基于機器人的視覺分揀控制系統(tǒng)

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1、基于機器人的視覺分揀控制系統(tǒng) 摘要：工件分揀是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的部分。目的是將不同類型的物料或工件分類擺放到相應(yīng)的位置。本文引人視覺系統(tǒng)對工件進行位置和類型的判斷是必要的。與傳統(tǒng)的機械分揀作業(yè)相比，使用基于機器視覺的工業(yè)機器人進行分揀，不但高效準確而且穩(wěn)定持久,具有較大的優(yōu)勢。本課題研究的是基于機器視覺的機器人分揀系統(tǒng)，并針對整個控制系統(tǒng)方案的設(shè)計、機器人數(shù)學(xué)建模、運動學(xué)分析、對工業(yè)攝像機的標定、圖像處理、運動目標的跟蹤以及機器人分揀策略等關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究分析。首先整個分揀系統(tǒng)進行總體方案設(shè)計。其中包括視覺控制方案，運動控制方案以及所需硬件設(shè)備選型工作；然后對機器人進行數(shù)學(xué)建模和運

2、動學(xué)分析；最后針對機器視覺系統(tǒng)進行詳細理論研究與設(shè)計，同時對視覺系統(tǒng)的標定、目標識別定位、坐標系間轉(zhuǎn)換、重復(fù)目標的剔除以及動態(tài)追蹤等關(guān)鍵技術(shù)進行詳細分析。 關(guān)鍵詞：分揀、設(shè)計、分析、視覺 Robot-based Visual sorting Control system Abstract: Workpiece sorting is an indispensable part of industrial production. The goal is to categorize different types of items or artifacts into the appropria

3、te locations. This paper makes it necessary for the visual system to judge the position and type of the workpiece. Compared with the traditional mechanical sorting operation, the use of industrial robot based on machine vision for sorting, not only efficient and accurate and stable and lasting, has

4、a greater advantage. This research is based on machine vision robot sorting system, and for the whole control system design, Robot mathematical modeling, kinematics analysis, industrial camera calibration, image processing, moving target tracking and robot sorting strategy and other key technologies

5、 to carry out in-depth research and analysis. First of all, the whole sorting system for the overall design. These include the visual control scheme, the motion control scheme and the required hardware equipment selection work, then the robot Mathematical modeling and kinematics analysis, and finall

6、y the machine vision system for detailed theoretical research and design, at the same time, the visual system calibration, target recognition and positioning, conversion between coordinate systems, The key technologies such as elimination of repetitive targets and dynamic tracking are analyzed in d

7、etail. Key words: Sorting, design, analysis, vision 第1章 緒論 3 1.1課題來源 3 1.2 課題研究的目的和意義 3 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀 5 1.3.3 國內(nèi)外市場現(xiàn)狀對比 5 第二章 工件機器人分揀系統(tǒng) 6 2.1 工件機器人分揀系統(tǒng)的構(gòu)成 6 2.2 視覺引導(dǎo)技術(shù)的介紹 7 第三章 系統(tǒng)硬件的選擇及系統(tǒng)硬件電路 7 3.1 系統(tǒng)硬件的選擇 7 3.1.1工業(yè)相機的選擇 7 3.1.2光源的選擇 8 3.1.3 分揀機器人

8、的選擇 9 3.1.4 車輪驅(qū)動方式的選擇 10 3.1.5 機器人抓取物塊方案的選擇 10 3.1.6 顏色識別方案的選擇 11 3.1.7 機器人總結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3.2 系統(tǒng)硬件電路 12 3.2.1 電機驅(qū)動的模塊 12 3.2.2穩(wěn)定電壓電路的模塊 13 第四章 機器人分揀控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 14 4.1 機器人分揀系統(tǒng)的流程 14 4.2 機器人運行范圍 14 機器人分揀控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 15 第五章 機器視覺的工作分揀技術(shù)的未來發(fā)展趨勢 16 5.1 關(guān)于工業(yè)機器人的熱點關(guān)注 16 5.2機器視覺的工作分揀技術(shù)的未來發(fā)展趨勢 16 總結(jié) 18

9、 致謝 18 參考文獻…………………………………………………………………………...19 第1章 緒論 1.1課題來源 工件分揀技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)重要的一個步驟,其目的是將不同類型的物料或工件分類擺放到相對應(yīng)的位置,工業(yè)分揀大多數(shù)的步驟主要分為定位、識別、抓取和放置這四個步驟。由于工人操作存在視覺疲勞的情況，不能夠長時間高強度的工作去分揀。且各工作還是流水線，后來就生產(chǎn)出了工業(yè)機器人。多年前的機器人一般采用示教或離線編程的方式工作。當一個機器人達到該目標點的位置后，機器人的每個動作都將會重復(fù)進行該操作。有因為加工對象與工作環(huán)境對外界的感知能力較低，是的機器人系統(tǒng)

