Sight STUDIO中做相应的配置即可。智能相机与 PLC 通信流程如图4所示。

图3 机器人工件分拣流程

图4 智能相机与 PLC 通信流程

图5 相机主功能块及介绍

3.3 视觉控制程序软件实现

机器人视觉的主控制程序使用博图软件编写，将全部变量定义后放在FB块中，完成子程序编写并将主程序放在FC块中。首先定义四组全局变量[5]。

gsCameraData : ARRAY[1..5,1..3] OF Camera_Data;//相机数据数组[托盘号,物体编号]

giCameraZ : ARRAY[1..9] OF INT;//每种物体的高度设定值（一位定点小数）

giCameraBoxNo: INT;// 当前排队托盘号（数值范围1-5）

其中 Camera_Data 结构类型如下：

TYPE Camera_Data :

STRUCT

TargetType:INT;//类型

Xcoordinates:INT;//X 坐标

Ycoordinates:INT;//Y 坐标

Zcoordinates:INT;//Z 坐标

Angel:INT;//角度

END_STRUCT

END_TYPE

Camera-Main功能块（图5）通过 Execute管脚触发正常执行一次，则将相机数据根据giCameraBoxNo变量内的值放入 gsCameraData 数组中的指定位置，并对 giCameraBoxNo 变量进行加一操作。通过 DataPop 管脚触发正常执行一次，则将 gsCameraData 数组中数据向前移动一个位置，并对 giCameraBoxNo 变量进行减一操作。

4 测试验证

经过软硬件调试，本实验系统完成了“识别工件—抓取工件—放置工件”的过程，取得了预期效果，“识别工件—抓取工件—放置工件”的实验过程为：在流水线上的托盘中随意放置正方形、圆形、星行的工件各10 个，分拣作业要求将形状不同的工件分别放置在不同的盒子中，启动机器人分拣系统后，通过示教操作，使工业机器人分别沿X 轴、Y 轴运动，调整工件盒生产线的空间位置，使工件生产线与工业机器人相对位置正确；在托盘中放置一种工件，置于托盘生产线1 号工位，在工件盒生产线的中间位置放置一个工件盒，利用示教器进行工业机器人示教操作，将托盘中的工件分别放置在工件盒指定的四个小格中。通过示教记录该工件的位置信息，将空托盘放置在托盘收集处；示教结束后更换托盘及工件盒，工业机器人程序再现时，应能沿以上示教轨迹重复3种工件的抓取及空托盘收集动作。实验结果表明，该分拣系统识别并分拣工件的正确率达到约100%。

[1] 郭联金.浅谈机器视觉技术在自动化制造业中的应用[J]. 山东工业技术, 2016(11):235-235.

[2] 宋屹峰,王洪光,李贞辉. 基于视觉方法的输电线断股检测与机器人行为规划[J].机器人,2015, (2):204-210.

[3]贾丙西,刘山, 张凯祥, 等. 机器人视觉伺服研究进展:视觉系统与控制策略[J].自动化学报,2015,41(5):861-873.

[4] 邹杨,石红瑞. 基于Lab VIEW 的Tripod 机器人视觉处理和定位[J]. 机电工程,2016, 33(4):448-452.

[5]刘金国,高宏伟. 智能机器人系统建模与仿真[M]. 北京:科学出版社,2014.

［编校：杨 琴］

Application of of Huibo Industrial Robots’ Vision System in the Sorting of the Workpieces

LING Shuang-ming
(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

An industrial robot has a curing program due to the use of teaching or off-line programming,and so it cannot automatically adjust the sorting objects and processes with the environment changes, which results in low production efficiency and high cost. Thus the author proposes a sorting system of an industrial robot based on machine vision, in which Huibo industrial robots and intelligent camera and S7-1200 PLC communication are used to align the grasping points and to adjust the placement parameters of the workpieces to complete the sorting and classification of the workpieces. The experimental results show that the hardware and software design of the control system can realize the accurate, effective and easy sorting of the workpieces.

machine vision; S7-1200; accurate sorting

TP391.41

A

1671-9654(2017)03-0096-04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.03.017

2017-06-24

凌双明（1983－ ），女，湖南长沙人，实验师，工程硕士，研究方向为PLC、机电一体化技术。

本文为2016年湖南省教育厅科研课题“HR20-1700-C10机器人视觉系统在工件分拣中的应用研究”（编号：16C0012）阶段性研究成果。