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物理程序25（2012）1955 - 1965
2012 固体器件与材料科学国际会议
基于机器视觉导引的高速分拣系统设计与开发
WenChang Zhang，JiangPing Mie，YaFu Ding
摘要
本文提出了一种基于视觉的控制策略，用于在自动化产品线上执行高速拾放任务，并开发相关的控制软件。 使用Delta机器人控制吸盘从一个移动的传送带上抓取无序物体，然后将它们放置在另一个上。每次传送带移动一段距离时，CCD摄像头都会获得一张照片。图像处理后得到物体的位置以及形状。使用基于“伺服电机 同步输送机”的目标跟踪方法来实现实时的高速移植操作。在Delta机器人分拣系统上进行的实验证明了所提出的视觉控制策略的效率以及有效性。
关键词 - 自动生产线，机器视觉，目标跟踪，Delta机器人
1. 介绍
作为一项综合性技术，机器视觉已被广泛应用于各个领域[1] [2]，其中包括为确保现代工业制造竞争力做出重大贡献的工业领域[3]。在自动分拣线上，机器视觉用于检测以及跟踪移动目标，并指导分拣机器人完成分拣任务。有关目标识别以及动态目标跟踪的工作很多。Wiehman W 设计了一种能够用移动摄像头及时识别物体的计算机设备[4]。张先生用动态视觉反馈以约300mm/s的速度实现了移动输送机上的抓取任务[5]。Allen设计了一个立体视觉系统，以250mm/s的速度跟踪移动目标[6]。Wilson利用相对姿态的卡尔曼滤波估计实现了机器人的视觉伺服控制[7]。Fu-Cheng You [8]提出了一种结合专业机器视觉软件平台以及当前开发工具VC 的系统，以识别以及整理机械零件生产线，大大提高了系统的开发效率以及运行速度。Dong xia [9]提出了一种基于帧间差分法的运动目标检测方法，仅使用视觉感知作为输入。
机器视觉是一项综合技术，包括图像处理、机械工程技术、控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术(图像增强和分析算法、图像卡、 I/O卡等)。一个典型的机器视觉应用系统包括图像捕捉、光源系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块。
机器视觉系统最基本的特点就是提高生产的灵活性和自动化程度。在一些不适于人工作业的危险工作环境或者人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉。同时，在大批量重复性工业生产过程中，用机器视觉检测方法可以大大提高生产的效率和自动化程度。
基于以前的研究，我们提出了一种基于视觉的控制策略，以在三角机器人上执行高速拾放任务，以控制吸盘从一个移动传送带上抓取无序物体，然后将它们依次放置在另一个移动传送带上。整个控制系统是由视觉模块以及运动控制模块组成。前者获取移动传送带上物体的位置以及形状。后者控制机器人智能地完成分拣任务。机器人能否正确掌握目标取决于机器视觉系统的核心-图像处理以及目标跟踪。是由于计算复杂性的原因，很难实时实现机器人的拾放操作，特别是当系统高速运行时。”伺服电机 同步输送机”用于辅助视觉系统解决这个问题。每次传送带移动一段距离时，CCD摄像头都会获得一张照片。通过图像处理方法获得物体的位置以及形状。物体的实时位置取决于传送带移动时的速度。然后计算输送机的速度，并根据三角机器人的速度计算物体的拾取位置。 Labview被选作开发环境，并开发了视觉引导控制软件。
2. 系统结构
如图1所示，Delta机器人是一种高速，高精度的三自是由度并联机构，用于拾放操作。它在空间实现了plusmn;0.01mm的重复定位精度，并且可以执行超过120次/分钟的拾放操作。两台输送机用于物料输送。CCD摄像机固定在传送带上方，无序物体来自传送带。Delta机器人从中挑选出无序的物体，并根据机器视觉将它们放置在传送带上。
CCD相机
Delta机器人
输送机c 输送机C
图1.系统结构
视觉模块是由计算机，图像采集卡以及CCD摄像头组成。运动控制模块是由计算机，运动控制卡，伺服驱动器以及电机组成。视觉模块以及运动控制模块之间的通讯通过计算机实现。
运动模块
视觉模块
图2.整个控制系统
视觉系统用于获取系统运动控制的对象信息。选择UNIQ UP680CL Channel Link数码相机作为视觉输入设备。这一款摄像机采用数码单色单元，具有（6.8mmtimes;4.8mm）CCD以及659times;494像素的分辨率。相机以及传送带的垂直距离为600mm，视野约为280times;180mm。选择NI PCI-1428 Camera Link图像采集卡，并使用视觉开发模块IMAQ-Vision。运动控制模块基于提供64kB缓冲区的NI PCI-7356运动控制卡。在轮廓控制模式下，电机每10000个脉冲旋转一圈。计算机白色轨迹指向缓冲区，运动控制卡从缓冲区读取数据并可以实时驱动电机。
3. 机器视觉系统
3.1 图像采集以及处理
数字图像采集处理主要有真彩色、伪彩色和调配色图像三种深度与色彩的映射关系。数字图像采集处理设备主要有多路视频PCI-E图像采集卡MV-E8000、MV-300专业图像采集卡、MV-350医疗专用高清图，在真实图像获取系统中，图像形成，传输以及接收过程中图像质量变差。获取有效信息是困难的。图像处理用于使计算机轻松分析以及识别目标图像。在这个系统中，计算机视觉系统被用来识别不同的环，图像处理结束了图像预处理以及图像分割。在图像处理后图像变为二值图像，1的区域表示目标对象，0表示背景。
在二值图像中，对象区域可以很容易地定义为对象边界所围绕的像素数量，并且与其自身的大小相关。定义目标（ptimes;q）图像矩阵[7]
其中M和N表示目标区域的长度以及宽度。意味着像素值为0或1。用于计算的公式是：