10、在設(shè)計時還必須考慮到分揀環(huán)境是否適合。方便機器人的工作得到有效運行。 隨著機器人越來越多的應(yīng)用到實際生產(chǎn)中,這就對機器人提出了更高的要求。目前使用的機器人主要是程序化的機器人,為了完成某項工作必須先要編寫特定的程序,機器人執(zhí)行編寫好的程序來完成特定的任務(wù),這種方法編寫程序很復(fù)雜、費時,而且針對不同的工作環(huán)境要編寫不同的程序,這極大地阻礙了機器人應(yīng)用的發(fā)展,于是提出了智能化機器人,其中采用基于機器視覺的機器人是工業(yè)機器人向智能化發(fā)展的一個方向。 在工業(yè)生產(chǎn)中引入機器視覺可以大大提高生產(chǎn)效率,降低成本。機器視覺具 有檢測速度快、可靠性好、實時性高等特點川,可以實現(xiàn)無接觸、無損檢測。一個典型的

11、機器視覺包括光源、圖像采集系統(tǒng)即相機、圖像處理模塊、判斷分析決策模塊即分類、機械執(zhí)行模塊等。 1.2 課題研究的目的和意義 機器視覺技術(shù)的相關(guān)研究在中國起步較晚，其專利和成果都不如國外的品牌好，還不夠成熟。國外品牌的制造成本較高，且有一定的局限性，所以我國認識到這一商機，我國便研發(fā)一種機器視覺工作自動分揀技術(shù)來應(yīng)對這一窘境。然而該機器視覺技術(shù)是指用攝像機和計算機來模擬人類的視覺功能，廣泛應(yīng)用在電子電器、航天、汽車零部件和制藥等領(lǐng)域。在整個工業(yè)生產(chǎn)的流程中，工作分揀占重要地位，工業(yè)分揀的快慢也會直接影響整個分揀過程的運行。所以我們需要先測試工業(yè)分揀的各個步驟，找出缺點并加以改正，以此來改善整

12、個工業(yè)分揀的技術(shù)，對工業(yè)方面具有重要的指導(dǎo)意義。據(jù)統(tǒng)計，某一年我們中國國內(nèi)連續(xù)增加了200多個加工業(yè)機器人制造廠商。且業(yè)界內(nèi)對工業(yè)機器人的市場發(fā)展前景很是看好，都覺得未來幾年內(nèi)將會迎來工業(yè)機器人生產(chǎn)的“高潮”。 工業(yè)機器人在設(shè)計的過程中包涵相當多的工序，且復(fù)雜難懂。僅僅是機器人的核心部分就包括四大類：減速器、控制器、機械系統(tǒng)、伺福氣。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我們中國是生產(chǎn)制造大國，因為近年來制造智能手機和汽車制造商的市場現(xiàn)狀需求，使得近幾年工業(yè)機器人市場增長率持續(xù)上升。我國的工業(yè)機器人主體是基于PC 的X86的工業(yè)控制機為主。我國在科技進步，勞動力不足、

13、人口老齡化加快以及經(jīng)濟水平快速增長的背景下，機器人的相關(guān)市場在迅速的發(fā)展中。 根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《“十三五”期間機器人行業(yè)發(fā)展環(huán)境預(yù)測及投資策略分析研究報告》，我們可以看出，2017年，中國機器人行業(yè)整體銷量為13.8萬臺，同比增長58.0%；市場規(guī)模超過1200億元，同比增長25.4%，增速保持第一。機器人主要包括工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、特種機器人三大類，2017年，三種機器人市場份額占比分別為61.0%、28.0%和11.0%，工業(yè)機器人占據(jù)大部分市場份額，不過，隨著消費觀念逐漸普及，服務(wù)機器人市場份額將持續(xù)攀升。數(shù)據(jù)顯示，2018那一年，全球的機器人產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模超過279.8

14、億美元。 根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)全球半年度機器人和無人機支出指南的新預(yù)測，全球機器人系統(tǒng)和無人機的支出將在2019年達到1157億美元，比2018年增長17.6%。我國從機器人系統(tǒng)發(fā)展至今，隨著機器人市場的擴建，2019年將擁有更大的無人機和機器人系統(tǒng)市場，總支出將為385億美元，實現(xiàn)快支出增長，機器人系統(tǒng)和無人機的五年復(fù)合年增長率將分別為24.6%和63.5%。 從機器人市場發(fā)展到現(xiàn)在，機器人技術(shù)在不斷增強，機器人市場在進入快速地增長階段，特種機器人也出現(xiàn)在我們的工業(yè)分揀中，較之前的工業(yè)分揀機器人的技術(shù)更成熟，性能更好，隨之而來的新生市場也在慢慢崛起。 1.3.2 國外研

15、究現(xiàn)狀 根據(jù)中國安放展覽網(wǎng)市場分析的數(shù)據(jù)顯示，2018那一年，全球的機器人產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模超過279.8億美元。同比增長20.6%，值得注意的是2013-2017年，全球機器人市場規(guī)模持續(xù)增長，年均復(fù)合增長率為17.9%。在市場構(gòu)成方面，2018上半年全球工業(yè)機器人市場規(guī)模為156.69億美元，占整體機器人市場規(guī)模的56.0%，服務(wù)機器人市場規(guī)模為86.74億美元，收入占比為31.1%；特種機器人市場規(guī)模為36.37億美元，市場收入占比為13.0% 在全球各地區(qū)工業(yè)機器人銷量情況中，2017年亞洲工業(yè)機器人總銷量達到24.2萬臺，工業(yè)機器人銷量實現(xiàn)爆發(fā)式增長，預(yù)計2020年銷量將

