基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手

任 彬，張中然，張無極，馮 彪，高 翔，王洪旭，高 松，方 輝

(1.哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300; 2.浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310058)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，產品包裝的外觀越來越受到重視。紙盒包裝因其成本低廉、外觀靚麗一直在商品外包裝方面占有很大的市場份額；另外紙盒包裝還具有無毒無害、便于回收再利用、能自身降解、資源可再生、加工性能好、易于印刷、適應大生產等優點。在紙盒包裝制作的過程中要將紙盒側壁與底面用膠水粘貼起來，但紙盒包裝的形狀變化多，且尺寸較大，人工點膠存在勞動強度大、效率低等問題，正逐漸被自動點膠機取代[1-2]。

本文針對紙盒包裝在傳送帶運行過程中出現的位置誤差問題進行研究，開發了基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手，利用工業相機進行圖像處理，從而實現了在線無夾具點膠。

1 基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手系統設計

1.1 總體設計

基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手由工控機、下位機控制單元、工業相機、點膠機器人執行機構、傳送帶、點膠針頭組成，其結構如圖1所示。利用工業相機對紙盒進行拍照，將拍照后的圖片傳送至上位機進行圖像處理[3]，得到形狀尺寸坐標值；然后根據操作者設置參數進行處理，將控制信號發送到下位機控制單元，控制執行機構電機進行相應動作。該平臺可以有效地解決紙盒包裝在傳輸帶運行過程中出現的位置偏差，使流水線無人點膠作業成為可能。

1.2 下位機控制單元設計

下位機控制單元主要由單片機系統構成，采用STC89C52RC作為主控芯片，包括最小系統部分、EEPROM存儲模塊、矩陣鍵盤模塊、顯示模塊、接近開關傳感器模塊以及電機，如圖2所示。該部分主要控制點膠機三個直線坐標軸之間的相互協調運動，完成快速點定位控制、兩軸之間的插補運動以及三軸之間的聯合運動[4]。

圖1 基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手系統組成

圖2 下位機控制單元電路原理簡圖

2 控制系統算法設計

控制器是點膠機的核心，本文運用逐點比較法對上位機發出的尺寸坐標值進行兩軸插補運動，主要模擬插補的軌跡有方形、圓形、帶有倒圓角的方形等。在此基礎上搭配了工業相機，利用工控機對獲取的圖片進行濾波、去噪等預處理操作，并且運用Harris角點檢測算法進行特征點拾取，用特征點定位取代傳統的邊定位，以解決紙盒包裝在傳輸帶運行過程中出現的位置誤差以及在線無夾具點膠問題。

2.1 圖像處理算法

本文檢測的紙盒外形主要為矩形，對于矩形信息的檢測，大部分都轉化成直線信息檢測，而目前檢測直線最常用的圖像處理算法是Hough變換[5]。雖然Hough變換在直線檢測中發揮了很大作用，但也出現了很多問題，如運算量大、檢測效率低、精度不高等，因此本文采用了Harris角點檢測算法。根據本文所設計的點膠任務以及所檢測到的紙盒包裝外形，確定的圖像處理算法流程如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

該算法思想是建立一個微小的矩形窗口即高斯窗口，在預處理后的圖片上進行窗口移動。將移動后小窗口內的灰度平均值與移動前小窗口內的灰度平均值進行比較，如果變化值大于設定的數值，即該小窗口內有角點，也是本文所提取的角點坐標。設以像素點(x,y)為中心的小窗口在X軸方向上移動u，Y軸方向上移動v，則窗口內產生的灰度變化表達式為：

Ex,y=∑wx,y(Ix+u,y+v-Ix,y)2=

(1)

式(1)簡化后為：

Ex,y=∑wx,y[u2(Ix)2+v2(Iy)2+2uvIxIy]=
Au2+2Cuv+Bv2.

(2)

其中：Ix為Ix，y對x的偏導數；Iy為Ix，y對y的偏導數；A=(Ix)2?wx,y；B=(Iy)2?wx,y；C=(IxIy)?wx,y。

將Ex,y化為二次型有：

(3)

實對稱矩陣M為：

(4)

因此分析實對稱矩陣M的兩個特征值即可判斷是否有角點，但為了簡化分析，定義角點響應函數為：

R=det(M)-k·trace2(M).

(5)

其中：det(M)表示矩陣M的行列式；trace(M)表示矩陣的跡；k為常數，一般為0.04。

當目標像素點的R值大于給定的閾值時，該像素點即為角點。如果圖像區域里的灰度值恒定，沒有角點，則往任何方向移動其灰度值都不會有任何大的變化，如圖4(a)所示；如果圖像區域有一條直線，則窗口只有沿著直線的方向移動，其灰度值無任何變化，但沿著直線垂直的方向移動灰度值會有很大的變化，如圖4(b)所示；如果微小窗口內包含一個角點，則窗口無論往哪個方向移動，其窗口內的灰度值都會發生很大的變化，如圖4(c)所示。

圖4 圖像區域信息

圖5為本文運用的Harris角點檢測算法檢測到的角點。把提取到的邊緣角點坐標往里收縮一定的距離，從而進行點膠，如圖6所示。

圖5 Harris算法檢測到的角點圖6點膠軌跡模擬圖

2.2 插補算法

本文對根據圖像處理得到的角點坐標運用逐點比較法實現基于單片機的軌跡插補。假設點膠的一個直線線段為AB，取該直線的起點坐標值為A(X0,Y0)，終點坐標值為B(Xe,Ye),點Pi(Xi,Yi)為點膠軌跡的其中一個點[6]，如圖7所示。若Pi點在直線段AB上，則方程可表示為：

圖7 直線插補軌跡

(6)

Yi(Xe-X0)-Xi(Ye-Y0)-XeY0+X0Ye=0.

(7)

現定義Pi點的偏差判別函數為：

Fi=Yi(Xe-X0)-Xi(Ye-Y0)-XeY0+X0Ye.

(8)

若Fi=0，則表明點Pi在AB直線上；若Fi>0，則表明點Pi在AB直線的上方，即Pi′處；若Fi<0，則表明點Pi在AB直線的下方，即Pi″處。

由此可得出其插補原理是從直線的起點開始計算，首先要進行偏差判別，如果偏差Fi≥0，沿著X軸的正方向走一步，之后要進行下一步的偏差計算；如果偏差Fi<0時，沿著Y軸的正方向走一步，之后進行下一步的偏差計算；當兩軸走的步數分別與終點坐標相等時，則插補結束[7]。

3 點膠機實驗平臺功能測試

為了驗證點膠機控制系統的基本功能搭建了實驗平臺，如圖8所示。該平臺由傳送帶完成紙板的運輸，根據視覺檢測結果由三坐標機械手進行點膠生產過程的軌跡模擬。系統可對圓形以及帶圓角方形等點膠軌跡進行編程控制。

圖8 點膠機實驗平臺

4 結語

為了解決紙盒包裝在人工點膠中所出現的問題從而代替人工點膠，本文針對紙盒包裝設計了基于視覺識別的點膠用直角坐標機械手，利用工業相機對目標進行位姿檢測，通過驅動直角坐標機械手完成點膠過程，實現了流水線機械手自動點膠作業，提高了點膠效率。最后通過搭建實驗平臺進行了測試，證明了系統的有效性。