引 言

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支 [1-2]。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出的第一臺(tái)機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)部件與抓放機(jī)構(gòu)。第一代機(jī)械手主要依靠人工控制，影響這類機(jī)器人應(yīng)用的主要是成本與精度。第二代機(jī)械手主要依靠微型電子計(jì)算機(jī)控制，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至具有聽(tīng)與想的能力。通過(guò)在機(jī)械手上安裝各種傳感器，反饋感覺(jué)到的信息，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能 [3-4]。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的各種任務(wù)，這類機(jī)械手具有感覺(jué)功能、決策功能及執(zhí)行功能，已逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 與柔性制造單元FMC 中的一個(gè)重要組成部分 [5-6]。機(jī)械手感知與控制軟件是公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力，但市場(chǎng)上并沒(méi)有通用的機(jī)械手感知與控制軟件，根據(jù)特定用途開(kāi)發(fā)的機(jī)械手需要專門(mén)開(kāi)發(fā)其配套感知與控制軟件。本文針對(duì)已有的物體傳送帶與桁架機(jī)械手， 開(kāi)發(fā)一套基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別及抓取控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳送帶上輸送物品的位置識(shí)別、桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制與抓取功能。

1 物體輸送及抓取裝置

為實(shí)現(xiàn)物體的輸送與抓取，設(shè)計(jì)制造了傳送帶系統(tǒng)與桁架機(jī)械手。傳送帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)物體的勻速運(yùn)動(dòng)。桁架機(jī)械手為直角坐標(biāo)式機(jī)械手，具有高效、穩(wěn)定、高強(qiáng)度、高精度、高性價(jià)比及操作控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的抓取和搬運(yùn)。

本文物體輸送及抓取裝置包括傳送帶、型材框架、X 軸、Y軸、Z軸滑臺(tái)模組、氣動(dòng)夾爪以及一些連接件等，其主要功能是實(shí)現(xiàn)物體沿傳送帶表面的直線運(yùn)動(dòng)，桁架機(jī)械手實(shí)現(xiàn)X 軸、Y 軸和 Z 軸三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)及卡爪的轉(zhuǎn)動(dòng)、抓取運(yùn)動(dòng)。其三維設(shè)計(jì)圖如圖 1 所示，實(shí)物圖如圖 2 所示。

圖 1 物體輸送及抓取裝置三維模型

圖 2 物體輸送及抓取裝置實(shí)物

2 基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別

2.1 基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般是將工業(yè)相機(jī)安裝在機(jī)器流水線上代替人眼來(lái)做測(cè)量與判斷，通過(guò)數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送至專用的圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各類運(yùn)算，抽取目標(biāo)特征，進(jìn)而根據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作 [7]。

工業(yè)相機(jī)俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，其性能穩(wěn)定可靠，易于安裝。工業(yè)相機(jī)的快門(mén)時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體，其圖像傳感器可逐行掃描，幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)，且能輸出光譜范圍較寬的裸數(shù)據(jù)，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法。而普通相機(jī)拍攝的圖片的光譜范圍只適合人眼視覺(jué)，并且經(jīng)過(guò) MJPEG 壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。本文機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用一款130 萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)和焦距為 2.8 ～ 12 mm 的鏡頭。

由于物體在傳送帶上做連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)，為確定物體的初始位置，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)拍照，故在傳送帶上安裝一組光電傳感器。當(dāng)傳送帶運(yùn)送的物體經(jīng)過(guò)光電傳感器時(shí)，觸發(fā)計(jì)時(shí)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲，確保物體在工業(yè)相機(jī)的視野范圍內(nèi)，并啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)物體拍照。拍照完成后進(jìn)行圖像處理與物體識(shí)別，獲得物體位置，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換獲得物體在傳送帶坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)。圖像坐標(biāo)系與傳送帶坐標(biāo)系如圖 3 所示， 其中圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在傳送帶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Δx， Δy）。假設(shè)圖像坐標(biāo)系中某點(diǎn) P 的坐標(biāo)為（U，V），將 P 點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到傳送帶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y），圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)與傳送帶坐標(biāo)系坐標(biāo)之間的關(guān)系為 ：

X=Δ x+U

Y=Δ y+V

圖 3 圖像坐標(biāo)系與傳送帶坐標(biāo)系

2.2 基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別程序

機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)首先需要的是視覺(jué)采集程序， 視覺(jué)采集程序就是通過(guò)程序控制相機(jī)， 在有物體通過(guò)時(shí)拍攝圖片。在 C# 程序中， 添加一個(gè) MVSDK 類庫(kù)， 把相機(jī)函數(shù)添加到 MVSDK.cs 中， 并在程序開(kāi)頭添加“using System. Runtime.InteropServices ；”“usingSystem.IO ；”“using CameraHandle=System.Int32 ；”，配置完成后即可通過(guò)程序調(diào)用相機(jī)函數(shù)拍照。

機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別與定位根據(jù)圖片的 RGB值進(jìn)行判斷。本文圖像處理方法采用 EmguCV，EmguCV是 .NET平臺(tái)下對(duì) OpenCV圖像處理庫(kù)的封裝，包含圖像處理與機(jī)器視覺(jué)方面的較多通用算法 [8]。本文利用 OpenCV 提供的圖像輪廓與中心識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)物體輪廓及位置識(shí)別。具體方法為 ：通過(guò) EmguCV 創(chuàng)建一個(gè) C# 項(xiàng)目，在引用中加“Emgu.CV.dll”“Emgu.CV.UI.dll”“Emgu.CV.UI.GL.dll”“Emgu.Util. dll”，完成后即可使用 EmguCV 中的控件進(jìn)行圖像輪廓與中心識(shí)別。

3 基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)工作流程如圖 4 所示。

圖 4 物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)流程圖

根據(jù)物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)工作流程，利用 C# 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制程序，控制程序界面如圖 5 所示。控制程序調(diào)試完成后共進(jìn)行 100 次物體傳送與抓取實(shí)驗(yàn)，正確抓取率為100%，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的正確性與有效性。

圖 5 物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)程序界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的物體識(shí)別與抓取控制系統(tǒng)， 主要包括以下功能 ：

實(shí)現(xiàn)了程序控制相機(jī)對(duì)傳送帶上運(yùn)動(dòng)物體的拍照功能，利用圖像處理方法獲得了物體在圖像坐標(biāo)系中的位置 ；

通過(guò)坐標(biāo)變換獲得了物體在傳送帶坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的位置，結(jié)合傳送帶的速度確定了抓取策略，通過(guò)控制桁架機(jī)械手與卡爪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的正確抓取。