基于機(jī)器視覺(jué)的delta機(jī)器人分揀系統(tǒng)算法資料

1、第38卷第1期2016年1月機(jī)器人ROBOTVol.38No.1Jan.2016DOI：10.13973ki.robot.2016.0049基于機(jī)器視覺(jué)的Delta機(jī)器人分揀系統(tǒng)算法倪鶴鵬12，劉亞男12，張承瑞12，王云飛12，夏飛虎12，邱正師12（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）摘要：針對(duì)分揀過(guò)程中視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件的重復(fù)拍攝問(wèn)題，提出一種基于時(shí)間與工

2、件位置的圖像去重復(fù)算法，以實(shí)時(shí)分揀系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻作為各單元的時(shí)間基準(zhǔn)，將預(yù)測(cè)的工件到達(dá)某一固定參考位置的時(shí)刻與工件當(dāng)前位置組合成一組能唯一識(shí)別工件的坐標(biāo)，經(jīng)周期性比較，判斷并去掉重復(fù)圖像信息同時(shí)為提高分揀效率，提出一種基于牛頓－拉夫森迭代的動(dòng)態(tài)抓取算法，建立了機(jī)器人跟蹤工件的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)牛頓－拉夫森方法求解該非線性數(shù)學(xué)模型最后用MATLAB對(duì)動(dòng)態(tài)抓取算法進(jìn)行了驗(yàn)證樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中最快分揀速度達(dá)110次／min，誤抓率小于2‰，漏抓率為

3、0，證明了算法能夠滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性關(guān)鍵詞：工業(yè)分揀；Delta機(jī)器人；圖像去重復(fù)；動(dòng)態(tài)抓取中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10020446(2016)01004907StingSystemAlgithmsBasedonMachineVisionfDeltaRobotNIHepeng12，LIUYa’nan12，ZHANGChengrui12，WANGYunfei12，XIAFeihu12，QIU

4、Zhengshi12(1.SchoolofMechanicalEngineeringShongUniversityJinan250061China2.KeyLabatyofHighEfficiencyCleanMechanicalManufacturingShongUniversityJinan250061China)Abstract:Toovercometherepeatshootingtowkpiecesbyvisionsystem

5、instingprocessanimagededuplicationalgithmbasedontimewkpieces’positionsisproposed.Therunningtimeoftherealtimestingsystemisusedasbasisofeachstingmodulethepredictedtimethatwkpiecesarriveatafixedreferencepositioniscombinedwi

6、thitscurrentlocationintoasetofcodinatestouniquelyidentifyapart.Sotheduplicateimageinfmationcanbefoundremovedbycomparingthosecodinatesperiodically.AtthesametimeindertoimprovestingefficiencyadynamicpickingalgithmbasedonNew

7、tonRaphsonmethodisproposed.ThenonlinearmathematicalmodelisestablishedfwkpiecetrackingwhichissolvedbyNewtonRaphsoniteration.FinallytheproposeddynamicpickingalgithmisverifiedbyMATLAB.Inprototypetestthemaximumstingspeedcanr

8、each110timesperminutemistakengrabrateislowerthan2‰missinggrabrateis0whichprovesthatthealgithmscanmeettherealtimetheaccuracythestabilityrequirements.Keywds:industrialstingDeltarobotimagededuplicationdynamicpicking1引言（Intr

9、oduction）Delta并聯(lián)機(jī)器人[1]是應(yīng)用最為成功的并聯(lián)機(jī)構(gòu)之一[2]，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以放置在機(jī)架上，從動(dòng)臂可以做成輕桿，因此末端可以獲得很高的速度和加速度，特別適合小型物料的高速分揀操作[3]機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是指用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，廣泛應(yīng)用在電子電器、航天、汽車和制藥等領(lǐng)域[4]傳統(tǒng)的機(jī)器人分揀流水線中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制一般采用示教或離線編程的方法，無(wú)法適應(yīng)多變的工作環(huán)境將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)分揀系統(tǒng)，能夠顯著提高

10、生產(chǎn)效率，增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，因此基于視覺(jué)的Delta并聯(lián)機(jī)械手分揀系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景圖像的去重復(fù)處理以及抓取模式的選擇是分揀系統(tǒng)正常工作的前提在圖像去重復(fù)算法方面，張策[5]提出了通過(guò)傳送帶上安裝的編碼器定距離地觸發(fā)相機(jī)拍照，以這一確定的位移變化作為判別依據(jù)對(duì)相鄰兩幀圖像中的工件進(jìn)行對(duì)比此算法容易理解，但相機(jī)采用編碼器觸發(fā)方式，硬件成本高，同時(shí)計(jì)算量大，程序?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜在抓取模式方面，相比動(dòng)態(tài)跟蹤抓取，定點(diǎn)等待抓取方式不能充

