基于视觉的机器人拧盖控制系统

雷丰顺

（广州达意隆包装机械股份有限公司，广东 广州 510530）

0 引言

随着工业自动化技术的不断发展，机器人在工业生产中得到了飞速发展，智能化程度也在不断提高，其在现代化工业生产中的应用越来越广泛。针对市场上220 L这类大油桶的生产线，在旋盖和拧盖这个工艺段，大部分工厂还是通过人工手动操作。由于人力成本和管理成本越来越高，很多工厂都希望可以实现自动化升级。而难点在于如何让设备具备人眼一样的识别功能，同时需要设计必要的工具代替人手的操作。由于空油桶在输送线上行走时，油桶口的位置可能在任意一个角度，这里就要用到代替人眼功能的视觉相机，精确识别桶口的位置。通过机器人和视觉与电气控制系统的数据交互，最终实现智能化的机器人作业，降低了工厂的人力成本和管理成本，提高了生产效率。

1 工艺流程

方案布局图如图1所示，系统包括空桶拔盖区B1、灌油区B2、封盖旋紧区B3、空桶区视觉识别S1、满桶区视觉识别S2以及机器人和夹具。

图1 方案布局图

首先是机器人执行初始化，根据拧盖夹爪的状态判断是进入松盖子程序还是拧盖子程序。当松盖区B1传感器检测到空油桶到位后，机器人停在等待视觉S1拍照位置，视觉S1第1次拍照，识别出油桶塑料盖相对于基准线的角度位置，并将角度参数发给机器人，机器人执行动作，通过夹具上的吸盘吸附空油桶后旋转到基准0度位置，然后机器人回到等待视觉S1拍照位置。视觉S1第2次拍照，识别白色塑料盖位置，并将识别角度与基准位置进行比较，偏差在允许的数值范围内判断为正常，同时把白色塑料盖的X，Y坐标发给机器人，机器人得到白色塑料盖的坐标位置，执行拔除白色塑料盖的动作，并将白色塑料盖放入塑料盖料仓，然后机器人再次回到等待视觉S1拍照位置。视觉S1第3次拍照，判断白色塑料盖已经拔出。视觉S1第4次拍照，识别铁盖内2个凸头的角度R和铁盖的X，Y坐标位置，伺服电机根据角度R旋转伺服电机，实现拧铁盖的夹爪与铁盖凸头成90°交叉，机器人根据X，Y坐标运行到松铁盖的位置，伺服电机逆时针旋转，将铁盖拧出来，机器人回到等待视觉S1拍照位置。视觉S1第5次拍照，判断铁盖是否被拧出来。盖子都拧出来了，则允许松盖区的空油桶进入灌装区。

灌装区B2传感器检测空桶到位后，灌装机开始灌装，灌装完后允许油桶运行到拧盖区，通过B3传感器检测拧盖区的油桶到位。机器人运行到等待视觉S2拍照位置，B3传感器检测拧盖区的油桶到位，视觉S2第1次拍照，将桶口的X，Y坐标发给机器人，机器人执行拧盖程序，夹具上的伺服电机旋转，驱动拧盖夹爪顺时针转动，伺服电机达到拧紧所需的扭力时停止动作，机器人上升回到等待视觉S2拍照位置，拧盖动作完成。视觉S2第2次拍照，判断铁盖已经拧紧旋好，则允许拧盖区的油桶出去，机器人回到等待视觉S1拍照位置，准备下一个空油桶的拔盖流程。

2 机器视觉系统原理

机器视觉系统就是利用机器来代替人眼实现各种测量和判断。其原理是通过相机成像建立图像模板，然后建立图像坐标与机器人坐标（二维）之间的函数关系。在工作中，相机能够识别视野范围内的工件二维方向的位置并计算出坐标，使机器人能移动到工艺要求的精确位置，配合相关设备来模拟人的视觉行为。在工件位置不固定、工件型号多样化并且颜色有差异时，通过视觉系统可以识别工件型号、颜色并定位物体坐标，引导机器人将识别的工件放置在指定区域或通过机器人驱动相应的夹具完成工艺操作。视觉软件通过多点标定的方法在图像坐标系与机器人坐标系之间建立联系，引导机器人对已定位的目标完成工艺操作。

2.1 视觉系统设计说明

为了提高视觉系统的稳定性以及整个工艺的高速要求，这里将2个视觉分别固定在支架上，S1处采用条形光源，S2处采用圆形光源。空油桶区的视觉选用500万像素的广角相机。在满油桶区，由于相机的视野只有桶口这个区间，精度不用太高，所以选用30万像素的普通相机就可以满足要求。为了让机器人抓放盖子的位置准确，利用视觉系统的功能计算出位置偏差值，通过函数计算出X，Y坐标位置，并利用PLC处理数据后，通过PROFINET现场总线传送给机器人，机器人根据X，Y坐标值完成高精度的松盖、拧盖工作。

