碼垛機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展及方案設(shè)計(jì)

研研 究究 生生 課課 程程 論論 文文 封封 面面 課程名稱 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 論文題目 碼垛機(jī)器人研究進(jìn)展及方案設(shè)計(jì) 學(xué)生班級(jí) 機(jī)械工程 學(xué)生姓名 黃凰 任課教師 王中任 學(xué)位類別 專業(yè)碩士 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)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(píng)分評(píng)分 論文評(píng)語(yǔ) 論文評(píng)語(yǔ) 總總 評(píng)評(píng) 分分評(píng)閱教師評(píng)閱教師 評(píng)閱時(shí)間評(píng)閱時(shí)間 年 月 日 注 此表為每個(gè)學(xué)生的論文封面 請(qǐng)任課教師填寫分項(xiàng)分值 摘要摘要 本文先綜述了碼垛機(jī)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(jī)器視覺(jué) 的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 首先采用目標(biāo)分塊的方法減少后續(xù)識(shí)別算法的大范圍掃描所 帶來(lái)的識(shí)別時(shí)間上的浪費(fèi) 其次采用圖像幾何不變矩對(duì)工件圖像進(jìn)行快速粗略檢測(cè) 大大 提高了識(shí)別效率 最后運(yùn)用 SIFT 特征對(duì)局部特征進(jìn)行識(shí)別匹配 運(yùn)用中心矩計(jì)算工件質(zhì)心 坐標(biāo) 以引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確的完成抓取工作 抓取后對(duì)工件進(jìn)行分類碼垛 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 機(jī)器人 碼垛 視覺(jué) 碼垛機(jī)器人研究進(jìn)展及方案設(shè)計(jì)碼垛機(jī)器人研究進(jìn)展及方案設(shè)計(jì) 1 機(jī)器人概述 近年來(lái) 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速 各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 于 此同時(shí) 碼垛技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展 尤其是機(jī)器人碼垛發(fā)展更為迅猛 這種發(fā)展趨勢(shì)是 與當(dāng)今制造領(lǐng)域出現(xiàn)的多品種小批量的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)的 1 2 碼垛機(jī)器人是用在工業(yè)生產(chǎn) 過(guò)程中執(zhí)行大批量工件 包裝件的獲取 搬運(yùn) 碼垛 拆垛等任務(wù)的一類工業(yè)機(jī)器人 是 集機(jī)械 電子 信息 智能技術(shù) 計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的高新機(jī)電產(chǎn)品 3 碼垛機(jī)器 人技術(shù)在解決勞動(dòng)力不足 提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率 降低生產(chǎn)成本 降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度 改善 生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力 4 國(guó)外從 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始研究工業(yè)機(jī)器人 碼垛機(jī) 器人是伴隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的 日本 德國(guó) 美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的研究已取 得一定成果 我國(guó)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(guó)物流包裝企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出貢獻(xiàn) 5 最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)是日本和瑞典 6 20 世紀(jì) 70 年代末日本 第一次將機(jī)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(tái)全電控式工 業(yè)機(jī)器人 IRB6 主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn) 7 除此之外 德國(guó) 意大利 韓 國(guó)等國(guó)家工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)水平也相當(dāng)高 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 工業(yè)機(jī)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(guó) 美國(guó) 瑞典 意大利 韓國(guó)等國(guó)家在包裝 碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作 相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人 