储琴

（常州工程职业技术学院，江苏常州，213164）

0 引言

机器视觉技术是指使用摄像机和计算机来模拟人类视觉功能，并且广泛用于航空航天、汽车零件、电子、制药等领域。在我国，机器视觉技术的研究起步较晚，不够成熟，其专利和成果不及国外品牌。工作分拣在整个工业生产过程中占有重要地位，工业分拣的速度将直接影响整个分类过程的运作。因此，我们需要先对工业分类的各个步骤进行测试，找出不足之处并加以纠正，以提高整个工业分拣技术，这对分拣行业具有重要的指导意义。据调查，在过去的一年中，中国连续增加了200多家加工工业机器人制造商。并且，业界非常看重工业机器人的市场发展前景，他们一致认为工业机器人生产的“高潮”将在未来几年出现。

1 工件机器人分拣系统的系统硬件

机器视觉工件分类系统分为三个，而工业机器人分拣系统主要分为五个主要单元：工件传送单元、相机平台单元、视觉分类单元、机器人RC控制单元以及机械手抓取单元。包括步进电机、图像采集卡、气爪、工控机、运动控制卡、三轴运动平台这些部分。运动卡的通信通过以太网和RS232串口实现。工控机是信息处理和操作中心，负贵控制与协调，其他部分挂在工控机下。框架图如图1所示。

图1 分拣机器人总体框架图

■1.1 工业相机的选择

图像采集是整个视觉系统的基石，它主要是通过工业摄像机完成的。作为机器视觉系统的核心组件，工业相机的基本功能是将输入的光信号转换输出为电信号。所拍摄图像的质量、清晰度、系统稳定性都由相机的性能直接决定。与普通相机相比，工业相机具有超强的传输功能、更高的稳定性和更强的抗干扰能力。本系统选择高分辨率数码相机MV-1300UM，其参数为：传感器类型：逐行数字面阵CMOS，输出颜色：黑白，信噪比＞ 45db，动态范围：60db，电源要求：5V，功耗＜2.25W，尺寸53×54×54，分辨率1280×1024，帧频15FPS，像素大小：5.2μm×5.2μm，视野（FOV）为64mm×48mm，物距是128.3mm，畸变＜0.07%，光栅分辨率是0.4μm，精度是±5μm。

■1.2 光源的选择

系统中光源的功能是将光投射到被检测对象上，并在完成投射后区分对象的对比度。好的光源可以提高整个系统的分辨率，并降低后续图像处理的压力；而性能较差的光源则会降低系统的工作效率，例如工业相机过度曝光会导致图像不清晰。本系统选取的是采用led按圆周排列的灯光，它能够为被测物体提供大面积平衡照明的环形光源，其优点是可以直接安装在镜头并实现大面积的照明，能够较好的反射被测物体表面的纹理。

■1.3 分拣机器人的选择

视觉分类系统的核心组成部分是工业机器人。分拣系统的分拣速度上限、系统准确性、稳定性和可靠性都由工业机器人的性能决定，其类型包括：切割机器人、搬运机器人、焊接机器人、喷涂机器人、分拣机器人等。由于每个机器人的用途不同，因此在选择机器人时需要注意其工作性能的差异。例如，分拣机器人可以快速、准确地掌握要测量的移动目标，更适合分拣；搬运机器人的承载能力较大，可以负载很重的物品。经过筛选，我们采用ABB IRB360工业机器人。

■1.4 车轮驱动方式的选择

对分拣系统进行需求分析，在设计中应该提高小车运动及转向控制的精度。因此，当为小车车轮选择驱动马达的类型时，经过一系列的对比分析发现，尽管直流电动机驱动简单方便，但精度较差，而且在工作时难以精确控制小车的转向；相比之下，根据系统设定好的输入脉冲，步进电机能够控制小车转向的角度，该方法不仅实用易控制，同时与该系统匹配程度较高，且成本也较低，只是精度要求仍然不够。该系统对伺服电机的控制相比较前两种电机而言更加复杂，但能够实时检测电机速度，也可以达到控制精度的要求。因此，选择PARALLAX型伺服电动机作为机器人前轮的驱动电动机，并且机器人的后轮采用随动的万向轮驱动，以达到平衡效果。