16、有望突破35萬臺；2017年歐洲工業(yè)機器人銷量為6.4萬臺，與2016年的5.9萬臺增長8.9%；美洲地區(qū)工業(yè)機器人銷量為5.0萬臺，同比增長17.1%。 1.3.3 國內(nèi)外市場現(xiàn)狀對比 我國的工業(yè)機器人自主技術(shù)發(fā)展更迅速，但是與國外的發(fā)展大有出入。我國工業(yè)機器人技術(shù)日漸成熟，其核心技術(shù)有減速器、伺服電機、機器人控制器等核心零部件。如今已經(jīng)在慢慢的向未來汽車制造與食品加工結(jié)合，也會帶動我國的下游制造領(lǐng)域的自動化技術(shù)的需求，實現(xiàn)品質(zhì)的提升。 然而德國是工業(yè)發(fā)展大國，其發(fā)展技術(shù)在未來將有無窮的潛力。我國在使用伺服電機時，常常會購買國外品牌的電機，主要是日本和歐洲國家較多。日本品牌的

17、電機較其他國外品牌更具有良好的性能，其價格也很公道，這就是我國經(jīng)常購買日本電服的原因。歐洲品牌如西門子、施耐德等品牌的產(chǎn)品大多在高端市場流通，占我國市場的三分之一。 造成上述差距的主要原因有兩方面：一是工業(yè)機器人減速器產(chǎn)品對軸承以及齒輪的精度要求極高，目前我國數(shù)控機床技術(shù)還處在追趕期，我國與德日等精密制造強國相比在制造工藝與基礎(chǔ)材料方面均存在顯著差距，目前尚難完全滿足工業(yè)機器人減速器產(chǎn)品的精度需求;二是國外企業(yè)經(jīng)過半個多世紀的技術(shù)積累與沉淀，已經(jīng)對制作工藝、核心技術(shù)、核心算法有了深刻的理解，這是國內(nèi)企業(yè)在核心工藝及技術(shù)方面短時間內(nèi)無法迅速實現(xiàn)趕超的重要因素。 第二章 工件機器人分揀系

18、統(tǒng) 2.1 工件機器人分揀系統(tǒng)的構(gòu)成 該機器視覺工件分揀系統(tǒng)分為三個分揀系統(tǒng)。該工業(yè)機器人分揀系統(tǒng)主要由五大單元組成：工件傳輸單元、攝像機平臺單元、視覺分揀單元、機器人RC 控制單元和機械手抓取單元。其中包括工控機、運動控制卡、三軸運動平臺、步進電機、圖像采集卡、氣爪這幾部分組成。其中運動卡的通訊通過以太網(wǎng)和RS232 串口傳輸。工控機為信息處理和運行中心，其他部分都掛在工控機下，系統(tǒng)運行山工控機負貴控制與協(xié)調(diào)。 工件傳輸單元由傳送帶、伺服電機、伺服電機控制器構(gòu)成?？刂破黝A(yù)留ＲＳ－２３２接口與計算機連接，計算機通過ＲＳ－２３２向控制器發(fā)送指令控制傳送帶的起停、運行速度等。

19、攝像機平臺單元主要由攝像機、攝像機支架和光源組成。攝像機的作用是獲取實驗臺上的工作視頻圖像，同時白色光源做輔助、亮度和高度都可以調(diào)節(jié)。我們要選取較高的工業(yè)相機采集圖像質(zhì)量的好壞因為直接影響后期圖像處理的速度與效果。 信息處理控制中心由一臺計算機組成，通過計算機軟件對圖像進行處理，同時協(xié)調(diào)各個部分工作。 機器人RC 控制單元一旦視覺軟件完成圖像監(jiān)控，緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對復(fù)雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。分傳感器，控制器，驅(qū)動器，執(zhí)行機構(gòu)。傳感器感知環(huán)境，反饋

20、環(huán)境信息給控制器；控制器機器人的控制中心，執(zhí)行機器人的運動控制，傳感器信號處理和融合；驅(qū)動器根據(jù)控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。 控制平臺使用較多的位置傳感器。用來測量三軸的極限位。  2.2 視覺引導(dǎo)技術(shù)的介紹 視覺引導(dǎo)技術(shù)是指利用攝像機代替人眼、計算 機代替大腦［1］，通過處理相機獲取的圖像對目標物 體進行測量、檢測和識別，引導(dǎo)工業(yè)機器人完成對其 的抓取、分揀等任務(wù)。傳統(tǒng)的工件分揀方式為人工 分揀，這種方式很大程度受人為因素影響，導(dǎo)致工作 速度慢、分揀不準確以及容易發(fā)生事故等。后來將 示教工業(yè)機器人應(yīng)用于工件分揀［2］，這種方式雖然 能夠利用機器代替人工作，但是由于示教模式的固 定化