如日本的 FANUC 8 和 OKURA 以及 FUJI 系列 德國(guó)的 KUKA 系列 9 瑞典的 ABB 系列等 德國(guó) 瑞典以及日本等國(guó)家的碼垛機(jī)器人一般為 4 6 軸機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)形式 均利用 CAD 和 FEM 有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 具有較高的機(jī)械性能和抗震能力 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用模塊式數(shù)字化 AC 伺服電機(jī)和 RV 減速器 取消了腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和平衡塊 大大優(yōu)化了整機(jī)結(jié)構(gòu) 針對(duì)不同類型的產(chǎn)品和包裝件 還設(shè)計(jì)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(jìn)碼垛機(jī)器人最顯 著的技術(shù)特點(diǎn)就是采用了基于 PC 的開(kāi)放式控制系統(tǒng) 令機(jī)器人能夠高速 精準(zhǔn) 穩(wěn)定可靠 地運(yùn)行 如瑞典 ABB 公司為 IRB 系列碼垛機(jī)器人研發(fā)了主動(dòng)安全軟件和被動(dòng)安全軟件 可 對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和載荷情況進(jìn)行監(jiān)控 電子穩(wěn)定路徑功能可確保機(jī)器人在考慮加速度 阻 力 重力 慣性等條件的同時(shí) 遵循預(yù)定運(yùn)行路徑 主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)可以確保機(jī)器人維持運(yùn) 行路徑的同時(shí)對(duì)制動(dòng)予以控制 被動(dòng)安全功能可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人進(jìn)行負(fù)載識(shí)別 日本 FANUC M410i 系列碼垛機(jī)器人軟件體系也非常強(qiáng)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(jī)器人 夾持器 箱 袋以及外圍設(shè) 備的碰撞損壞 基于網(wǎng)絡(luò)的軟件工具用于遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī) 診斷和生產(chǎn)監(jiān)控 還專門配備了機(jī)器 視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng) 用于引導(dǎo)機(jī)器人完成拆垛和檢查工作 近年來(lái) 隨著機(jī)械自動(dòng)化水平和勞動(dòng)力成本的不斷提高 高速重載搬運(yùn)機(jī)器人在各類產(chǎn) 品生產(chǎn)線上已得到了廣泛應(yīng)用 尤其是產(chǎn)品碼垛工序 機(jī)器人以其在適用范圍 靈活性 成本以及維護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛 并成為一種發(fā)展趨勢(shì) 在這種形勢(shì)下 杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司與天津大學(xué)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(yùn) 機(jī)器人 11 該機(jī)器人最大抓取重量為 300kg 搬運(yùn)能力為 800 次 小時(shí) 位置重復(fù)精度為 0 5mm 整機(jī)主要由底座 大臂 前臂和末端執(zhí)行器四個(gè)關(guān)節(jié)組成 能實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)動(dòng) 底 座旋轉(zhuǎn) 大臂前后運(yùn)動(dòng) 前臂上下運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 即四個(gè)自由度 在結(jié)構(gòu) 上的特點(diǎn)為 包含三個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu) 其中大臂外側(cè)的平行四邊形機(jī)構(gòu) 在保證前臂 和前臂驅(qū)動(dòng)臂具有相同轉(zhuǎn)速的同時(shí)可將電動(dòng)機(jī)安裝在底座上 使機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能得到 改善 另外兩組耦合平行四邊形機(jī)構(gòu) 起到保持末端執(zhí)行器水平姿態(tài)的作用 碼垛機(jī)器 人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示 圖 1 碼垛機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2 視覺(jué)機(jī)器人 伴隨著物流產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展 國(guó)內(nèi)外碼垛技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式的進(jìn)步 早期的人工碼垛 負(fù)載量低 吞吐量小 勞動(dòng)成本高 搬運(yùn)效率低 不能夠滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求 在工業(yè) 生產(chǎn)中 普遍用于自動(dòng)化生產(chǎn)中的碼垛機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種普通的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人 