■1.5 颜色识别方案的选择

机器人要处理的材料具有绿色、白色、红色、黑色和蓝色五种颜色。因此，准确识别材料的颜色非常重要。任何颜色都由红色，蓝色和绿色三种原色按不同比例组成，因此可以根据每种颜色中红色，蓝色和绿色的比例来区分材料的颜色。在设计中，通过选择TCS230颜色传感器来实现。TCS230可以在不进行ADC转换的情况下，实现每个颜色通道超过10位的分辨率，并且它还包含硅光电二极管阵列（可通过编程进行配置）和电流/频率转换。TCS230传感器的光响应范围是250～1，输出频率为2 Hz～500 kHz，与光强度呈线性关系，波形为占空50%的方波。通过程序，用户可以选择频率输出比。TCS230的输出输入引脚可以直接连接到单个白色、红色、黑色、蓝色和绿色ABCDEFG片机或其他逻辑电路。能够输出特定的原色，测量被测物体所含红色、蓝色和绿色的成分比例，通过对引脚输入信号的控制进行编程，来调整滤镜的颜色。

2 机器人分拣控制系统的实现

■2.1 机器人运行范围

在设计中，需要智能机器人在指定区域中移动。指定的字段如图2所示，机器人运行范围：圆的直径为320mm，线宽为20 mm。需要运输5种不同颜色的材料。首先，需要在图块放置的初始位置随机选择3个不同颜色的图块，并将图块放在图2所示的内圆和辅助线的交点A，C和E上，然后将它们依次标记为A、B、C、D、E；其次将剩余的2个图块放在图2所示的外圆线F和G上，最后将输送的物料按A，B，C，D，E的顺序放入物料位置。环位分数线有50%灰度和2 mm线宽的细线，从内部到外部有10个分数值，分别对应10环到1环。颜色标签从左到右分别用绿色、白色、红色、黑色、蓝色对圆进行填充；现场线宽为20 mm的黑线可用作跟踪辅助线。此外，该机器人不使用跟踪方法时依旧能够进行分拣和运输。

图2 机器人运行范围示意图

■2.2 机器人分拣控制系统的实现

（1）相机标定

分拣技术的首要工作便是相机标定，同时也是机器视觉的基本组成部分。如果缺少摄像机校准，则无法实现机器人的机器视觉。在机器人分拣技术中，相机标定的功能是建立物体图像的坐标系，并根据空间位置坐标系将其连接起来，以建立两者之间的对应关系。在相机标定的作用下，机器人分拣系统能够准确判断物体所在坐标系的位置，为抓取工作做好前期工作。

（2）目标识别

目标识别是根据需要捕获图像中项目的特征，即目标提取或图像分割。在基本定位中，提取土图像中的目标特征或者某些特征。目标提取方法有多种形式，例如边缘检测、区域提取和阈值分割。目标提取完毕后进行目标分割，并对项目特征进行分类和统计。

（3）目标分拣

对于运动目标的跟踪和记录，可以使用多目标跟踪方法。对提取的图像序列进行逐帧分析。在图像的每一帧中检测运动目标，并判断图像的每一帧中需要识别的像素类型，然后建立目标链。在判断物品的过程中，利用物体和机器人独立坐标系建立相互联系，在分类工作中完成物品位置的相应工作。

（4）操作原理

在接收到信号后，工业机器人的工作方式实际上是进行系统控制。首先，系统要在工业机器人和计算机之间建立公共信号通道，然后在计算机设定程序的帮助下控制机器人的运行路线。工业机器人整个系统的控制过程为：一，由工业机器人抓取待分类的物料，并将其放在系统确定的对象放置槽里；二，系统记录对应于每个工件的空间坐标的全局总变量；三、使用软件编程语言（这里选择计算机的VC ++ 6.0系统）来编写机器人控制程序软件，然后控制工业机器人进行分拣操作。

在分拣机器人的控制系统中使用了许多接近传感器，其通过接口电路连接到单片机引脚。在操作过程中，通过读取这些传感器检测到的信息，就能查看到分拣机器人的工作状态。这些接近传感器只有两种模式：未触发时的高电平模式和触发时的低电平模式，因此，我们只需要读取相应引脚的电平。分拣机器人的控制程序流程如图3所示。具体来说，为了确保其正常运行，在分拣机器人启动后，首先会进行网络连接状态、机械臂复位和转盘复位等方面的自我检查。在确保自检正确后，机器人将从起点开始，到达识别区域后启动机器视觉模块来识别物件。成功识别快递物品后，机械手将其放入转盘，然后分拣机器人将对象运输到倾卸区，最后返回识别区。直到目标对象分拣完成后，该循环才会停止运行。

图3 分拣机器人控制程序流程图

3 结语

由于经济的飞速发展，在我国越来越多的行业开始运用机器人进行生产，例如：农业、工业、食品加工业、汽车业等。各个行业也都开发出了一套针对工作需要的特定的机器人技术。在生产生活中，机器人发挥了巨大的作用，在相当程度上增加了该行业的生产效率，从而推动了社会经济的发展。从另一个角度来说，机器人分拣技术的研究也推动了机器人研究工作的进步，促进了机器人研究事业的发展。