21、，導(dǎo)致無法對任意物體進行分揀抓取，而且外界 環(huán)境改變時需對工業(yè)機器人重新示教，否則無法完 成工作。因此，將視覺引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對 增強工業(yè)機器人對外部環(huán)境的適應(yīng)能力與工業(yè)生產(chǎn) 線的魯棒性、提高生產(chǎn)過程的自動化水平與勞動生 產(chǎn)率有十分重要的意義。 第三章 系統(tǒng)硬件的選擇及系統(tǒng)硬件電路 工件機器人分揀系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件有：工業(yè)相機、光源、分揀機器人。 3.1 系統(tǒng)硬件的選擇 3.1.1工業(yè)相機的選擇 在整個在視覺系統(tǒng)當中，圖像采集是整個系統(tǒng)的基石。而圖像采集工作是通過工業(yè)相機來完成。工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)的核心部件，其本質(zhì)功能就是將輸入的光信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，相機的性能直

22、接決定了采集到圖像的質(zhì)量、清晰度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。工業(yè)相機相比普遍相機有著更高的穩(wěn)定性、更強抗干擾能力和超強傳輸功能。 我們在選擇工業(yè)相機時，需要考慮以下幾個步驟：焦距、最大幀率、像素深度、工作距離、感光度。 本課題選取高分辨率數(shù)字攝像機MV-1300UM，參數(shù)如下：分辨率 1280*1024 ，幀速 15FPS，像素尺寸：5.2μm*5.2μm ,視野（FOV）為64mm*48mm，物距為 128.3 mm，畸變<0.07%，光柵分辨率為 0.4μm，精度為5μm，傳感器類型：逐行數(shù)字面陣 CMOS，輸出顏色：黑白，信噪比>45db，動態(tài)范圍：60db，供電要求：5V，功耗<2.25

23、W，外形尺寸 53*54*54。 綜合考慮選用德國ＴｈｅＩｍａｇｉｎｇＳｏｕｒｃｅ公司型號為ＤＦＫ３３Ｇ４４５的工業(yè)相機。該款相機傳輸性能極強。就算將數(shù)據(jù)傳輸擴大到100米以外也能夠很好的吸收數(shù)據(jù)。同時還提供了多項輸入輸出、同步閃頻與外觸發(fā)等選項。能夠滿足不同的視覺觸發(fā)要求 相機的幀率最高可達３０ｆｐｓ，完全滿足本系統(tǒng)中傳輸機構(gòu)的運動速度。鏡頭則選用ＴｈｅＩｍａｇｉｎｇＳｏｕｒｃｅ的Ｈ０５１４－ＭＰ２百萬像素光學(xué)鏡頭 3.1.2光源的選擇 光源在該系統(tǒng)中的功能是將光線投射到等待檢測的物體上，投射完成后對區(qū)分物體的對比度，好的光源能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理

24、的壓力。不合適的光源，會給系統(tǒng)帶來很多麻煩。如工業(yè)相機的過度曝光。 光源系統(tǒng)能夠控制的也就是折射和散射兩種方式，這兩這取決于光源的類型和光源放置的位置。光源的均勻性是機器視覺系統(tǒng)的首要要求，而且光強隨距離和角度會衰竭。其次是光源的光譜，光譜主要是取決于光源類型或鏡頭的濾光片性能。 我們在生活中常用的照明光源有：鹵鎢燈、熒光燈、LED 等。在機器視覺系統(tǒng)中，綜合考慮其光譜特征、效率及費用，一般優(yōu)先選用 LED作為照明光源，其節(jié)能省電的功能被人群廣泛接受并使用。 常用的照明方式有前光源、背光源、環(huán)形光源、點光源、可調(diào)光源等。背光源主要應(yīng)用與被測零件的輪廓檢測，且背光源在照射被測物體時，會形

25、成不透明物體的陰影，使其不能夠觀察到內(nèi)部的待測物體。而前光源通常是放在待測物體上方的光源，又分為高角度和低角度。。在選擇的時候，要考慮到被測物體便面的物體的肌理并選擇相對應(yīng)的光源。再就是環(huán)形光源，環(huán)形光源通常采用led按圓周排列，能夠為待測物體提供大面積的均衡的照明，而且環(huán)形光源的優(yōu)點就是可以直接安裝在鏡頭上。它的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)大面積的照明，對待測物體表面的肌理更是反射很好。 3.1.3 分揀機器人的選擇 工業(yè)機器人是視覺分揀系統(tǒng)的核心組成部分，是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它性能的優(yōu)劣直接決定著分揀系統(tǒng)的分揀速度上限以及系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。工業(yè)機器人有很多種類型，如：焊接機器人、噴涂機

26、器人、切割機器人、搬運機器人、分揀機器人等等。在選擇機器人的時候我們要注意各個機器人用途的不一樣其工作性能也大相徑庭。就好像搬運機器人能承載的物品比較重，負載力很大；而分揀機器人能夠快速準確的抓取待測的運動目標，這就更適合分揀。 除此之外，在選擇時，還需要機器人的最大負載力、最大運動范圍、最快的運動速度、機器人的工作范圍、機器人重復(fù)復(fù)位的精確度。 最大負載力：機器人末端可承受的最大重量。對待測物體的重量的選擇也有限制。 最大運動范圍：指機器人在工作時運行的最大范圍，這關(guān)乎到待測物品的擺放距離 最快的運動速度：指的是機器人運動最快時達到的速度是多少。 重復(fù)復(fù)位的精確度：復(fù)位是指機器