主要 負(fù)責(zé)執(zhí)行裝載和卸載的任務(wù) 且一般都采用示教的方法 預(yù)先設(shè)定好抓起點(diǎn)和擺放點(diǎn) 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(jìn)行分揀 而只是被動(dòng)的搬運(yùn) 適應(yīng)性極差 將機(jī)器視覺(jué)與碼垛機(jī) 器人結(jié)合起來(lái) 使之具有人眼識(shí)別功能 對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量 降低勞動(dòng)成本 優(yōu)化作業(yè)布 局 提高生產(chǎn)效率 增長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)效益 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化等方面具有十分重要的意義 12 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)圖像軟件根據(jù)對(duì)目標(biāo)圖像顏色 亮度等特征信息進(jìn)行分析判斷 并根據(jù)判斷結(jié)果來(lái)控制設(shè)備的系統(tǒng) 隨著機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械制造 裝配行業(yè)的深度融合 決 定了機(jī)器視覺(jué)將從單一的數(shù)據(jù)采集 傳輸 識(shí)別判斷等操作轉(zhuǎn)而向人工智能 自動(dòng)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)指用攝像機(jī)來(lái)模擬人眼的視覺(jué)功能來(lái)對(duì)客觀事物進(jìn)行測(cè)量和判斷 視覺(jué)技 術(shù)在工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 對(duì)提高生產(chǎn)效率 達(dá)到生產(chǎn)智能化的目的起著至關(guān) 重要的作用 14 而將機(jī)器視覺(jué)與碼垛機(jī)器人結(jié)合起來(lái) 使之具有人眼識(shí)別功能 對(duì)于保證 產(chǎn)品質(zhì)量 降低勞動(dòng)成本 優(yōu)化作業(yè)布局 提高生產(chǎn)效率 增長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)效益 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自 動(dòng)化等方面具有十分重要的意義 工件的識(shí)別與定位是機(jī)器人抓取碼垛的前提和基礎(chǔ) 其識(shí)別和定位的正確與否直接影 響到后續(xù)操作結(jié)果的準(zhǔn)確性 15 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別算法研究已經(jīng)從最初的實(shí)驗(yàn)室逐漸 走向?qū)嶋H應(yīng)用階段 16 例如 Zhu Jun chao 等研究了相關(guān)視覺(jué)處理算法 提出了一種區(qū)分 行人和車輛的識(shí)別算法 17 Wen Ying 等人 18 提出一種提出了一個(gè)新穎的陰影去除技術(shù)和字 符識(shí)別算法 該算法應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)的車牌識(shí)別 Xie F 等人 19 提出了一種改進(jìn)型細(xì) 化算法 該算法應(yīng)用于人體姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng) Noor A 等 16 介紹了一種對(duì)指紋模板形成和匹配 的自動(dòng)識(shí)別算法 該算法保持了很高的精度誤差錯(cuò)誤率不到 3 5 本文搭建了基于視覺(jué)的 碼垛系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái) 同時(shí)研究了相關(guān)的圖像處理算法 提出了多目標(biāo)分塊處理算法 基于 SIFT 和 HU 特征融合的單目視覺(jué)識(shí)別算法 兩者結(jié)合可以有效解決工件的識(shí)別問(wèn)題 3 設(shè)計(jì)方案 3 1 機(jī)器人組成構(gòu)造 本文以新松六自由度機(jī)械臂 S H6 工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ) 搭建了基于機(jī)器視覺(jué)的碼垛機(jī) 器人系統(tǒng)平臺(tái) 20 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 21 主要由工件放置模塊 攝像機(jī)模塊 視覺(jué)分揀模塊 機(jī)器 人 C 控制模塊和機(jī)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(tái)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(shí)別方法來(lái) 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(biāo) 方便于算法的實(shí)現(xiàn) 工件放置臺(tái)用于對(duì)工件進(jìn)行碼垛放置使用 攝像機(jī)模塊主要由 GM1400 千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī) 攝像機(jī)支架和光源組成 懸掛在支架 上的工業(yè)相機(jī)的作用是獲取試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)入工作區(qū)的工件圖像 光源采用白色 LED 面式光源 為相機(jī)采集圖像提供照明 