智能分拣的应用和探究

关键词：智能分拣;工业机器人;3D相机

中图分类号：TP311.56;TP391.44     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0075-03

Abstract：Before intelligent cameras were available，irregular objects were positioned by traditional positioning methods or special tools，which could not satisfy the positioning problem of multiple varieties using a single positioning method or a special tool. Based on the principle of triangulation or plane measurement，the point cloud data of workpiece can be scanned quickly by the speed of up to 12 million points per second，and then the 3D model of the object can be obtained by 3D modeling of the point cloud data，and the intelligent analysis of the modeling features can be made to determine the current position of the workpiece，and through network or special high-speed communication connection.  The data is sent to the robot in front of the light. The robot obtains the relevant information of the workpiece，and then commands the robot to complete the grabbing action.

Keywords：intelligent sorting;industrial robots;3D cameras

1  智能分拣平台简介

对于工业机器人来说，操作重复的动作并不是一个有难度的任务，而如果是要面对一种无序的环境，就需要机器人对环境自主进行感知、分析和判断，这意味着机器人就不能再依据传统方式，即依靠之前设定好的程序继续执行动作了。随着3C行业（计算机、通讯、电子产品）的兴起，机器人视觉也被带动起来，它的特点就是给原来的机器人装上3D视觉识别系统，满足工业对自动化的需求，解决工业机器人无序抓取的难题。本平台为面向工业4.0的机器视觉以及机械手抓取教学示范平台，旨在展示“工业4.0”概念下产品经过3D相机扫描后输出灰度及深度信息，从而确定产品在传送带上的位姿信息，再通过坐标转换成机械手笛卡尔坐标系，以实现机械手精确智能分拣的智能化生产流程。

该平台主要由机械手、3D相机、视觉主控机、传送带、按钮控制盒及料盒等组成，具体布局如图1所示。

1.1  智能分拣抓取平台特色

（1）快速对无序物体进行3D识别、分割以及检测;

（2）系统准确转换成抓取的位置和姿态;

（3）传送带可实现不同速度及高度需求;

（4）可实现多种维度姿态的抓取。

首先无序发生器把不同物品无规律地放到传送带上，当有物品通过智能相机的拍摄区域时，相机自动触发开始信号，并且开始拍摄物品位置，通过相机图像成形技术建立物品三维模型，从而反馈和计算相应物品抓取点的位置，并且同时反馈给关节机器人。同時，由于输送带一直在运行，所以机器人通过计算输送带速度，得到物品准确抓取位置，进而机器人开始运动，并且准确运动到物品位置，然后触发吸盘吸气，吸起物品，并且把物品放到指定的物品位置，从而再开始原先的动作，如此循环，直到再也没有触发信号，便结束整个流程。

2  产品硬件介绍

2.1  工业机器人

随着科学技术的发展，机器人的实际应用范围也在不断扩大，即使是在很多的传统行业中，人们也在想方设法尝试使用机器人来代替人类工作。近年来，工业机器人越来越多地进入到了人类的生产和生活中，并且工业机器人不断朝着智能化和信息化的方向发展，智能工业机器人将极大地拉动经济和社会进步，逐渐成为工厂自动化生产线的主要发展形式。比如在餐饮加工领域，技术人员已经开发出了诸多应用于不同场合的机器人，协助人类开展生产活动。

工业机器人是当前新工业革命形势下产生的，面向诸多领域的多关节机械手或多自由度的机器设备，依靠自身动力和控制系统，可以自动执行任务和工作，来实现各种应用功能和应用场景需要的智能化的设备。其不仅可以按照人类的设定的方式，而且可以按照预先规划好的路径和逻辑来运行，不厌其烦地工作，不需要休息。随着科学技术的飞速发展，如今的工业机器人已实现根据人工智能技术制定的原则和纲领行动，越来越智能，越来越高效。

工业机器人主要由主体（机械手）、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，另外还包括各种连接电缆和应用软件。控制技术的主要职责是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信息，并执行控制。控制系统是整个机器人的大脑，是决定机器人的性能和功能的主要要素，且具备编程语言简单、操作简易、人机交互界面美观等特点。

i5 Robot是一种串联型的六关节机器人，包括底座、转盘、大臂、肘部、小臂、腕部、手部相邻部件之间均是关节相连。部件的运动都由伺服电机驱动，控制系统由沈机智能自主研发和设计。

i5工业机器人广泛应用于机械加工、装配等自动化行业，不同抓取能力的机器人能满足不同行业的需求。每个关节都有自己的限位角度，因此在操作机器人之前要要先了解机器人的工作范围。