27、人在完成一個動作以后再回到原來的地方。在完成一個動作繼續(xù)完成一樣的動作。重復(fù)復(fù)位的份分揀定位要求小于1mm，而且機器人的重復(fù)復(fù)位的精確度越高越好。 所以經(jīng)過慎重的選擇。我們選擇瑞士的分揀機器人做相關(guān)研究?？紤]到ＡＢＢＩＲＢ３６０和ＦＡＮＵＣＭ－２ｉＡ分揀機器人性能都不錯，所以我們就對他們做了一個簡單的分析。技術(shù)參數(shù)的分析。 3.1.4 車輪驅(qū)動方式的選擇 在該設(shè)計中，考慮到該分揀系統(tǒng)的需求分析，需要對小車運動和轉(zhuǎn)向控制的精度要求非常高，所以在選擇的時候，選擇小車車輪的驅(qū)動電機類型選擇關(guān)乎到整個分揀系統(tǒng)流程的實現(xiàn).在做了一些比較與分析過后，我發(fā)現(xiàn)雖然直流電機驅(qū)動簡單

28、方便，但是其精確度較差，而且再進行工作的時候的系統(tǒng)對小車轉(zhuǎn)向控制非常困難；而正好步進電機能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的輸入脈沖個數(shù)從而控制小車轉(zhuǎn)向的角度，該方法比較實用，且正好適用該系統(tǒng)而且控制簡單其成本也較低，只是精度仍然較低；該系統(tǒng)對伺服電機比系統(tǒng)對前兩種電機的控制相當?shù)膹?fù)雜，但可實時地檢測電機的速度，控制精度較高，這就使得我在該設(shè)計中選擇PARALLAX型伺服電機作為小車前車輪的驅(qū)動電機，小車后輪則采用隨動萬向輪起到平衡作用. 3.1.5 機器人抓取物塊方案的選擇 機器人抓取物塊的方法及過程是機器人實現(xiàn)分揀系統(tǒng)的重要步驟。而機器人在抓取時用機器手來實現(xiàn)。而機械手的種類非常多、有

29、電動式、氣 動式、液壓式、機械式等，但是通過對比分析之后發(fā)現(xiàn)，才I用這些常見的機械手去實現(xiàn)智能小車的物料搬運，除了成本高之外，機械手的結(jié)構(gòu)也相對較復(fù)雜，并不太能夠安裝固定和檢測工作過程的實現(xiàn)與運行。根據(jù)選擇的小車結(jié)構(gòu)和物料的形狀，采用一個小小舵機控制的鐵絲鉤來實現(xiàn)類似機械手的作用.小車在物料位置時，單片機發(fā)出信號給小 舵機，將物料鉤住，同時將鐵絲鉤鉤住小車自身的前爪里面，當小車倒退或者轉(zhuǎn)向后，在向前推動物塊的過程中，小舵機將鐵絲鉤抬起，小車繼續(xù)前進直至將物料推到指定位置.小車反復(fù)依次執(zhí)行此動作，即可 完成搬運工作. 3.1.6 顏色識別方案的選擇 機器人要搬運的物料有綠、白、紅、黑、藍五

30、種顏色，因此準確地識別出物料的顏色非常重要.任何 顏色都是由紅、藍、綠三種基色按照不同的比例組成的，那么根據(jù)各個顏色中紅、藍、綠的大小即可分辨 出物料的顏色，設(shè)計中選用TCS230顏色傳感器即可實現(xiàn).TCS230可實現(xiàn)每彩色信道10位以上的分辨率 而無需ADC轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部包括了眾多可硅光電二極管陣列，這些陣列可通過編程進行配置，其中還有一 個電流/頻率轉(zhuǎn)換.TCS230傳感器的光響應(yīng)范圍為250～1，輸出頻率為2 Hz～500 kHz，與光強度成線性關(guān)系，波形為占空50%的方波.用戶可通過程序來選擇頻率輸出比例.TCS230的輸出輸入引腳可與單白色紅色 黑色藍色綠色ABCDEF G片機或其他邏

31、輯電路直接連接，通過編程控制引腳的輸入信號來調(diào)節(jié)濾波器的顏色，只輸出特定的原色，測出待測物體中紅、藍、綠成分 3.1.7 機器人總結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計中小車的電源模塊直接采用購買小車車體時配備的 歐鵬科技電池，其為兩節(jié)液體鋰離子電池，內(nèi)置保護電路，容 量為3 000 mA時，標準電壓為3.7 V，因為鋰電池無記憶效應(yīng)， 電能轉(zhuǎn)化效率高且相對穩(wěn)定.系統(tǒng)主控芯片選擇STM32F103 單片機，外圍配以電機驅(qū)動模塊、灰度傳感器模塊(識別路面)、 顏色識別模塊等完成對物料的夾持和放置.搬運機器人總體 結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示. 3.2 系統(tǒng)硬件電路 3.2.1 電機驅(qū)動的模塊 據(jù)調(diào)研可得，歐

