基于视觉引导的陶瓷瓶口定位机器人设计

2016-07-22 10:50唐燕妮河源职业技术学院广东河源517000

电子测试 2016年11期

唐燕妮（河源职业技术学院，广东河源，517000）

基于视觉引导的陶瓷瓶口定位机器人设计

唐燕妮
（河源职业技术学院，广东河源，517000）

摘要：为了将视觉系统送入器皿瓷内部采集内表面图像，设计了一种门式三自由度直角坐标的陶瓷瓶口定位机器人。介绍了机器人的功能体系和硬件构成，研究了基于视觉原理引导机器人定位运动的实现方法：由CMOS相机拍摄瓶口图像，经过处理后拟合出瓶口外环圆，求取圆心坐标。以该坐标为目标位置，引导机器人XY轴作水平运动，将Z轴定位到瓶口中心。实验结果表明，机器人能快速、准确地获取瓶口图像和定位瓶口中心，为机器视觉应用在器皿瓷内表面的缺陷检测奠定了研究基础。

关键词：视觉引导；陶瓷瓶口；内表面；机器人定位

0　引言

陈设艺术青瓷器、薄胎瓷器、铜红釉瓷器、青花瓷器、粉彩瓷器等包括多种器皿瓷产品，如瓶、缸、花钵、箭筒、坛、罐等等。器皿瓷外形不规则，其特点是上部的口或颈尺寸小、中下部的肩或肚尺寸大（如图1所示），导致产品的非显见面人工目视难于抵达，对内部的裂纹、缺釉、釉泡、熔洞、落渣缺陷不能很好的检验。随着机器视觉技术在陶瓷检测领域的逐步应用和日趋成熟，有效的解决办法之一是将视觉系统送入器皿瓷内部采集图像，由计算机进行图像处理和缺陷识别，完成内表面外观质量的判别。

图1　一种器皿瓷产品外形Fig.1 A kind of ceramic ware’s outline drawing

为了引导视觉系统进入器皿瓷内部工作，本文以粉彩瓷花瓶为研究对象，设计了一种应用于陶瓷瓶口定位的三自由度门式直角坐标机器人。工作时，视觉系统采集瓶口图像并求取瓶口中心坐标，引导机器人运动定位至瓶口中心位置，并可做垂直运动将相机送入瓶内拍照，从而提高系统对器皿瓷产品内部进行图像采集的自主判断能力，提升器皿瓷外观质量检验的工作效率。

1　陶瓷瓶口定位机器人的总体结构设计

1.1总体结构

依据机器人的工作任务和陶瓷瓶外形特点，设计的三自由度门式直角坐标机器人整体结构如图2所示，它由一组门式XYZ三轴机械臂滑台、支架、COMS相机模块和PLC伺服运动系统构成。

图2　机器人总体结构Fig.2 The robot’s overall structure

门式XYZ三轴机械臂滑台是机器人的主体机构，组成包括水平移动单元X轴和Y轴，以及垂直移动单元Z轴，可实现XYZ三个自由度的直线运行。水平方向上，由两个伺服电机经各自同步带驱动X轴和Y轴在支架上做直线运动，由机械零点坐标运动至目标坐标。其中，机械零点设置在四边形支架中心点，目标坐标即瓶口中心位置信息由视觉引导程序提供。竖直方向上，由一个伺服电机经滚珠丝杆带动Z轴及其末端的相机模块做垂直直线运动，将相机模块送入瓶内。机器人选择同步带传动方式与滚珠丝杠传动方式相结合，同步带具有传动平稳、结构紧凑、可靠性能好的特点，可保证瓶口中心定位运动的稳定可靠；滚珠丝杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高的特点，可满足相机对不同高度的陶瓷瓶内拍摄图像的精准位置要求。

支架尺寸80×60×100cm，采用框架组合结构，选用铝合金型材和高强度螺栓连接，整体结构简单而坚固，为机械臂运动提供了稳定可靠的工作平台。运行时，陶瓷瓶放置在支架下发中心区域。

