题目：基于机器视觉定位拾取的工业机器人码垛设计

一、项目介绍

摘 要
随着制造业向智能化、柔性化方向加速转型，传统依赖固定路径的工业机器人码垛方式已无法满足物料位置随机、产品换线频繁的生产需求。本文针对传送带上物料位置不确定、码垛作业需要动态适应的问题，设计了一套基于机器视觉定位拾取的工业机器人码垛系统。系统以ABB工业机器人为核心执行单元，集成机器视觉系统实现物料的实时识别与定位，以PLC作为主控单元完成系统流程调度，通过Profinet工业以太网实现各设备间的实时通信与协同控制。本文首先分析了视觉引导机器人码垛系统的功能需求，提出了系统总体架构方案；其次，完成了视觉定位算法设计，包括相机标定、图像处理与坐标变换；然后，利用RobotStudio仿真软件构建了虚拟工作站，完成了机器人抓取与码垛轨迹的离线编程与仿真验证；最后，设计了以PLC为核心的协同控制逻辑及HMI人机交互界面。仿真结果表明，该系统能够实现对传送带上随机位置物料的动态识别与抓取，并按照预设码垛模式完成自动码垛作业，验证了技术方案的可行性与有效性。本文的研究为柔性生产线中智能码垛工作站的工程部署提供了可参考的技术路径。
【关键词】机器视觉；工业机器人；码垛；PLC；RobotStudio；Profinet

主要研究内容
本课题主要的研究内容就是设计出一个基于机器视觉的智能码垛集成系统，然后进行仿真验证。具体有视觉定位技术研究和实现。视觉系统属于系统的感知层，主要对传送带上物料位置进行获取。本文主要研究内容为选择和参数设置工业相机、图像采集与预处理、物料识别与定位算法设计以及相机和机器人之间的手眼标定。经过视觉处理，从图像中得到物料在图像坐标系中的位置，然后进行坐标变换，将目标位置转换到机器人可使用的基坐标系中，给机器人抓取提供准确的目标位置信息。
根据视觉系统得到的目标坐标来编写ABB机器人RAPID程序，从而达到动态抓取和准确放大的整个作业过程。抓取部分要完成传送带物料到达检测、抓取点计算、吸盘工具控制等环节；放置部分要按照码垛规划，把物料堆叠成一定高度、一定排列顺序的托盘。用RobotStudio软件创建包含机器人、传送带、视觉相机和码垛区的虚拟工作站，对机器人的运动轨迹做离线编程并仿真优化，使运动过程高效又不发生碰撞。
采用以PLC为主控制架构，用Profinet工业以太网来完成视觉系统、机器人控制器、传送带驱动器以及HMI触摸屏之间数据实时交换及逻辑同步。PLC对整个工作站的流程进行调度，即传送带启停控制、视觉触发信号发送、机器人抓取完成信号接收、码垛计数和托盘更换判断。另外还要开发HMI人机界面，可以对系统的运行状态进行实时监控、对参数进行设定、对报警进行显示以及进行手动操作。
利用虚拟环境完成系统联调测试，在其中重现了视觉识别、机器人抓取和码垛放样的全部自动运转过程。检验视觉定位是否准确，机器人的运动轨迹是否合理，系统的通信是否实时，控制逻辑是否正确。根据仿真过程中出现的问题来调整参数，修正程序，得到一套可以落地实施、具有较强灵活性的智能码垛系统。

系统功能需求分析
本课题所设计的以机器视觉定位拾取为基础的工业机器人码垛系统必须具备物料自动识别和定位的功能。系统应该可以自动检测传送带上是否有物料到达，对物料进行实时识别和位置测量。当物料随着传送带运动到机器人工作范围内的时候，视觉系统需要快速地对图像进行采集、处理，准确地计算出物料在空间中的位置坐标，再将坐标数据传送给机器人控制器。视觉定位精度要达到机器人的抓取要求，位置误差不能大于规定范围。
机器人接收到视觉系统给出的目标坐标之后，应当规划出一条合理的抓取路径，使得末端执行器能够到达抓取点的位置，并且开始执行吸盘的抓取动作，将物料从传送带上传送到指定位置。抓取时要兼顾机器人运动和传送带运动，保证抓取时物料与机器人末端执行器的相对位置准确。
机器人抓取的物料之后要放到托盘上指定的位置。码垛的垛型要按照事先确定的排列方式和层数来进行堆叠。系统要具备码垛计数功能，对每层放置的物料数量及当前码垛层数进行统计，根据计数结果判定下一层物料应该堆放的位置。当一层放满之后会自动移动到下一层的放置位置，整个托盘码垛结束后系统要发出提示信号，等托盘被取出之后再重新开始计数并进行下一个托盘的码垛工作。
整个工作站包含视觉系统、机器人、传送带、吸盘等很多个设备单元，各个单元之间要按一定的顺序进行工作。视觉系统要根据合适的时机启动图像采集，机器人要根据物料到达的位置执行抓取动作，传送带要在机器人抓取的同时停止或者保持同步运动。这些协调工作应该由PLC作为主控单元来统一调度。
系统应该设有操作界面对操作人员进行监控系统运行状况、查看产量统计信息、设定码垛参数、处理报警信息以及在需要的时候做手动干预。界面应该直观易用，减小操作的难度。