32、鵬科技該企業(yè)發(fā)明的為機器人優(yōu)化的L298專用芯片可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動角度的快慢控制，也可以實現(xiàn)以下的驅(qū)動模塊的需求。機器人前輪的驅(qū)動用伺服電機的方法實現(xiàn)。同時需要要求利用脈沖寬度調(diào)節(jié)波(pulse width modulation， PWM) 來控制輸入信號的極性，從而實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)換形式。還可以控制輸出電壓的有效值的大小形式。該企業(yè)的芯片使用時的成效顯著，且工作很穩(wěn)定。硬件也比較簡單。 該企業(yè)的L298專用芯片的實現(xiàn)方法為：將P4.4口分別連接L298N的IN1和IN2的引腳，可以控制一路電機(左電機)的正反轉(zhuǎn)； I/O口的P4.3、 P4.2分別連接L298N的IN3、 IN4的引腳

33、，控制 另一路電機(右電機)正反轉(zhuǎn)； P4.1、 P4.0分別連接電機的使能端ENA、 ENB，控制電機的停轉(zhuǎn).L298N電 機驅(qū)動芯片可以同時驅(qū)動兩個電機，其內(nèi)部集成了4通道邏輯驅(qū)動電路.L298N輸出電流峰值可達2.5 A. 第1腳和第15腳接地，具體連接的方法如圖4所示. 3.2.2穩(wěn)定電壓電路的模塊 根據(jù)根據(jù)驅(qū)動電機、單片機、灰度傳感器、物料顏色傳感器等各個模塊的要求，需要設(shè)計提供7.4 V和 5 V 兩個檔位的電壓， 7.4 V電壓是由鋰電池直接給驅(qū)動電機供電，但是5 V的電壓需要通過穩(wěn)壓電路進 行降壓輸出獲得，其原理如圖4所示，該電路選用的核心芯片是LM2576

34、，其功耗很低，平均工作效率可 達70%～90%，可以有效地解決因發(fā)熱帶來的元器件損壞和能量損失的問題. 第四章 機器人分揀控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 4.1 機器人分揀系統(tǒng)的流程 在工廠流水線生產(chǎn)的過程中，首先具備工業(yè)相機，然后再進行圖像采集，接著系統(tǒng)建立坐標系，最后是機器人根據(jù)系統(tǒng)提供的指令進行抓取操作，將物料放在正確的位置。 其具體操作流程的細節(jié)如下： ① 將工業(yè)相機放置在首先設(shè)定好的位置上，通過傳送帶進入相對應(yīng)的工作區(qū)域?qū)ぷ鲄^(qū)域內(nèi)的物料和待測物體進行圖像采集，然后由計算機對圖像進行分析處理優(yōu)化。 ② 然后系統(tǒng)自動傳遞并識別物料和待測物體的具體位置，由計算機自己

35、對目標物料建立相對應(yīng)的坐標系，系統(tǒng)根據(jù)提供的坐標系識別該坐標系和機器人坐標系之間存在的關(guān)系，進一步領(lǐng)導(dǎo)工業(yè)機器人進行準確的分揀和抓取相關(guān)的操作。 ③ 最后就是工業(yè)機器人確定目標物料的具體位置將正確的目標物料放置到相對應(yīng)的槽中，這就實現(xiàn)了整個工業(yè)機器人分揀系統(tǒng)的整個運行的操作過程。 4.2 機器人運行范圍 設(shè)計中要求智能機器人在規(guī)定的場地內(nèi)移動，規(guī)定場地如圖1 所示，其中圓的直徑為320 mm，線寬20 mm.要求搬運5個不同顏 色的物料，物塊初始位置擺放時，首先隨機抽取不同顏色的3個物 塊，分別放在圖1所示的內(nèi)圓與搬運輔助線的交點A、 C、 E上，字母 標志按照順序依次標記為A、 B、

36、 C、 D、 E；然后將剩下的2個物塊放 在外圓的圓線上，即如圖1中的F、 G位置，最后依次將搬運物料按 照A、 B、 C、 D、 E的順序放入物料位置區(qū).目標區(qū)是一個類似于靶位 的區(qū)域，環(huán)位分值線為灰度50%、線寬2 mm的細線，從內(nèi)而外分別 為10環(huán)至1環(huán)共10個分數(shù)值.圓的顏色標注從左到右依次填充為 綠色、白色、紅色、黑色、藍色；場地中的黑色線均可作為循跡輔助 線，其線寬為20 mm.機器人在分揀搬運過程中也可以不采用循跡方式。 4.3機器人分揀控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 其中相機的作用是：相機標定。幫助該系統(tǒng)采集待測物的物料圖像和拍攝工業(yè)機器人的坐標系，然后對物料圖像的坐標系和工業(yè)

37、機器人的坐標系進行比對，比較兩個坐標系之間的關(guān)系，方便機器人抓取物料進行分揀操作，并放置到對應(yīng)的位置。接著就是對物料進行圖像分析優(yōu)化處理，從圖像中提取特別的物料特征，也可以是系統(tǒng)首先設(shè)定好的識別東西，從而根據(jù)特征確定相關(guān)物料和工件的中心坐標。 最后工業(yè)機器人的接收到訊號以后的工作方式是：其實就是系統(tǒng)對工業(yè)機器人的控制工作。系統(tǒng)需要在工業(yè)機器人和計算機之間建立一個通常的信號通道，借助計算機設(shè)定的程序去控制機器人的運行路線。工業(yè)機器人整個控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程是在工業(yè)機器人抓取要分揀的物料時確定物體放置槽的位置，接著系統(tǒng)記錄每個工件的空間坐標對應(yīng)的全局的總變量化。用計算機的VC++6.0 系統(tǒng)作為軟