2.2 视觉系统任务

通过视觉系统采集油桶的盖子及桶口的中心点二维坐标（X，Y）和当前油桶相对于视觉模板中图像的角度R，发给PLC进行处理后，在图像坐标系与机器人坐标系之间建立联系，并最终引导机器人完成工艺控制作业。

2.3 相机标定

在做视觉任务前，需要先做好相机的标定工作。这是由于相机默认输出的坐标值是相机采集到的像素值，并非实际工件位置的尺寸，所以需要对物理坐标与像素值进行映射标定。要想将相机采集的数据转换为机器人坐标系下的位置数据，必须建立相机坐标系与机器人坐标系的对应转换关系，该过程通过相机标定来实现。设定校准后，可使测量结果像素值转换为实际尺寸并输出，相机标定结果的精度及算法的稳定性直接关系到工件的定位精度。因此，做好相机标定是进行后续工作的前提[2]。

2.3.1 标定前准备

标定前需要调整好相机和光源的高度，相机光源曝光以及镜头焦距，并固定好，在机器人夹具上安装标定针头，打印用于标定的校准网格纸，并固定在油桶表面水平铺平。

2.3.2 相机标定方法

这里采用九点标定法，通过标定针头在校准网格纸中取9组点，每组点都会记录一个机器人坐标系下的值和一个图像坐标系下的值。通过这9组坐标，在In-Sight软件里调用函数，可以实现像素与毫米的转换、图像坐标系与机器人坐标的夹角以及矫正镜头的畸变。九点标定后，图像坐标系与机器人坐标系已经平行了，只差原点不重合，即机器人走几毫米，图像里面就会走几毫米[1]。

2.3.3 标定过程

基于该文工艺要求，需要分别标定2个相机和机器人，标定步骤具体分为3步。1） 用机器人三点法示教出一个机器人的用户坐标系。用户坐标系的原点根据实际情况而定，一般选择流水线上一个固定位置参考点，该参考点要方便相机进行坐标转化标定。2）创建空油桶标定模板，需要进行标定的空油桶通过自动运行进入工作位，在油桶盖子上面平铺一张用于校准的网格纸，在In-Sight软件中实时查看画面，确认其在相机S1视野内，然后移动机器人，使机器人夹具上安装好的标定针头移动到第1个标记点，获取图像坐标和机器人坐标，再移动机器人，依次获取其他8个位置的机器人坐标和图像坐标，完成标定。3）创建满油桶标定模板，当空油桶固定在拔盖工作位后，在油桶桶口上面平铺一张用于校准的网格纸，在In-Sight软件中实时查看画面，确认其在相机S2视野内，然后移动机器人，使机器人夹具上安装好的标定针头移动到第1个标记点，获取图像坐标和机器人坐标，再移动机器人，依次获取其他8个位置的机器人坐标和图像坐标，完成标定。

完成标定后，统一相机输出坐标系和机器人坐标系，通过10次视觉系统拍照读取油桶的10个随机位置，再摇动机器人，使标记工件分别停到这10个位置，对数据信息进行记录，算出平均误差值，在PLC的算法内，通过这个误差值对坐标系进行纠偏。

3 控制系统

电气控制系统由S7-1500PLC、ABB机器人、康耐视视觉系统以及伺服V90PN，通过PROFINET现场总线组成闭环控制系统，其中S7-1500自带PROFINET接口，在硬件组态中配置好网络和IP地址，并添加好V90PN和视觉从站，其中ABB从站的配置需要先从ABB机器人硬盘拷贝出与实际硬件和系统版本一致的PROFINET的GSD文件，在硬件组态里添加ABB从站，分配好名称和IP地址，在ABB机器人的控制面板配置好PROFINET通信的相关配置和变量[3]。

PROFINET网络配置好后，通过PLC采集视觉数据，再对数据进行运算，并对工艺进行精确控制，最终实现由视觉系统代替人眼的识别功能，机器人及相关夹具组件代替人手进行松盖、拧盖的操作。人机界面可以对视觉系统每次拍照的步骤进行监控。设备工作区域采用防护网围蔽保护，操作员出入的门有双回路的门检测开关，并接入机器人的安全回路，实现人机隔离，确保设备运行过程中的人员安全。

4 结语

该文介绍的机器人视觉系统已经在益海粮油投入使用。在使用过程中系统运行良好。系统中使用的康耐视视觉系统，In-Sight软件的电子表格功能强大、设计简单、便于维护，整个系统稳定高效，满足生产的需求，提高了企业的生产效率，节约了人力成本和管理成本。随着机器人和视觉技术的发展，基于视觉的机器人控制系统，在智能化的工业升级中将会得到更多的应用。