11、分利用機(jī)器人的工作空間，分揀效率難以提高張文昌[6]提出了根據(jù)工件在傳送帶基金項(xiàng)目：高檔數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014ZX04002021003）通信作者：張承瑞，13969076910@收稿／錄用／修回：20150616201509182015110949第38卷第1期倪鶴鵬，等：基于機(jī)器視覺(jué)的Delta機(jī)器人分揀系統(tǒng)算法51下一幀拍照時(shí)的系統(tǒng)時(shí)刻為t′，滿足關(guān)系t′=t1f(3)則此時(shí)計(jì)算A到達(dá)H的時(shí)刻為t′a=t′l1?x′av(

12、4)其中x′a=xavf(5)聯(lián)立式(2)～(5)可得ta=t′a(6)即對(duì)于同一物體，其到達(dá)前方固定參考位置的系統(tǒng)時(shí)刻是確定不變的，因此若忽略視覺(jué)采集誤差和圖像處理誤差，時(shí)間維坐標(biāo)可以完全區(qū)分x坐標(biāo)不同的工件，如A與C，但對(duì)具有相同x坐標(biāo)的工件無(wú)效，如A與B，需要其他的坐標(biāo)加以確定傳送帶沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，若忽略視覺(jué)采集和圖像處理誤差，同一工件在不同幀圖像中的y軸坐標(biāo)是不變的，故選取y軸坐標(biāo)作為另一維坐標(biāo)至此，(taya)可以作為一組區(qū)分

13、圖像中各工件的坐標(biāo)，獲得每一幀圖像后，通過(guò)比較該坐標(biāo)，即|ta?t′a|ε1(7)|ya?y′a|ε2(8)就可以找出重復(fù)的工件信息并舍去由于圖像采集、圖像處理算法以及坐標(biāo)系位置測(cè)量等都存在誤差，因此在進(jìn)行坐標(biāo)比較時(shí)，容差ε1與ε2的設(shè)定應(yīng)綜合考慮以上誤差，不能設(shè)為0，以免出現(xiàn)誤抓現(xiàn)象經(jīng)采集并去掉重復(fù)之后的工件信息將會(huì)按照先后順序進(jìn)行存儲(chǔ)，后續(xù)機(jī)器人單元進(jìn)行順序抓取3基于牛頓－拉夫森迭代的動(dòng)態(tài)抓取算法（Dynamicpickingalg

14、ithmbasedonNewtonRaphsoniteration）3.1問(wèn)題背景機(jī)器人單元的抓取區(qū)域?yàn)閘2N的矩形，全部位于Delta機(jī)器人的工作空間內(nèi)，如圖2所示工件經(jīng)過(guò)視覺(jué)采集區(qū)域之后，隨傳送帶逐漸運(yùn)動(dòng)至機(jī)器人抓取區(qū)域?yàn)樘岣呖勺ト」ぜ拿芏?，充分利用機(jī)器人的工作空間，采用機(jī)器人動(dòng)態(tài)追蹤工件并抓取的工作模式3.2機(jī)器人加減速控制算法Delta機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)時(shí)末端加速度大，容易發(fā)生沖擊、振動(dòng)和超調(diào)，小臂細(xì)長(zhǎng)桿容易震顫，嚴(yán)重影響機(jī)器人的

15、精度和壽命，因此必須使用專門的柔性加減速控制方法目前常見的直線加減速、直線加拋物線加減速、指數(shù)型加減速等方法在初始和結(jié)束階段的加速度突變不連續(xù)[9]，都不滿足高速Delta機(jī)器人的控制要求七段式S曲線加速度連續(xù)，加加速度有上界，在高速數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[10]，但加加速度在切換時(shí)有突變，并且對(duì)于段數(shù)的確定及時(shí)間的計(jì)算較為復(fù)雜，因此選用加減速更為柔順、計(jì)算更為簡(jiǎn)單的修正梯形加減速算法[11]，其加速度可描述如下：a=???????????

16、????????????????????????amaxsin(4πTt)0?t?18Tamax18Tt?38Tamaxcos[4πT(t?38T)]38Tt?58T?amax58Tt?78T?amaxcos[4πT(t?78T)]78Tt?T(9)該方式加速度曲線變化柔順，對(duì)加速度求導(dǎo)可知其加加速度無(wú)突變等式(9)兩側(cè)對(duì)時(shí)間連續(xù)2次積分并代入邊界條件可得位移表達(dá)式：S=?????????????????????????????????

17、???????????????????????????????????????????????????????(T4π)2amaxsin(4πT)14πamaxTt0?t?18T12amaxt2(14π?18)amaxTt(1128?116π2)amaxT218Tt?38T?(T4π)2amaxcos[4πT(t?38T)](14π14)amaxTt?116amaxT238Tt?58T?12amaxt2(14π78)amaxTt(116