38、件編程語言，編寫機器人控制程序軟件，進而控制工業(yè)機器人進行分揀操作. 第五章 機器視覺的工作分揀技術(shù)的未來發(fā)展趨勢 5.1 關(guān)于工業(yè)機器人的熱點關(guān)注 前不久，京東首次公開位于上海嘉定區(qū)的亞洲一號無人倉。占地 40000 平方米的無人倉，主要由倉儲和分揀兩部分組 成，整個流程中到處都是機器人和機械臂的身影。在無人倉的大型分揀區(qū)，300 個“小紅人” 映入眼簾，它們井然有序地 進行取貨、掃碼、運輸、投貨。依靠視覺識別和智能導(dǎo)航技術(shù)，“小紅人”能以最優(yōu)線路完成商品的揀選。據(jù)現(xiàn)場人員介紹， 這些機器人的運動速度為每秒 3 米，在電量低于 30% 后還能自行前往充電處充電。據(jù)倉庫管

39、理人員介紹，倉內(nèi)機器人包括 AGV（物流行業(yè)的自動分揀運輸機）叉車，六軸機器人，以及自動供包機器人等十幾種不同工種。 如此智能化的工作方式令人驚嘆，而京東能有今天的成就絕不是一蹴而就的，它與我國工業(yè)機器人的總體發(fā)展一樣， 經(jīng)歷了由小到大、由弱變強的發(fā)展過程，而且發(fā)展的勢頭還遠沒有結(jié)束。隨著智能科技時代的來臨 , 工廠智能化已成為不 可逆的發(fā)展趨勢。 在廣東廣州，廣汽乘用車生產(chǎn)車間生產(chǎn)線，一排機器手臂組裝出汽車的不同部位，每隔幾秒鐘，一臺汽車便完成一個組 裝環(huán)節(jié)；在北京亦莊，北京跨境電商智能一號機器人庫，庫內(nèi)物流機器人自主作業(yè)，將商品運往不同區(qū)域，實現(xiàn)從收貨、分揀， 到查驗、派送全流程的智能化

40、操作……“全球每 10 個工業(yè)機器人中，就有 3 個在中國使用?！眹H機器人聯(lián)合會工業(yè)機器人供應(yīng)商主席安德烈亞斯保爾這 樣描述中國工業(yè)機器人市場。 5.2機器視覺的工作分揀技術(shù)的未來發(fā)展趨勢 羅俊杰曾公開表示，我國機器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā) 展態(tài)勢，但不少機器人企業(yè)小、散、弱，處在中低端； 減速器、控制器、伺服電機等一些關(guān)鍵零部件創(chuàng)新 能力薄弱，低水平重復(fù)性建設(shè)存隱憂，亟待集中力 量解決。 這一瓶頸在市場中表現(xiàn)得更為突出。工業(yè)機器 人領(lǐng)域的部分企業(yè)坦言，盡管我們已連續(xù)多年成為全 差異化的市場競爭既是挑戰(zhàn)，同時也為我國機器 人企業(yè)提供了發(fā)展契機。從技術(shù)上看，硬件的發(fā)展已 有幾十年歷史；軟

41、件方面，我國擁有數(shù)量龐大的 IT 從 業(yè)人口。 深圳長盈精密技術(shù)股份有限公司總經(jīng)理陳苗圃球最大的機器人銷售市場，但不可否認的是，國外品牌的“工 業(yè)機器人四大家族”占據(jù)了我國工業(yè)機器人市場 60% 以上的份額。使得我國在面對此類問題的時候，需要警惕水平的重復(fù)建設(shè)和繼續(xù)盲目發(fā)展的趨勢。我國仍然有很多的企業(yè)主要依靠各種政府補貼去生存，這種狀況急需要我們國家的科技家們?nèi)ヂ?lián)手改變。 且專家指出，從長遠來看，我國的機器人產(chǎn)業(yè)核心關(guān)鍵的平臺技術(shù)還需要國家占據(jù)主導(dǎo)地位。，為企業(yè)發(fā) 展提供技術(shù)創(chuàng)新支持。但在應(yīng)用方面，可以完全推動 市場化，讓企業(yè)來判斷市場需求，充分利用市場資源 來進行自我調(diào)整。 “我們

42、的市場規(guī)模全球最大，制造業(yè)門類全球最 完整，這就是中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主戰(zhàn)場?！?宋曉剛建議，自主品牌應(yīng)瞄準各個細分行業(yè)，進行新 產(chǎn)品開發(fā)和新技術(shù)研究，圍繞市場需求，走差異化道路， 這也是我國自主品牌的未來競爭之路。 很多業(yè)內(nèi)專家表示，未來機器人將實現(xiàn)由“機器” 向“機器人”的重大轉(zhuǎn)變，新一代機器人將更加智能， 這為我國機器人產(chǎn)業(yè)邁向中高端提供了實現(xiàn)路徑?！斑@ 就像智能手機對傳統(tǒng)手機的超越，工業(yè)機器人換一種 新玩法，我們就有了很好的趕超機會?！睜栔菣C器人 總裁溫中蒙說。 人工智能技術(shù)的發(fā)展，讓“智能 + 機器人”成為行業(yè)新的發(fā)展趨勢，由于新技術(shù)的導(dǎo)入，機器人完全 可以跟人進行合作、協(xié)作、共

