（机械制造及其自动化专业论文）铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究.pdf

硕士学位论文 捅芰 金川公司正在使用的“阴极铜自动铜包装生产线 中的配重工序，其中的 配重结构采用真空吸盘，真空技术用于抓取工件时，当遇到铜板的表面特别不平 时，可能吸不上来。本课题重点对铜包装生产线的配重工序进行研究，设计能 够在机器视觉的引导下实现自动寻找目标铜板，智能抓取铜板的机械手，从而 提高阴极铜包装作业的生产效率、提升阴极铜加工技术装备的整体水平。论文 主要从以下内容进行研究： 1 通过对铜板自动包装生产线的整套设备及铜包装打包的整个流程的分 析，对铜包装机械部分的结构与工作原理进行介绍，并从生产线包装过程的实 际出发，研究了控制系统的实现； 2 对机械手的手部进行分析，提出了配重系统机械总体的结构设计及机械 手爪设计方案结构，并对手爪结构中的适配元件、铜板接触检测等问题进行研 究，对机械手驱动方式与控制方法进行了选择； 3 通过机器人智能抓取技术，对基于计算机视觉的工业机器人智能抓取进 行研究。分析了工业机器人智能抓取中目标识别，目标位姿求取以及抓取规划 等关键问题，着重分析了工业机器人视觉引导技术中的基本理论和方法； 4 以单片阴极铜的定位抓取任务为研究背景，以计算机视觉技术为引导手 段，获取目标铜板在图像平面中心的位置，并利用激光传感器获得目标铜板的 深度信息，直接将摄像机参考坐标系映射到机器人坐标系，得到目标铜板的中 心位置的实际坐标值，最终引导末端执行器完成对目标的抓取。 本课题以工作场景中定位并准确抓取单片铜板的问题为切入点，以机器视 觉的理论与技术为基础，对面向工业机械手智能抓取进行研究，提出一种基于 机器视觉引导的目标抓取解决方案，并对该方法中的目标识别、位姿求取及目 标抓取规划等求解方法的关键问题进行研究，将机器视觉这一新兴技术引入工 业机械手应用当中，提高了工业机械手的感知能力和智能水平，增强了铜板抓 取的可靠性及其自动化水平，为金属自动包装生产线的研制提供了参考。 关键词：包装生产线；控制系统；配重机械手；机器视觉；目标定位； i i i 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 a b s t r a c t t h ew e i g h tc o u n t e r b a l a n c ep r o c e s si np a c k i n gp r o d u c t i o nl i n ew h i c hi su s i n gb y j i n c h u a ng r o u pl i m i t e dc o m p a n y , i t sw e i g h tc o u n t e r b a l a n c e 咖c t i 】r eu s e sv a c u u m g r i pd e v i c et og r i pt h ec o p p e r s h o w e v e r , t h ev a c u u mg r i pd e v i c ec a n n o tg r i pt h e c o p p e r sw h e nt h ec o p p e r sa r ep a r t i c u l a r l yu n e v e n t h i st h e s i ss t u d i e dm a i n l yo nt h e p a c k i n gp r o d u c t i o nl i n et od e s i g nt h em a n i p u l a t o rw h i c hc a n n e a rt ot h eo b j e c ts o u g h t a u t o m a t i c a l l yb a s e do nm a c h i n ev i s i o n ，t h e ni n t e l l i g e n tg r i p p i n go ft h ec o p p e r s s o t h a tw ec a ni n c r e a s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n de n h a n c et h eo v e r a l lt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n tl e v e lo f t h ec a t h o d ec o p p e rp r o c e s s i n g t h ed e t a i lr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n tc o m p l e xa n dt h ew h o l ep r o c e s so ft h ep a c k i n g p r o d u c t i o nl i n e ，t h em a c h i n e r ys t r u c t u r a lp a r t sa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ew e r e i n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h er e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d 2 t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eh a n do ft h em a n i p u l a t o r , a n dp r o p o s e dt h eo v e r a l l d e s i g no ft h ew e i g h ts y s t e mm e c h a n i c a ls 仃u c t l l r ea n dt h em e c h a n i c a lg r i