目标对象的质心是
图3显示了Labview软件的图像采集以及图像处理程序。 利用Labview软件的校准程序，得到了物体在世界坐标系中的坐标。
图3.机器视觉模块
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- 动态目标跟踪
视觉跟踪是指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得运动目标的运动参数，如位置、速度、加速度和运动轨迹等，从而进行下一步的处理与分析，实现对运动目标的行为理解，以完成更高一级的检测任务。在实际的目标跟踪系统中，摄像头可以是固定在某个位置，不发生变化，也可以是运动，不固定的。例如，对于大多数的视频监视系统而言，都是在摄像机静止状态下，对特定关注区域进目标的识别跟踪；而在视觉导航等的应用系统中，摄像头往往随着无人汽车、无人机等载体进行运动。
比较常用的目标跟踪算法有以下几种：基于目标运动特征的跟踪算法，如：帧差分法、基于光流的跟踪方法等；基于视频序列前后相关性的目标跟踪算法，如：基于模板的相关跟踪算法、基于特征点的相关跟踪算法等；基于目标特征参数的跟踪算法，如基于轮廓的跟踪算法、基于特征点的跟踪算法等。另外，很多研究者将小波、人工智能、神经网络等相关知识应用于目标跟踪领域，并取得了很好的效果。以上这些算法各有其优缺点，应该根据应用场合进行选择。
为了实现机器人的实时高速取放操作，使用“伺服电机 同步传送机”来辅助视觉系统。 通过图像处理，我们可以在获取图像时获取对象的信息。 输送机是由伺服电机控制，其位置脉冲可以及时从码盘读取。 所以伺服电机位置脉冲参数可以用于物体随输送机运动时实时跟踪动态物体。 通过此参数，可将对象记录为(x,y,A,c) T，并随着传送带的移动，对象的位置是
c是伺服马达实时码盘，是传送器每个脉冲移动的长度。
为了减少计算机负荷并且不会遗漏目标，每当传送带移动一段距离ds时，CCD摄像机就会得到一张照片
其中M是传送带方向上摄像机视野的长度，M是物体的最大长度。用于避免丢失物体。最后，比较这张图片中的物体以及图像中的物体，删除重复对象，如图4所示。这一种对象跟踪策略不仅可以大大减少计算量，并且还可以实时地完成高速排序操作。
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- 三个连续的图像
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- 终端结果
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图4.动态目标识别策略
4. 排序控制策略
4.1 Delta机器人的控制策略
在工业应用中，高速排序机器人一般情况下会运行一个如图5所示的“门”路径。图5中(虚线)包括三条线段P1P2（S1），P2P3（S2），P3P4（S3）以及他们的加速度如方程（6）所示。为了提高机器人的效率，第二个状态从P5开始，以及第三个状态从P7开始。然后机器人在第一个状态结束时运行到P6，并在第二个状态结束时运行到P8，第二状态是图中实线所示，P5是P1P2的中间点，P8是P3P4的中间点。
图5. 机器人运行路径
Vmax表示机器人的最大加速度，T是机器人完成一个周期的总时间。运行一个线段，那么机器人从V1 运行到V2所使用的时间是
其中，时间T可由以下计算公式得出
4.2 输送机的速度
输送机设备是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机设备。输送机设备可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。
固定式输送机设备应按规定的安装方法安装在固定的基础上。移动式输送机设备正式运行前应将轮子用三角木楔住或用制动器刹住。以免工作中发生走动，有多台输送机设备平行作业时，机与机之间，机与墙之间应有一米的通道。输送机设备使用前须检查各运转部分、胶带搭扣和承载装置是否正常，防护设备是否齐全。胶带的涨紧度须在启动前调整到合适的程度。
在自动分拣线上，传送带上的物体具有不同的密度。当密度较低时，传送带应该移动得更快，而当密度较高时传送带应该更快地适应分拣机器人的工作周期，以达到更高的分拣效率，并确保不会留下任何物体。下一个采摘对象的位置用于规划输送机的输送速度，如图5所示。
图5.输送机的速度控制
输送机的最大速度是v最大，（x最小，x最大）是系统的运行空间（取决于机器人的工作空间）。而机器人的下一个拾取对象的位置是（x，y），当机器人开始移动，vt是此刻输送机的速度。 然后在机器人的运动过程中，传送带以一定的速度移动：
为了减少对传送带速度变化对系统的影响，正弦规则被用于传送带的速度变化的过程，传送带的最大加速度是amax，它在一段时间内从一直变化（从V1至V2），所以，在这段时间内，传送带的加速度为：
由此可知，所以：
4.3 选择位置计算
随着传送带沿x轴方向移动，物体的实时位置为：
其中（Xn，Yn）是机器人开始抓住时目标的位置坐标，v是输送机的速度。联立方程（7）以及方程（11）可得：
方程式（12）太复杂而不能直接解决，牛顿的二分法就是在这里使用的。 图6显示了方程（7）以及方程（11）的曲线走势：
图6.等式 （7）以及方程 （11）
构造函数如下：
根据以上方程式，当方程式（12）变为F（x）=0，存在4种理论解决方案，但在操作空间中，根据图6有三种情况：
- 只有一种解决方案，且x lt; x0
- 有两种解决方案，并且x1 lt; x0 , x2 gt; x0
- 只有一个解决方案，x gt; x0
当情况2发生时，使用第一种解决方案以提高系统的效率，定义一个微小函数为
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