面向工程机械领域的视觉引导重载桁架智能分拣控制系统

王国军

摘要：近年来，随着自动化、信息化、数字化技术在有色冶炼、钢铁冶金和工程机械等行业中的不断发展和广泛应用，智能制造逐渐成为一种趋势。在制造业的物流输送环节中，分拣是一个热门话题，关于分拣机器人、桁架机器人和相关算法的研究众多。在工程机械领域，对于切割后的钢板零件分拣，传统的人工分拣效率低且劳动强度大。通用工业机器人的臂展、载荷有限，一般仅用于小零件的分拣，对于一些超大件已不适用。重载桁架为龙门式结构，可根据最大零件设计有效行程和最大载荷，还可根据分拣工位的实际情况灵活配置各种类型的抓手。

关键词：工程机械；重载桁架；智能分拣；控制系统；

引言

随着人工智能制造技术的不断成熟，AI机械臂在制造业生产中扮演着越来越重要的角色。分拣机械臂已经开始用于物流包裹分拣业务中，它能代替工人对流水线上的包裹进行分拣。传统分拣机械臂采用示教或离线编程来规划抓取方向和运动路径，虽然能完成分拣作业，但对包裹的摆放位置和大小要求较严格，很容易导致机械臂抓取包裹失败。而基于机器视觉的分拣机械臂支持示教再现、脚本控制、Blockly图形化编程、激光雕刻、3D打印、视觉识别等功能，灵活应用于智能分拣、电路板焊接等自动化生产线，让它既可以成为轻人工智能用户中解决实际问题的利剑，也可以成为创客用户想象力的承载平台，具有灵活性高、分拣稳定等优势，弥补了传统分拣机械臂的不足。根据国内的轻人工智能市场需求，研究基于机器视觉的物品分拣系统，具有一定的应用价值和现实意义。

1研究背景

工业机器人智能分拣工作站的设计。在工业流水线系统当中，分拣作业是非常重要的一个环节，分拣效率会直接影响到整个生产系统的实际效果。之前工业流水线中采用的是人工分拣的方式，人工分拣存在着一个非常显著的问题，那就是分拣过程中很容易出现操作失误，而且会在很大程度上影响到整个生产系统的实际效率。随着工业机器人技术的逐渐成熟，工业机器人开始运用与分拣作业中。工业机器人智能分拣工作站是工业流水线操作领域的一项重要技术创新与突破。目前，基于ROBOGUIDE的工业机器人已经逐步被应用到具体分拣工作当中，大大提高了分拣的智能化水平和效率。工业机器人智能分拣工作对生产线进行了合理优化和配置，这对于降低设备投资风险也有着非常大的帮助作用。实际上工业机器人对于一些工业企业来说依然是比较昂贵的设备投入，工业机器人的全方位普及还需要历经一个比较漫长的时间段。目前比较受关注的一个领域是仿真系统，在仿真系统当中企业可以不需要投入太多的实际成本和资源来现行进行试验，再根据实验效果来决定是否引进工业机器人，如此一来便可以在一定程度上保证实际投入成本的回报率，也能够为工业机器人分拣工作站可行性提供理论依据和试验平台。

2系统设计

本文设计的重载桁架智能分拣控制系统包括视觉系统和桁架控制系统。视觉系统由工业相机及光源、视觉软件及工控机组成;桁架控制系统由伺服驱动单元、抓手控制单元、主控制器组成，其中抓手控制单元采用矩阵式电永磁结构。整体的控制逻辑如下:车间中控服务器是桁架智能分拣控制系统的上级控制源，将钢板切割零件的排图解析数据发送给视觉系统，同时接收视觉系统的反馈信息，并实时采集桁架系统的多种数据，如设备运行状态、报警参数等。视觉系统向桁架控制器发送执行任务数据，包括拍照点坐标、抓取点坐标、联动模式、磁吸点配置、放置点坐标等，桁架控制器根据控制逻辑依次执行单个零件的分拣任务，任务完成后向视觉系统反馈信息，其中安全防护检测模块为桁架运行提供实时保护检测。