其固定在工件的上方 用來(lái)消除工件自身的陰影 視覺(jué)分揀模塊由 PC 機(jī)和視覺(jué)軟件組成 主要是由視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)相機(jī)采集的圖像進(jìn)行 處理 識(shí)別出目標(biāo)種類 計(jì)算出工件的質(zhì)心坐標(biāo) 再根據(jù)圖像坐標(biāo)系和物體坐標(biāo)系的關(guān)系 計(jì)算出目標(biāo)的空間位置 之后將信息參數(shù)傳入控制柜 機(jī)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(duì)機(jī)器人進(jìn)行 參數(shù)的初始化設(shè)置和機(jī)器人位姿的控制 機(jī)器人控制柜 與計(jì)算機(jī)相連 接受來(lái)自計(jì)算機(jī) 的數(shù)據(jù)并控制工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行指定的動(dòng)作 負(fù)責(zé)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析 然后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān) 的操作 機(jī)械人碼垛模塊主要由機(jī)械臂和吸盤組成 23 機(jī)械臂 完成控制器對(duì)電機(jī)的相關(guān)運(yùn)動(dòng) 以方便控制機(jī)械手作業(yè) 吸盤 采用真空吸盤來(lái)完成對(duì)目標(biāo)的抓取和碼垛工作 3 2 碼垛實(shí)現(xiàn)流程 基于機(jī)器視覺(jué)的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的圖像處理流程如圖 2 所示 整個(gè)分揀流程從視覺(jué)算 法上分為四個(gè)部分 24 圖像預(yù)處理 目標(biāo)識(shí)別 目標(biāo)定位 分揀抓取 圖像預(yù)處理 將 圖像按照目標(biāo)分塊進(jìn)行處理 可以提高識(shí)別速率 目標(biāo)識(shí)別 25 首先采用 Hu 不變矩提取 全局特征 進(jìn)行粗略識(shí)別 然后采用 SIFT 算法進(jìn)行更準(zhǔn)確局部特征匹配 目標(biāo)定位 26 首先首先求取多凸目標(biāo)輪廓上的角點(diǎn) 然后用中心矩求取質(zhì)心坐標(biāo) 碼垛抓取 27 將工件 目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)和外接矩形輪廓特征通過(guò) S232 發(fā)送特征信息給機(jī)器人控制柜 從而控制機(jī) 器人的吸盤機(jī)械手進(jìn)行抓取碼垛操作 碼垛方式采用逐層碼垛 28 圖 2 視覺(jué)流程圖 4 總結(jié) 本文先綜述了碼垛機(jī)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(jī)器視覺(jué)的碼 垛機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 首先采用目標(biāo)分塊的方法減少后續(xù)識(shí)別算法的大范圍掃描所帶來(lái) 的識(shí)別時(shí)間上的浪費(fèi) 其次采用圖像幾何不變矩對(duì)工件圖像進(jìn)行快速粗略檢測(cè) 大大提高 了識(shí)別效率 最后運(yùn)用 SIFT 特征對(duì)局部特征進(jìn)行識(shí)別匹配 運(yùn)用中心矩計(jì)算工件質(zhì)心坐標(biāo) 以引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確的完成抓取工作 抓取后對(duì)工件進(jìn)行分類碼垛 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效的解決 了人工碼垛的負(fù)載量低 吞吐量小 勞動(dòng)成本高 搬運(yùn)效率低等一系列問(wèn)題 提高了勞動(dòng) 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(xiàn) 1 李婷 柳寧 基于機(jī)器視覺(jué)的圓定位技術(shù)研究 J 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 2012 9 153 156 2 胡洪國(guó) 高建華 楊汝清 碼垛技術(shù)綜述 J 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù) 2000 6 7 9 3 李中生 機(jī)器視覺(jué)在機(jī)器人碼垛系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 D 沈陽(yáng) 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信號(hào)與 信息處理學(xué)院 2014 4 李曉剛 劉晉浩 碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 問(wèn)題及對(duì)策 J 包裝工程 2011 02 10 5 孫立寧 機(jī)器人技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r J 國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù) 2002 4 29 41 6 陳愛(ài)珍 日本工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 J 機(jī)械工程師 2008 7 8 10 7 Connolly C KUKA robotics open architecture allows wireless control J 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