碼垛機器人技術(shù)進展及方案設(shè)計

研研 究究 生生 課課 程程 論論 文文 封封 面面 課程名稱 機器人技術(shù)及應用 論文題目 碼垛機器人研究進展及方案設(shè)計 學生班級 機械工程 學生姓名 黃凰 任課教師 王中任 學位類別 專業(yè)碩士 評分標準及評分標準及 分值分值 選題與參閱資料 分值 論文內(nèi)容 分值 論文表述 分值 創(chuàng)新性 分值 評分評分 論文評語 論文評語 總總 評評 分分評閱教師評閱教師 評閱時間評閱時間 年 月 日 注 此表為每個學生的論文封面 請任課教師填寫分項分值 摘要摘要 本文先綜述了碼垛機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) 在此基礎(chǔ)上研究了基于機器視覺 的碼垛機器人系統(tǒng)實驗平臺 首先采用目標分塊的方法減少后續(xù)識別算法的大范圍掃描所 帶來的識別時間上的浪費 其次采用圖像幾何不變矩對工件圖像進行快速粗略檢測 大大 提高了識別效率 最后運用 SIFT 特征對局部特征進行識別匹配 運用中心矩計算工件質(zhì)心 坐標 以引導機器人準確的完成抓取工作 抓取后對工件進行分類碼垛 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 機器人 碼垛 視覺 碼垛機器人研究進展及方案設(shè)計碼垛機器人研究進展及方案設(shè)計 1 機器人概述 近年來 機器人技術(shù)發(fā)展非常迅速 各種用途的機器人在各個領(lǐng)域得到廣泛的應用 于 此同時 碼垛技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展 尤其是機器人碼垛發(fā)展更為迅猛 這種發(fā)展趨勢是 與當今制造領(lǐng)域出現(xiàn)的多品種小批量的發(fā)展趨勢相適應的 1 2 碼垛機器人是用在工業(yè)生產(chǎn) 過程中執(zhí)行大批量工件 包裝件的獲取 搬運 碼垛 拆垛等任務的一類工業(yè)機器人 是 集機械 電子 信息 智能技術(shù) 計算機科學等學科于一體的高新機電產(chǎn)品 3 碼垛機器 人技術(shù)在解決勞動力不足 提高勞動生產(chǎn)效率 降低生產(chǎn)成本 降低工人勞動強度 改善 生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力 4 國外從 20 世紀 60 年代開始研究工業(yè)機器人 碼垛機 器人是伴隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的 日本 德國 美國等發(fā)達國家的研究已取 得一定成果 我國在這方面的研究剛起步不久 還需加快研究步伐 提高研究水平 為 我國物流包裝企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出貢獻 5 最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運是日本和瑞典 6 20 世紀 70 年代末日本 第一次將機器人技術(shù)用于碼垛作業(yè) 1974 年 瑞典 ABB 公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工 業(yè)機器人 IRB6 主要應用于工件的取放和物料的搬運 7 除此之外 德國 意大利 韓 國等國家工業(yè)機器人的研發(fā)水平也相當高 隨著計算機技術(shù) 工業(yè)機器人技術(shù)以及人工智 能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟 日本 德國 美國 瑞典 意大利 韓國等國家在包裝 碼垛機器人的研究上做了大量工作 相應推出了自己的碼垛機器人 如日本的 FANUC 8 和 OKURA 以及 FUJI 系列 德國的 KUKA 系列 9 瑞典的 ABB 系列等 德國 瑞典以及日本等國家的碼垛機器人一般為 4 6 軸機器人 10 主要由固定底座 連桿 連桿臂 臂部 腕部以及末端執(zhí)行器組成 機器人主體多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料 制造和連桿式關(guān)節(jié)型的機構(gòu)形式 均利用 CAD 和 FEM 有限元技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 