1.2视觉系统

陶瓷瓶口图像的采集要求瓶口图像能快速、有效的被获取并送往计算机处理，对视觉系统的硬件要求不高。综合考虑视觉系统的其它要求，如进入外形不规则的陶瓷瓶内采集多帧图像，需要满足瓶内工作空间小、机器人负载轻、相机能自动变焦等应用要求，选用了基于索尼IMX179方案设计的COMS相机模组。该相机具有自动对焦功能和800万有效像素，采用USB2.0与计算机通信，配合M12规格的高拍仪镜头使用，拥有工业级的拍摄速度和图像质量，充分满足了视觉系统选型微型化、智能化的要求。相机模组带有两排LED灯组成的线形光源，尺寸为32×32×23mm，通过固定机构安装在Z轴机械臂的下端。

1.3PLC伺服运动系统

根据机器人的功能要求，设计的电气控制系统主要包括PLC单元、伺服驱动器、伺服电机、传感器、手动按键和蜂鸣器电路等，硬件结构如图3所示。PLC及扩展模块接收和处理传感器采集的开关信号，通过串口与计算机软件实时通讯，接收软件传输出的机器人运动坐标信号，转换为脉冲序列和正反转方向信号给伺服驱动器。驱动器输出电压信号控制伺服电机运转，并接收电机反馈信号，实现机器人位置运动的精准控制。为保证系统的可靠性，电气控制选用三菱FX2N36MR继电器型PLC作为中央控制处理器，驱动器选用交流伺服驱动器GS0020A，电机选用微型交流伺服电机60CB020C。

图3　PLC伺服运动系统结构图Fig.3 The structure chart of PLC servo motor system

2　陶瓷瓶口定位机器人的软件开发

2.1视觉处理与引导

2.1.1获取瓶口图像

当陶瓷瓶处于支架下方中心区域时，系统点亮光源并触发相机向下拍摄一帧瓶口图像。以瓶口图像的垂直平分线为分界线，分左右两侧对非零像素数量进行累加统计，比较和值的大小，可分析出三种典型的位置状态：两侧和值接近，说明瓶口处于中间位置；左侧和值高，说明瓶口位置偏左，其瓶口外环的边缘接近图像左边界；右侧和值高，说明瓶口位置偏右，其瓶口外环的边缘接近图像右边界。不同位置的瓶口图像如图4所示。

图4　不同位置的瓶口图像Fig.4 The vase-mouth image in different positions （a）center；（b）left；（c）right

2.1.2瓶口图像的处理

陶瓷瓶生产现场的粉尘、光照以及机器人机械振动等环境影响，使得相机拍摄到的瓶口图像带有噪声，需先对图像进行预处理，滤除噪声干扰和突出图像特征，方便图像的后续处理。软件首先对瓶口图像进行了5×5模板的中值滤波，然后进行二值化处理，最后利用canny算子求取瓶口边缘。一帧瓶口中心位置偏左的图像处理结果如图5所示。

图5　瓶口图像的处理Fig.5 The vase-mouth image processing （a）median filter；（b）binarization；（c）edge extraction

2.1.3求取瓶口中心坐标

经过处理后得到了陶瓷瓶口的清晰边缘，已知瓶口外环的实际半径，依据RANSAC思想，可由瓶口外环边缘上一组离散的点鲁棒性地拟合出圆心位置。拟合圆算法的实现如下：

（1）依据瓶口位置，确定从左侧或右侧的瓶口边缘开始拟合圆；

（2）从边缘圆弧的点集合里取三个随机点，根据三个点作两条垂直平分线；

（3）以所求得两条直线的交点为圆心，交点到圆弧某一点的距离为半径，获得一个拟合圆；

（4）将拟合圆半径与已知瓶口外圆环半径求差，保留差值小的圆，舍弃差值大的圆；

（5）进行20次迭代计算，选择一个最靠近图像侧边的圆作为瓶口的外环圆，其圆心坐标为瓶口中心坐标。左上角的零点为图像坐标系原点，拟合圆和求取坐标的结果如图6所示。

图6　拟合圆和求取瓶口中心坐标Fig.6 Fitting an outer circle of the vase-mouth and obtaining the center coordinates.