p p e rd e s i g n s t n l c t u i e t h ea r t i c l es t u d i e dt h ep r o b l e mo ft h eg r i p p e rs t r u 阳】r ei nt h ea d a p t a t i o n e l e m e n t s ，c o p p e rc o n t a c td e t e c t i o na n ds oo n i ta l s os e l e c t e dt h er o b o t - d r i v e na n d c o n t r o lm e t h o d s 3 t h r o u g ht h er o b o ti n t e l l i g e n tg r i p p i n gt e c h n o l o g y , t h ep a p e rs t u d i e dt h e i n d u s t r i a lr o b o ti n t e l l i g e n tg r i pb a s e do nc o m p u t e rv i s i o n i ta n a l y z e dt h ek e yi s s u e s o ft h ei n d u s t r i a lr o b o t ss u c ha si n t e l l i g e n tc a p t u r eo ft a r g e ti d e n t i f i c a t i o n ，o r i e n t a t i o n t os t r i k ea n dg r a s p i n gt h ep l a n n i n g i tp u te m p h a s i so nt h eb a s i ct h e o r i e sa n dm e t h o d s o ft h ei n d u s t r i a lr o b o tv i s i o ng u i d e dt e c h n o l o g y 4 t h e p a p e rp u tg r i p p i n gt a s ko fp o s i t i o n i n gt h em o n o l i t h i cc o p p e rc a t h o d ea st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，u s e dc o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g yt og u i d e ， o b t a i n i n gt h e l o c a t i o no ft h et a r g e tc o p p e ri nt h ei m a g ep l a n ec e n t e r , a n du s e dt h el a s e rs e n s o r st o o b t a i n d e p t hi n f o r m a t i o no ft h et a r g e tc o p p e r , d i r e c t l y t ot h ec a m e r ar e f e r e n c e c o o r d i n a t es y s t e mm a p p i n gt ot h er o b o tc o o r d i n a t es y s t e m ，g e t t i n gt h ea c t u a l c o o r d i n a t e so ft h ec e n t e ro ft h et a r g e tc o p p e r , a n dl e a du l t i m a t e l yt ot h ee n do ft h e a c t u a t o rt oc o m p l e t et h eg n po nt h et a r g e t t h i ss u b j e c tu s e dp o s i t i o n i n ga n da c c u r a t e 酣pa b o u tm o n o l i t h i cc o p p e ri n w o r k i n gs c e n ea si t se n t r yp o i n t ，a n dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fm a c h i n ev i s i o nt o i v 硕士学位论文 b ei t sb a s i s s t u d yo nt h ei n t e l l i g e n tg r i p p i n go fi n d u s t r i a lr o b o t w er a i s e da p r o p o s a l t og r i pt h eo b j e c to fm o n o l i t h i cc o p p e r a tt h es a m et i m e ，w es t u d i e dt h em e t h o df o r s o l v i n go f t h eo b j e c ti d e n t i f i c a t i o n ，p o s es e e k i n ga n dt a r g e tg r a s pp l a n n i n g e m e r g i n g t e c h n o l o g yw a sc i t e dt ot h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t ，i n c r e a s i n gt h ep e r c e p t i o n a n di n t e l l i g e n c eo fi n d u s t r i a lr o b o t b e s i d e s ，t h er