2.2  智能视觉

（1）智能视觉是一项综合技术，是计算机科学的一个重要发展方向，更是人工智能快速发展的一个方向，它综合了电气、机械、通讯等多学科的技术，涉及计算机运算、电气逻辑控制、运动控制、机械等多个领域。换一句话来说，智能视觉就是用计算机来模拟人的眼睛，实现对物体位置、姿态、形状的获取。智能视觉系统是通过智能视觉产品（3D相机）将物品转化成图像，并输送给特殊的图像处理机构，从而得到物体的位置、姿态、形状等信息数据，并将其转变成可设别的数字化信号;图像处理机构再对这些信息进行各种运算，并对物体进行识别，根据识别结果来做出反馈，然后驱动现场的设备有所动作。图像处理机构和模式识别等科技的发展，极大地推动了智能视觉的发展，具有高自定义、高稳定性、高定制性、高集成度以及灵活的IO输出方式、良好的接口保护等特点。物品识别与分割3D相机能够精准获取小型物体位姿信息并对其进行处理，可实现3D点云数据的生成，深度方向的测量误差为4.87μm，最高扫描速度可25000Hz/s，测量距离高达197mm。

i5Vision为CNC提供了一个视觉定位和视觉测量的功能，可以对工件表面某一形状特征进行坐标定位、旋转角测量和尺寸测量。

智能视觉系统的应用主要是为了提升生产率、信息化、自动化程度。随着科学技术的快速的发展，特别是在诸多危险高、劳动强度大的工作的场合，就需要选择机器视觉来代替人工视觉，同时在重复性的工作中，用传统的人工视觉来检查产品效率低下且质量不高，如果采用视觉检测方案，则可以大大提高生产作业效率和生产节奏的自动化程度。机器视觉技术应用前景极为广阔，目前应用于生活各领域，但在工业领域中实用化、商业化还有很大差距，因为工业现场具有条件复杂、环境恶劣、变化情况多等特点，因此亟待提高我国机器视觉技术的发展速度和水平，达到工业生产的智能化和现代化，为中国制造2025计划做出巨大的贡献。

（2）3D相机可切换3D输出模式和灰度输出模式，灰度输出模式即普通相机模式，输出原始的灰度图像，图像分辨率为1600×1088，可用于研究片光法三维建模方法。3D模式下，相机内自带处理模块及算法，可根据激光点偏离距离计算出每个点的z轴高度（高度图），另外，还可以选择输出每个激光点的宽度值（激光分布图）及光强度（强度图）。它们都是1600点的一维数据。此项目采用3D模式输出一维高度图，可以预先调试标定好相机高度及相机参数，如此相机输出的高度图就是物体上点距离传送带的高度。传送带带动物体匀速运动，3D相机对其连续拍照，拼合多帧高度图，即可得到整个传送带通过3D相机扫描区域的物体深度信息。

3  输送带

输送带一般按是否有牵引件来进行分类，一般分为：有牵引件的输送带设备、无牵引件的传送带设备。有牵引件的传送带设备种类多，应用范围广，在我们日常生活中最常见的有稻谷机、机场中行李输送带和架空索道等;无牵引件的传送带设备，常见的有旋转辊道、螺旋输送机和振动输送机等。

该平台使用的传送带又叫柔性链板输送机，是链板输送机械设备中的一种，具有灵巧美观、安装简便、结构标准、干净无污染等特点，柔性链输送机广泛地应用于食品、药品、罐头饮料、纸制品、乳业、化妆品、烟草等对卫生要求比较严苛的行业。该平台传送带由传动机械结构、减速机以及伺服电机组成，通过机器人CNC控制伺服电机的运转速度及其编码器的反馈从而能够确定物品在传送带上的具体位置，以实现机械手准确抓取。

4  视觉UI界面

视觉UI界面是特定开发的一款人機交互软件，它集成了相机开关、数据采集开关、与机器人连接、标定、传送带速度匹配以及匹配模型等功能，相机相关的代码是在halcon上开发的，UI是在QT上开发的。本平台使用的界面为沈机（上海）智能系统研发设计有限公司自主设计和研发，该公司是一家专注于运动控制系统研发及提供运动控制整体解决方案的面向工业4.0，致力于高端电子产品设计、制造，并提供智能制造高端服务、定制化服务的工业服务公司。

本平台中应用的有圆柱体、长方体、三角体和立方体，从而可以在相机软件中人为来标定，可以设定不同物品和不同形状，由于外置环境总是不断变化的，比如光线、温度等，因此检测出来的结果一般不可能同设定物品百分百相符，所以说可以设置相似度达到多少就认为合格，相似度在多少以下就认为不合格，开放这个接口，用户根据实际情况来确定。

5  结  论

随着人工智能的兴起与快速发展，机器视觉作为人工智能的一个重要分支，在人们的生产生活中不断发挥着越来越重要的作用。而随着人们对工作要求的不断提高，以及不愿意从事重复劳动的要求，且人的眼睛容易疲劳，从而容易导致错误或漏检情况的发生，因此智能分拣平台就有了其市场需求，简单来说就是利用机器来代替人的眼睛，从而达到对物体的准确判断和测量，其特点是提高生产的柔性和自动化程度，并且在工业批量生产中可以大大提高作业效率，而且通过视觉也容易实现信息集成化，并对自动化生产过程实现高度兼容性，从而实现轻易驱动机械手等设备动作。智能分拣平台就是利用机器视觉实现动态获取物体位置姿态，然后驱动机械手实现动态抓取等一系列动作。

参考文献：

[1] 吴旭清，黄家才，周磊，等.并联机器人智能分拣系统设计 [J].机电工程，2019，36（2）：224-228.

[2] 刘潇，万其，倪银堂，等.基于视觉的移动分拣机器人系统研究 [J].工业控制计算机，2018，31（12）：91-93.

[3] 王迎晖.基于机器视觉的物料分拣工业机器人技术研究 [J].仪器仪表标准化与计量，2018（5）：28-30.

作者简介：杨爱俊（1983.07-），男，汉族，江苏淮安人，中级工程师，本科，主要研究方向：自动化。