具有較高的機械性能和抗震能力 驅(qū)動系統(tǒng)均采用模塊式數(shù)字化 AC 伺服電機和 RV 減速器 取消了腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和平衡塊 大大優(yōu)化了整機結(jié)構(gòu) 針對不同類型的產(chǎn)品和包裝件 還設(shè)計了真空吸持 夾持 叉式等多種形式的智能末端執(zhí)行器 這些先進碼垛機器人最顯 著的技術(shù)特點就是采用了基于 PC 的開放式控制系統(tǒng) 令機器人能夠高速 精準 穩(wěn)定可靠 地運行 如瑞典 ABB 公司為 IRB 系列碼垛機器人研發(fā)了主動安全軟件和被動安全軟件 可 對機器人的運動和載荷情況進行監(jiān)控 電子穩(wěn)定路徑功能可確保機器人在考慮加速度 阻 力 重力 慣性等條件的同時 遵循預定運行路徑 主動制動系統(tǒng)可以確保機器人維持運 行路徑的同時對制動予以控制 被動安全功能可實現(xiàn)機器人進行負載識別 日本 FANUC M410i 系列碼垛機器人軟件體系也非常強大 PalletTool Palle tPROTM 用于碼垛設(shè)置 仿真和操作 Supports Colli sion GuardTM 用于減少機器人 夾持器 箱 袋以及外圍設(shè) 備的碰撞損壞 基于網(wǎng)絡的軟件工具用于遠程聯(lián)機 診斷和生產(chǎn)監(jiān)控 還專門配備了機器 視覺引導系統(tǒng) 用于引導機器人完成拆垛和檢查工作 近年來 隨著機械自動化水平和勞動力成本的不斷提高 高速重載搬運機器人在各類產(chǎn) 品生產(chǎn)線上已得到了廣泛應用 尤其是產(chǎn)品碼垛工序 機器人以其在適用范圍 靈活性 成本以及維護等方面的優(yōu)勢使其應用越來越廣泛 并成為一種發(fā)展趨勢 在這種形勢下 杭州娃哈哈集團有限公司與天津大學等單位共同研發(fā)了一種用于產(chǎn)品碼垛的高速重載搬運 機器人 11 該機器人最大抓取重量為 300kg 搬運能力為 800 次 小時 位置重復精度為 0 5mm 整機主要由底座 大臂 前臂和末端執(zhí)行器四個關(guān)節(jié)組成 能實現(xiàn)四種運動 底 座旋轉(zhuǎn) 大臂前后運動 前臂上下運動和末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)運動 即四個自由度 在結(jié)構(gòu) 上的特點為 包含三個平行四邊形結(jié)構(gòu) 其中大臂外側(cè)的平行四邊形機構(gòu) 在保證前臂 和前臂驅(qū)動臂具有相同轉(zhuǎn)速的同時可將電動機安裝在底座上 使機器人的動力學性能得到 改善 另外兩組耦合平行四邊形機構(gòu) 起到保持末端執(zhí)行器水平姿態(tài)的作用 碼垛機器 人機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1 所示 圖 1 碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)簡圖 2 視覺機器人 伴隨著物流產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展 國內(nèi)外碼垛技術(shù)實現(xiàn)了跨越式的進步 早期的人工碼垛 負載量低 吞吐量小 勞動成本高 搬運效率低 不能夠滿足自動化生產(chǎn)的需求 在工業(yè) 生產(chǎn)中 普遍用于自動化生產(chǎn)中的碼垛機器人實質(zhì)上是一種普通的工業(yè)搬運機器人 主要 負責執(zhí)行裝載和卸載的任務 且一般都采用示教的方法 預先設(shè)定好抓起點和擺放點 這 種工作方式不能夠?qū)ιa(chǎn)線的情況分析判斷 如不能夠區(qū)分工件大小 不能夠判斷工件是 否合格 不能夠?qū)ぜM行分揀 而只是被動的搬運 適應性極差 將機器視覺與碼垛機 器人結(jié)合起來 使之具有人眼識別功能 對于保證產(chǎn)品質(zhì)量 降低勞動成本 優(yōu)化作業(yè)布 局 提高生產(chǎn)效率 增長經(jīng)濟效益 實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化等方面具有十分重要的意義 12 機器視覺系統(tǒng)是指通過圖像軟件根據(jù)對目標圖像顏色 