43、融。 由于能嫁接視覺、語音等人工智能技術(shù)，協(xié)作機 器人也被認為是目前機器人實現(xiàn)智能化最現(xiàn)實的一條 路徑，在新零售、康復(fù)醫(yī)療、教育等領(lǐng)域有很重要的 應(yīng)用潛力。 “協(xié)作機器人近幾年才起步，國內(nèi)外基本處于同 一水平，這就給我們提供了超車機會?！睖刂忻烧J為， 我國是機器人應(yīng)用的最大市場，能提供足夠多的應(yīng)用 環(huán)境來檢測、提升產(chǎn)品性能，進而將市場優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為 技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。 總結(jié) 雖然近年來我國工業(yè)機器人核心零部件技術(shù)突破顯著，控制器領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)已和國外差距較小，但在伺服電機及加速器領(lǐng)域國內(nèi)外技術(shù)差距仍然顯著。未來我國工業(yè)機器人核心技術(shù)發(fā)展將集中在伺服電機和減速器等方面，涵蓋精密諧波加

44、速器、新型傳動(驅(qū)動)機構(gòu)和新型驅(qū)動材料等重點技術(shù)領(lǐng)域。 工件分揀技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)重要的一個步驟,其目的是將不同類型物料或工件分類擺放到相對應(yīng)的位置, 從機器人市場發(fā)展到現(xiàn)在，機器人技術(shù)在不斷增強，機器人市場在進入快速地增長階段，特種機器人也出現(xiàn)在我們的工業(yè)分揀中，較之前的工業(yè)分揀機器人的技術(shù)更成熟，性能更好，隨之而來的新生市場也在慢慢崛起。從未來趨勢來講，新興領(lǐng)域?qū)r格敏感度更高，國產(chǎn)機器人以高性價比快速進入市場，將促使其更快的進行機器換人。而配套國產(chǎn)機器人本體的上游零部件廠商，尤其是減速器和伺服廠商，有望迅速上量并提升產(chǎn)業(yè)競爭力，使得未來行業(yè)格局有望發(fā)生巨大變化;站在巨人的肩膀上進行模

45、仿研究，通過持續(xù)高研發(fā)投入在核心領(lǐng)域取得突破，以較高的技術(shù)壁壘享受產(chǎn)業(yè)升級紅利，對國外同類產(chǎn)品實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。 　　工業(yè)機器人的積極作用不僅體現(xiàn)在制造業(yè)，也體現(xiàn)在了具體的生活方面。發(fā)展工業(yè)機器人的相關(guān)技術(shù)，能夠解決國內(nèi)市場在發(fā)展中的技術(shù)受限問題，為國內(nèi)市場的擴大提供技術(shù)條件。 致謝 本篇論文從開題到選題到結(jié)束所有的研究工作及論文的撰寫都是在我的導(dǎo)師的辛勤指導(dǎo)下完成的。我懷著惴惴不安的心情進行答辯，內(nèi)心無比的激動不安。向我的老師進行最衷心的感謝。也感謝導(dǎo)師無微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)。我的導(dǎo)師嚴肅的科學(xué)態(tài)度、嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神、精益求精的工作作風(fēng)，對我的以后的人生進行了相當大程度的改

46、變。 業(yè)精于勤荒于嬉，行成于思毀于隨。從小聆聽到大，造就了我現(xiàn)在對勤勞的親切之情有感而發(fā)。因為我在學(xué)識閱歷及理解方面的知識有限。使得論文寫的雜亂無章。撰寫論文也是我一生中要謹記的事情。 游離在離別的邊緣，心中依然會不舍，依然會懷念，依然會心存感激。本次撰寫論文給我的啟示就是，大大培養(yǎng)了我注重理論創(chuàng)新與獨立思考的意志，傳道答疑使命艱，夙興夜寐未知難；暗渡勞苦添白發(fā)，推算神傷減年華。 大學(xué)四年的生活隨著我準寫論文的結(jié)束畫上完美的句號，感謝所有幫助過我的人。最后感謝曾經(jīng)教育和幫助過我的所有老師。衷心感謝為評閱本文章而付出的寶貴時間的各位讀者們。本課題的研究凝聚著多人的智慧和心血，如果這項研宄成

47、果能夠?qū)χ袊脑O(shè)計教育有所裨益的話，首先應(yīng)當歸功于那些在課題研宄過程中給予過大力支持和幫助的我的老師、領(lǐng)導(dǎo)、同事、教育界的同仁們和設(shè)計界的朋友們。 參考文獻 [1] 栗俊艷，米月琴，弓靖，劉鵬飛 . 一種基于機器視覺的工業(yè) 機器人分揀系統(tǒng) [J]. 電子科技，2016，29（1）：105-107， 110. [2] 李湘?zhèn)?，吳翩卉，王銳鵬 . 基于機器視覺識別的小型機器人分揀 搬運系統(tǒng)的研制 [J]. 機床與液壓，2015，43（10）：161-164. [3] 卓書芳 . 基于機器視覺的工業(yè)機器人分揀技術(shù)應(yīng)用研究與系統(tǒng) 開發(fā) [J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報，201

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