2.1.4输出XY坐标

获得图像上的瓶口中心坐标后，通过线性标定方式对相机进行标定，可以建立图像坐标系与机器人实际坐标系的转换关系。绘制一张机器人二维基础坐标系图片放置在瓶口中心位置，其坐标原点与机器人在XY水平面的机械零点位置一致，通过相机采集该图像。然后借助视觉软件VisionPro的CalibNPointToNPointTool标定工具获得图像上各点的坐标值，与机器人基础坐标值进行一一对应，构建一个线形关系的坐标转换模型，实现了将图像坐标转换为实际坐标输出。该坐标作为目标位置引导机器人的X轴和Y轴机械臂在水平面的定位运动。

2.2机器人定位运动

2.2.1求取XY运动量

机器人开始工作前，要求在水平和垂直方向均处于机械零点位置，需要进行初始化。具体操作为：X轴和Y轴归零，处于机器人水平面实际坐标的原点；Z轴归零并锁死，它在整个瓶口中心定位过程中静止。根据任务要求，机器人由零点出发在整个支架水平面上做直线运动，直到Z轴到达坐标位置，完成陶瓷瓶口中心的定位。机器人X轴、Y轴、Z轴机械臂的运动距离为：

2.2.2PLC程序设计

机器人的运动以PLC为核心控制器，采用点到点位置伺服控制模式。PLC从串口通讯获得目标坐标，通过PLC发出脉冲系列来完成位置伺服控制过程，驱动机械臂完成直线运动。程序设计采用模块化结构，主程序负责初始化和调用子程序，瓶口定位和Z轴进入瓶内运动均在子程序中完成，保证了程序结构的简洁和功能扩展的方便。机器人运行子程序流程如图7所示。

图7　机器人运行子程序流程图Fig.7 The flowchart of robotic operation

3　实验

为了验证机器人系统的有效性和可靠性，基于视觉引导进行了陶瓷瓶口中心的定位实验。选取高度46cm口径34cm的粉彩瓷花瓶为实验对象，花瓶瓶口向上摆放在支架下方中心区域，瓶口中心位置为随机状态。实验时，由计算机软件发出操作指令，相机垂直向下拍摄一帧瓶口图像，软件求取瓶口中心坐标并引导机器人运动，直到Z轴定位到该坐标，机器人反馈运行时间给软件。

由于花瓶位置随机摆放，瓶口中心与机器人机械零点距离不确定，机器人运动时间有长短变化，为了保证运行平稳，通过设置XY轴伺服驱动器的水平速度脉冲，限定一次定位时间小于15s。机器人运行若干次定位实验，经人工校验Z轴与瓶口中心线的直径偏差小于0.1cm，瓶口定位准确率均达100%。此时Z轴与瓶口中心处于同一垂直线，为机器人将相机送入瓶内工作做好了准备。三种典型位置的陶瓷瓶口定位实验结果如表1所示。

4　结论

本文设计了一种基于视觉引导的陶瓷瓶口定位机器人。该机器人为三自由度门式直角坐标结构，搭载了一个COMS相机模组，可拍摄支架下方的陶瓷瓶口图像并送往计算机。计算机软件进行图像预处理和求取边缘，采用比较中垂线两侧非零像素和值大小的方法判断瓶口位置，从左侧或右侧拟合出瓶口外环圆，并求取瓶口圆的中心坐标。该坐标传输给以PLC控制器为核心的伺服驱动系统，引导X轴、Y轴机械臂运动定位到瓶口中心。实验结果表面，该机器人能够快速、准确地定位瓶口中心位置，方便Z轴机械臂将相机送入陶瓷瓶内工作，为机器视觉采集陶瓷瓶内部图像和进行缺陷检测提供了技术基础，具有一定的参考和应用价值。

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Ceramic Ware-mouth Positioning Robot Based on Vision Guide

Tang Yanni
（Heyuan polytechnic College，Heyuan，Guangdong，517000）

Abstract：In order to send a visual device into ceramic ware for capturing inner surface images，a kind of 3-DOF Cartesian-coordinate robot is presented in this paper，which positioning for the vase-mouth-center.The robot’s function system and hardware structure are designed，0the control way of positioning motion based on visual guiding is studied:The vase-mouth image is captured by COMS camera，then processed and fitted an outer circle of the vase-mouth，obtained the center coordinates.The coordinates for the target guides XY axis in horizontal movement，until Z axis positioning the vase-mouth-center.The experiment shows that the robot can rapidly and accurately acquire image and positioning vase-mouth，it lays a good foundation for the application of machine vision in inspecting inner surface defects of ceramic ware.

Keywords：vision guide；vase-mouth；inner surface；robot position

中图分类号：TP242.3

文献标识码：A

作者简介

唐燕妮（1981-），硕士，讲师，研究方向为智能控制及机器视觉技术。