亮度等特征信息進行分析判斷 并根據(jù)判斷結(jié)果來控制設(shè)備的系統(tǒng) 隨著機器視覺與機械制造 裝配行業(yè)的深度融合 決 定了機器視覺將從單一的數(shù)據(jù)采集 傳輸 識別判斷等操作轉(zhuǎn)而向人工智能 自動化生產(chǎn) 智能控制等領(lǐng)域深度結(jié)合的方向發(fā)展 13 機器視覺技術(shù)指用攝像機來模擬人眼的視覺功能來對客觀事物進行測量和判斷 視覺技 術(shù)在工業(yè)中得到了越來越廣泛的應用 對提高生產(chǎn)效率 達到生產(chǎn)智能化的目的起著至關(guān) 重要的作用 14 而將機器視覺與碼垛機器人結(jié)合起來 使之具有人眼識別功能 對于保證 產(chǎn)品質(zhì)量 降低勞動成本 優(yōu)化作業(yè)布局 提高生產(chǎn)效率 增長經(jīng)濟效益 實現(xiàn)生產(chǎn)的自 動化等方面具有十分重要的意義 工件的識別與定位是機器人抓取碼垛的前提和基礎(chǔ) 其識別和定位的正確與否直接影 響到后續(xù)操作結(jié)果的準確性 15 基于機器視覺技術(shù)識別算法研究已經(jīng)從最初的實驗室逐漸 走向?qū)嶋H應用階段 16 例如 Zhu Jun chao 等研究了相關(guān)視覺處理算法 提出了一種區(qū)分 行人和車輛的識別算法 17 Wen Ying 等人 18 提出一種提出了一個新穎的陰影去除技術(shù)和字 符識別算法 該算法應用于智能交通系統(tǒng)的車牌識別 Xie F 等人 19 提出了一種改進型細 化算法 該算法應用于人體姿勢識別系統(tǒng) Noor A 等 16 介紹了一種對指紋模板形成和匹配 的自動識別算法 該算法保持了很高的精度誤差錯誤率不到 3 5 本文搭建了基于視覺的 碼垛系統(tǒng)試驗平臺 同時研究了相關(guān)的圖像處理算法 提出了多目標分塊處理算法 基于 SIFT 和 HU 特征融合的單目視覺識別算法 兩者結(jié)合可以有效解決工件的識別問題 3 設(shè)計方案 3 1 機器人組成構(gòu)造 本文以新松六自由度機械臂 S H6 工業(yè)機器人為基礎(chǔ) 搭建了基于機器視覺的碼垛機 器人系統(tǒng)平臺 20 該實驗平臺 21 主要由工件放置模塊 攝像機模塊 視覺分揀模塊 機器 人 C 控制模塊和機器人碼垛模塊等五大模塊組成 工件放置模塊由工件 傳送帶 工件放置臺組成 22 工件為袋裝的三種塑料顆粒物料 PP PS PC 在袋子的表面貼有條形碼區(qū)分不同種類 我們采用條形碼圖像識別方法來 分類堆放物料 選用黑色的傳送帶有助于與工件的顏色形成反差 便于從圖像中提取出目 標 方便于算法的實現(xiàn) 工件放置臺用于對工件進行碼垛放置使用 攝像機模塊主要由 GM1400 千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機 攝像機支架和光源組成 懸掛在支架 上的工業(yè)相機的作用是獲取試驗臺上進入工作區(qū)的工件圖像 光源采用白色 LED 面式光源 為相機采集圖像提供照明 其固定在工件的上方 用來消除工件自身的陰影 視覺分揀模塊由 PC 機和視覺軟件組成 主要是由視覺系統(tǒng)對工業(yè)相機采集的圖像進行 處理 識別出目標種類 計算出工件的質(zhì)心坐標 再根據(jù)圖像坐標系和物體坐標系的關(guān)系 計算出目標的空間位置 之后將信息參數(shù)傳入控制柜 機器人 C 控制模塊主要由示教盒 控制柜和 C 控制器組成 示教盒 對機器人進行 參數(shù)的初始化設(shè)置和機器人位姿的控制 機器人控制柜 與計算機相連 接受來自計算機 的數(shù)據(jù)并控制工業(yè)機器人執(zhí)行指定的動作 負責對參數(shù)進行分析 然后對機器人進行相關(guān) 的操作 機械人碼垛模塊主要由機械臂和吸盤組成 23 機械臂 完成控制器對電機的相關(guān)運動 以方便控制機械手作業(yè) 吸盤 采用真空吸盤來完成對目標的抓取和碼垛工作 3 2 碼垛實現(xiàn)流程 基于機器視覺的碼垛機器人系統(tǒng)的圖像處理流程如圖 2 所示 整個分揀流程從視覺算 法上分為四個部分 24 圖像預處理 目標識別 目標定位 分揀抓取 圖像預處理 將 圖像按照目標分塊進行處理 可以提高識別速率 目標識別 25 首先采用 Hu 不變矩提取 全局特征 進行粗略識別 然后采用 SIFT 算法進行更準確局部特征匹配 目標定位 26 