基于智能机器人视觉清理系统研究*

时间：2024-05-04

于小宁李丽娟

（西安工业大学西安 710032）

1 引言

2016 年4 月工信部、国家发改委、财政部联合印发的《机器人产业发展规划（2016-2020 年）》提出，我国机器人产业在“十三五”时期要实现机器人关键零部件和高端产品的重大突破，实现机器人质量可靠性、市场占有率和龙头企业竞争力的大幅提升，形成较为完善的机器人产业体系。

随着工业机器人的发展，以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在很多领域得到了广泛应用［3］。目前，我国工业机器人的使用主要集中在汽车工业和电子电气工业、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人等方面［10～11］。

国外对于机器人清理系统的研究主要集中在美国、德国、日本等国家［12］。国内的工业机器人生产厂家如新松、广州数控等，但目前还不成熟，难以满足日益增长的市场需求［13］。在理论应用研究方面，施晓明［1］研究了机器视觉在摩轮轮穀去毛刺加工中的应用，文献［2，4，6］对去毛刺机器人设计及控制系统进行了研究，文献［8～9］研究了机器人高压水射流去毛刺系统。但是，这些研究都是针对特定器件的研究，对工厂铸造盖板、导体类零件浇口、冒口等清理部位清理（锯切、去毛刺）还没有一款专门的自动化处理系统，这些零部件的清理需要耗费大量人力，且对清理精度和速度有很高的要求，因此，急需设计一款专用机器人来代替人力完成铸造零部件的清理工作。

2 硬件设计

视觉系统的硬件主要由CCD 摄像机、图像采集卡、处理器、输入输出单元、控制装置构成。

图1 视觉系统硬件结构图

工作实现过程如下：人工上料至工作台，CCD摄像头识别，通过传送系统传进零部件，机器人把持零部件、锯切清理，机器人下料至上料工作台，传送系统传出零部件，人工检查、补充清理。首先，零部件定位检测器检测到物体已经运动至接近摄像系统的图像中心，向图像采集部分发出触发脉冲；图像采集部分按照事先预设的程序和延时，分别向CCD和照明系统发出开始脉冲；CCD停止当前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者CCD 在启动脉冲来到之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描；CCD 开始新的一帧扫描之前打开曝光系统，曝光时间可以根据情况事先设定；另一个启动脉冲打开照明灯光，灯光的开启时间应该与CCD 的曝光时间匹配；CCD 曝光后，正式开始一帧图像的扫描和输出；图像采集部分接收模拟信号通过A/D 进行数字化处理，或者是直接接收CCD 数字化后的数字视频数据；图像采集部分将数字图像存放在CPU 或计算机的内存中；CPU 对图像进行处理、分析、识别，获得测量结果或逻辑控制值；处理结果控制整个系统的动作、进行定位、纠正图像的误差等。

3 软件部分

主要分为图像采集、铸件图像处理、铸件图像识别和铸件清理等系统。

3.1 图像采集系统

本文采用RTV-24 4 通道PCI 实时图像采集卡将CCD 摄像机的模拟视频信号经A/D 后存储，然后将数字信号送计算机进行处理。

3.2 铸件图像处理系统

首先，对采集图像进行滤波［5，14～15］，经过多次仿真试验，本文采用中值滤波法对采集来的数字图像进行滤波，得到很好的效果。

然后，采用直方图修正法对图像进行增强，增加对比度，使目标从背景中分离出来。

采用二值化分割对图像进行分割，公式为

其中，F（j，k）为原图像，T 为阈值，G（j，k）为二值化后的图像。

图2 盖板照片

3.3 铸件图像识别

尺度不变特征转换（Scale-invariant feature transform 或SIFT）是一种计算机视觉的算法用来侦测与描述图像中的局部性特征，它在空间尺度中寻找极值点，并提取出其位置、尺度、旋转不变量，只需要3 个以上的SIFT 物体特征就足以计算出位置与方位。具体步骤如下。

表1 机器人清理典型清理零件明细

1）尺度空间极值检测：搜索所有尺度上的图像位置。通过高斯微分函数来识别潜在的对于尺度和旋转不变的兴趣点。

2）关键点定位：在每个候选的位置上，通过一个拟合精细的模型来确定位置和尺度。关键点的选择基于它们的稳定程度。

3）方向确定：基于图像局部的梯度方向，分配给每个关键点位置一个或多个方向。所有后面的对图像数据的操作都相对于关键点的方向、尺度和位置进行变换，从而提供对于这些变换的不变性。

4）关键点描述：在每个关键点周围的邻域内，在选定的尺度上测量图像局部的梯度。这些梯度被变换成一种表示，这种表示允许比较大的局部形状的变形和光照变化。

3.4 铸件清理

刚性电主轴刀具系统包括旋转刀、刚性电主轴、马达、刚性刀具控制器。本文选择德国PFERD的WRC0613/3型硬质合金刀具。选用NAKANISHI公司的E3000 刚性刀具控制器、NR3060S 电主轴和EM3060 马达，其转速范围为 5000r/min～60000r/min，可安装直径为3.0mm 的刀具，完全满足工厂铸造盖板、导体类零件浇口、冒口等清理部位清理（锯切、去毛刺）需要。