3硬件系统

3.1RFID模块

RFID模块主要由通信模块、标签模块、RFID读写器以及天线等部分组成。其中，通信模块主要用于系统的通信，RFID利用该模块和PLC实现串口通信。标签模块主要用来对数据信息进行存储，天线模块则用于传递射频信号。RFID读写器搭配通信模块可以实现对数据信息的输入及读取。

3.2PLC控制器

目前，仓储物流自动分拣系统使用的主流控制方式有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。相较于继电器控制，PLC控制系统是一种具有稳定性高、操作简便等优点的优良操作系统.。自动分拣系统对于物品的出库、传送以及纠正控制由PLC控制器和各个功能不同的元器件配合实现，而对于物品图像模板的生成、识别以及分拣则由RFID模块、视觉模块以及机器人系统相互配合来实现的。其中，PLC控制器、机器人系统、视觉模块以及RFID模块利用以太网络完成相互间的数据信息传递。

4系统软件设计

1）语音人脸模块：该模块会搭建一个语音客户端，并使用百度云的语音识别服务，它可以识别使用者的身份信息，并且作为客户端登录PLC服务端，下发语音指令，该模块中尤其需要注意的是调用百度云智能语音的三个key，否则很容易出现报错。2）图像识别：该模块是借助MVS相机进行图像识别训练，对所有的物料进行“记忆”，通过每样100张在不同光源和环境的训练下形成对应的精确训练模型文件，用来提高该物品的识别精准度。3）PLC客户端：该模块作为“中介”存在，将由语音人脸发送过来的电信号处理后转发给协作机械臂。4）协作机械臂：该模块作为执行单元，在接收PLC客户端处理后的信息后，驱动伺服传送带和空压机运行相对应的运动路线，完成精确分拣物品的任务。

5分拣任务的执行流程

Step1:桁架系统进行状态自诊断，设备就绪后向视觉系统写命令编号1;Step2:视觉系统收到命令编号1后发送拍照点坐标;Step3:桁架系统控制抓手运动至拍照点，相机触发2两次拍照;Step4:视觉系统计算抓取点坐标和磁吸配置，发送给桁架控制器;Step5:通过防干涉判断后，桁架系统按视觉引导执行抓取、放件动作;Step6:抓放任务完成后，桁架系统向视觉系统写命令编号3，否则写4，放弃当前任务，然后桁架系统回到零点，等待下个任务。桁架系统HMI界面如图1所示，该界面展示了自动模式下桁架系统各轴实时位置、视觉引导下的各轴目标坐标、命令编号和磁吸配置等参数，其他未展示界面还包括手动操作界面、基准参数标定界面、异常处理界面等。

图1桁架控制HMI自动参数界面

结束语

针对工程机械行业对新型智能分拣控制系统的迫切需求，本文研制了基于视觉引导的重载桁架智能分拣控制系统，通过在生产现场的实际运行测试验证，该控制系统有效提高了生产效率，极大降低了劳动强度，并将分拣设备和车间信息系统打通，实现了生产状态的实时监控，使智能化下料分拣线的雏形初现。目前，该智能分拣控制系统采用零件混放策略，在工序上可能需要二次混拣。因此，后续将重点研究多种类零件码放优化策略。

参考文献

［1］田志勇，裘信国.基于PLC与RFID的物流自动分拣系统设计［J］.现代制造工程，2020（3）：157-160.

［2］苏丽军.基于PLC控制的双向滑块式物流分拣系统研究［J］.吉林工程技术师范学院学报，2020，36（2）：92-96.

[3]孟明辉,周传德,陈礼彬,等.人工智能机械臂的研发及应用综述[J].上海交通大学学报,2016,50(S1):98-101.

[4]朱良.机器视觉在工业机器人抓取技术中的应用[D].北京:中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所),2016.

[5]徐青青.基于机器视觉的工业机器人智能分拣系统设计[J].仪表技术与传感器,2019(08):92-95+100.