系统总体架构
根据上面的功能需求分析可知，本文所设计的视觉引导机器人码垛系统是由感知层、决策控制层和执行层三部分构成。
感知层使用机器视觉系统，可以得到环境信息。视觉系统是由工业相机、镜头、光源、图像处理软件组成的。工业相机安在传送带的上方适当的地方，镜头视野范围包含机器人抓取区。光源可以产生稳定的、均匀的光照，从而减小环境光引起的图像质量下降。图像处理软件运行在工控机上，对采集到的图像进行处理分析，得到物料的位置信息。
决策控制层主要用PLC为主，再加上机器人控制器、HMI触摸屏等。PLC是整个系统的主要控制单元，它接收感知层提供的各种信息，在一定的控制逻辑下对它们进行处理并给出控制信号。PLC接到视觉系统识别出的物料坐标后，判断该物料是否在机器人抓取范围内，控制传送带的启停，向机器人发出抓取指令以及放置位置信息，接收到机器人完成信号后对码垛数量及垛型进行管理。机器人控制器根据PLC发出的命令控制机器人本体按照所规划好的路线运动。HMI触摸屏属于人机界面设备，供操作人员对系统运行状况进行观察并更改参数，也可对出现的异常情况做出应对。
执行机构为机器人本体、末端吸盘工具和传送带电机。机器人本体依照控制器的指令进行空间运动，末端吸盘从事物料的抓取与释放工作，传送带将物料送入到抓取位置。各个执行单元在决策控制层的协调下一起工作。
各层之间用工业以太网来通讯。本系统使用profinet协议实现PLC、机器人控制器、视觉工控机、HMI之间数据的实时传输。Profinet属于一种开放的工业以太网标准，具备较好的实时性、良好的兼容性以及较为灵活的配置方式，可以满足本系统对于通信实时性以及可靠性的需求。

二、文档介绍

ABB机器人选型与配置
本系统使用ABB工业机器人作为执行单元来完成物料的抓取以及码垛的放置。ABB是世界领先工业机器人供应商，产品稳定、控制精确，配合RobotStudio仿真软件可以大大提高系统的设计和调试的效率。
根据本系统应用要求选择负载能力、工作半径、精度指标合适的机器人型号。本系统中的物料为规则工件，单件重量约为2kg，末端吸盘工具以及连接件大约1kg，所以机器人负载能力要达到3kg以上。码垛作业堆叠高度为1m，机器人抓取点、放置点在以基座为中心半径1.2m的范围内，所以需要机器人工作半径大于1.2m。综合考虑选择ABB IRB 1200型机器人，该型号负载能力为5-9kg，工作半径有700mm和900mm两种规格，选择900mm规格可以满足本系统作业范围的要求。IRB 1200速度高、精度好，是物料搬运和装配专用。
机器人控制器选择与IRB 1200配套的OmniCore控制器。OmniCore是ABB新一代统一控制平台，相比上一代系统能耗最高可以下降20%以上，并且提供更好的运动控制以及路径精度。控制器要具备基本的软件选项，包含基本运动控制软件、I/O接口软件和Profinet通信协议软件等，以供同PLC之间进行数据交换。另外还要配吸盘控制相关的I/O点，对真空发生器的启停以及检测物料吸附情况作出控制。
总结
本文根据柔性制造环境对码垛作业智能化、适应性的要求，设计出一套以机器视觉定位拾取的工业机器人码垛系统。完成系统的总体方案设计。对系统的功能需求进行分析，提出感知层、决策控制层、执行层三层系统的结构，并且对系统各个层次的功能做了阐述以及上下级之间相互之间的关系。设计出系统的自动工作流程，详细地对物料检测、视觉定位、机器人抓取、码垛放置等过程进行控制。整体布局图给出了各个设备的空间位置关系。
完成了机器视觉定位系统的设计。对相机、镜头、光源、工控机等硬件选型进行视觉系统硬件分析。设计出相机内参标定以及手眼标定的方法，得到图像坐标与机器人坐标的精确转换关系。开发了图像处理与定位算法，包含图像预处理、目标分割、特征提取、坐标计算四个过程，可以实现传送带上的物料实时识别与定位。
完成机器人的码垛系统设计。选择ABB IRB 1200型机器人及其配套控制器，并对末端吸盘工具进行了设计，即吸盘、真空发生器和真空压力开关的选择及机械接口的设计。规划了机器人抓取轨迹、放置轨迹，用三段式轨迹方案保证运动的平稳性、安全性。设计了码垛垛型以及层数的确定，提出了计数器进行放置点计算的方法。设计了运输系统，包括传送带选型、光电传感器布置、启停控制。利用吸盘工作状态图、放置工作场景图以及运输场景图对机器人作业过程进行形象的展示。
完成了控制系统的集成以及仿真。设计了以PLC为主控器的控制逻辑，有I/O点分配、梯形图程序模块等。设计出码垛计数以及托盘管理的方案，计数器的设置、放置位置的计算、托盘满处理的逻辑等都包含在内。设置了Profinet通信网络，使PLC、机器人以及视觉系统之间可以进行实时的数据交换。设计了HMI人机界面，有完整的监控、操作功能。用RobotStudio建立了虚拟工作站，仿真验证了系统的可行性，对运动参数进行优化。
经过上述的工作，得到一套完整的视觉引导机器人码垛系统设计方案，此设计方案具备较强的柔性和适应性，可以应对传送带上的随机物料，可以实现垛型的灵活配置，给工程实际使用提供一定的技术参考。