首先首先求取多凸目標輪廓上的角點 然后用中心矩求取質(zhì)心坐標 碼垛抓取 27 將工件 目標質(zhì)心坐標和外接矩形輪廓特征通過 S232 發(fā)送特征信息給機器人控制柜 從而控制機 器人的吸盤機械手進行抓取碼垛操作 碼垛方式采用逐層碼垛 28 圖 2 視覺流程圖 4 總結(jié) 本文先綜述了碼垛機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) 在此基礎(chǔ)上研究了基于機器視覺的碼 垛機器人系統(tǒng)實驗平臺 首先采用目標分塊的方法減少后續(xù)識別算法的大范圍掃描所帶來 的識別時間上的浪費 其次采用圖像幾何不變矩對工件圖像進行快速粗略檢測 大大提高 了識別效率 最后運用 SIFT 特征對局部特征進行識別匹配 運用中心矩計算工件質(zhì)心坐標 以引導機器人準確的完成抓取工作 抓取后對工件進行分類碼垛 該實驗平臺有效的解決 了人工碼垛的負載量低 吞吐量小 勞動成本高 搬運效率低等一系列問題 提高了勞動 效率 節(jié)約了人力成本 更有益于工業(yè)智能化的發(fā)展 參考文獻 1 李婷 柳寧 基于機器視覺的圓定位技術(shù)研究 J 計算機工程與應用 2012 9 153 156 2 胡洪國 高建華 楊汝清 碼垛技術(shù)綜述 J 組合機床與自動化加工技術(shù) 2000 6 7 9 3 李中生 機器視覺在機器人碼垛系統(tǒng)中的應用研究 D 沈陽 沈陽工業(yè)大學信號與 信息處理學院 2014 4 李曉剛 劉晉浩 碼垛機器人的研究與應用現(xiàn)狀 問題及對策 J 包裝工程 2011 02 10 5 孫立寧 機器人技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展狀況 J 國內(nèi)外機電一體化技術(shù) 2002 4 29 41 6 陳愛珍 日本工業(yè)機器人的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 J 機械工程師 2008 7 8 10 7 Connolly C KUKA robotics open architecture allows wireless control J Industrial robotan international journal 2008 35 1 12 15 8 Robotica 法那克推出大型碼垛機器人 J 國內(nèi)外機電一體化技術(shù) 2000 18 6 581 9 王偉 KUKA 機器人閃亮埃森焊接展 J 機器人技術(shù)與應用 2008 3 48 10 寧鳳艷 碼垛機器人動力學建模與滑移模糊控制 J 機械設(shè)計與研究 2010 1 26 44 47 11 梅江平 曹家鑫 張新 劉藝 采用 SolidWorks 的高速重載碼垛機器人的靜力學分析和 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J 現(xiàn)代制造工程 2012 12 李星云 碼垛機器人視覺控制關(guān)鍵技術(shù)的研究 D 西南科技大學 2015 13 劉振宇 李中生 張濤 趙雪 基于機器視覺的碼垛機器人系統(tǒng)研究 J 組合機床與 自動化加工技術(shù) 2014 04 003 14 馮丹 視覺抓取機器人系統(tǒng)研究 D 北京工業(yè)大學 2013 15 孫中國 基于機器視覺的面粉貸碼垛機器人研究 D 山東建筑大學 2015 16 Noor A Manivanan N Balachandran W Transformation invariant algorithm for automatic fingerprint recognition J Institution of Engineering and Technology 2012 48 14 834 835 17 Junchao Zhu Jie Zhou Baofeng Zhang esearch on moving human and vehicle s recognition algorithm C Qinhuangdao ICCDA 2010 18 Ying Wen Yue Lu Jingqi Yan et al An Algorithm for License Plate ecognition Applied to Intelligent Transportation System J IEEE Intelligen