e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i o nl e v e lo ft h e c o p p e rg r i p p i n gw e r ei m p r o v e d t h i ss u b j e c tp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to f m e t a la u t o m a t i cp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e k e y w o r d s ：p a c k i n gp r o d u c t i o nl i n e ；c o n t r o ls y s t e m ；t h em a n i p u l a t o rf o rw e i g h t c o u n t e r b a l a n c e ；m a c h i n ev i s i o n ；t a r g e tl o c a t i o n v ：。丝塑丝堡墼堕丝丝堡墅墼塑一 插图索引 图2 1 铜板自动包装生产线布局图9 图2 2 升降台结构图1 0 图2 3 运输机结构图1 1 图2 4 称重系统结构简图1 2 图2 5 整形机结构图1 3 图2 6 转盘结构图1 4 图2 7 出料机结构图1 5 图2 8 控制系统框图1 7 图2 9 控制程序流程图1 8 图3 1 包装工艺流程图2 1 图3 2 配重系统的机械结构示意图2 2 图3 3 电磁吸盘结构2 3 图3 4 气流负压吸盘2 4 图3 5 挤气负压吸盘工作原理2 5 图3 6 机械手方案结构图2 9 图4 1 目标夹持规划的坐标系图3 2 图4 2 图像坐标系3 3 图4 3 摄像机坐标系3 4 图4 4 摄像机标定的立体标靶3 6 图5 1 典型工业机器视觉系统的构成4 0 图5 2t c 2 2 1 引脚图4 0 图5 3t c 2 2 1 时序图4 l 图5 4c c d 外围驱动电路设计原理图4 2 图5 5 系统的构成示意图4 3 图5 6 视觉引导下定位及抓取流程图4 4 图5 7 相位法激光测距原理图4 7 v i 硕士学位论文 附表索引 表4 1 摄像机模型参数3 5 表5 1 阴极铜板主要参数3 9 表5 2 各信号的幅值及频率要求4 1 v i i 硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章绪 论 本课题来源于甘肃省重大科技专项，项目名称：阴极铜板自动包装生产线，编号为 0 8 0 1 g k d a 0 5 2 ，该项目是由兰州理工大学与金川公司联合设计与开发的，其中的铜板配 重系统是该自动包装生产线设计的关键环节。 1 2 课题研究意义 铜被广泛地应用于电气行业、轻工业、机械工业、建筑工业及国防工业等领域，与 人类关系非常密切，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝口3 。铜在电气及电子工业中应 用最广泛且用量最大，约占铜的总消费量的一半以上旧1 。 金川集团有限公司是采、选、冶、化配套的大型有色冶金、化工联合企业，生产镍、 铜、钴、稀有贵金属和硫酸、烧碱、液氯、盐酸、亚硫酸钠等化工产品以及有色金属深 加工产品，镍和铂族金属产量占中国的9 0 以上，是中国最大的镍钻生产基地，被誉为中 国的“镍都”，铜金属储量居中国第二位。矿床之大、矿体之集中、可供利用金属之多， 在国内外都是罕见的。2 0 0 6 年1 1 月，金川公司年产2 0 万吨铜电解工程建成投产，首批大板 高纯阴极铜出槽，这标志金川集团已形成年产4 0 万吨阴极铜的精炼能力，铜冶炼规模和 技术居国内先进水平。2 0 0 7 年9 月，金川集团删c 高纯阴极铜入选2 0 0 7 年中国名牌，但 在铜包装生产环节，还未进行有效的技术改造和技术创新，尚未形成成熟的技术，也没有 高效可靠的专用包装装备。铜板包装作业区中间物料倒运全部靠叉车，叉车交叉作业严 重，人工气动捆扎钢带所需操作人员多且劳动强度大、危险因素多，与叉车配合作业也不 能保证长久持续作业，影响了自动包装的速度和质量。特别是在阴极铜板的配重系统方 面，铜板的分检、配重等基本靠人工操作，人工劳动强度大，甚至有时受人为的因素影响 还会出现漏称或者误称等现象，制约了铜板包装线的效率。 由兰州理工大学设计开发、研制的“铜自动包装生产线设备 针对金川公司目前阴 极铜包装作业的技术及装备现状，综合应用机械、电子、液压传动、精密计量、计算机 控制等不同学科的基础理论和技术，通过理论分析、实验研究和计算机仿真等技术手段， 对阴极铜包装作业过程中涉及到的计量、配重、整形、致密、贴标、自动打包、标识印 制及生产线自动控制技术进行研究，完成铜自动包装生产线总体方案的设计。在此基础 上开发出能完全满足金川公司阴极铜自动包装作业要求的成套装备，并直接应用于生产 实践。该项目的实施，不仅能实现阴极铜包装作业的机械化、自动化，从而提高阴极铜包 装作业的生产效率、降低作业人员的劳动强度、提升阴极铜加工技术装备的整体水平。 同时，能够更好地符合金川公司阴极铜包装规范、进一步满足期货市场关于阴极铜期货 一 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 交易包装标准，提高金川公司阴极铜在国际市场上的竞争力。 在生产中应用的工业机械手，一般采用示教或离线编程的方式根据所要完成的任务 进行路径规划和运动编程。机械手工作的过程只能是简单地重复执行预先编制好的程 序，完成程序设定的动作口1 。对于这类机械手，一旦加工对象的位姿状态或机械手的工 作环境发生一定的变化，那么采用示教或离线编程方式工作的机械手通常对这些变化缺 乏足够的感知能力，不能做出相应的调整，从而导致产品的加工质量不能满足要求，甚 至无法继续工作。另外，示教或离线编程会花费大量的生产准备时间。对于小批量多品 种的生产模式，该问题将尤为突出。而小批量多品种的生产模式是未来制造业的发展趋 势。因此，将计算机视觉技术应用于工业机械手领域，用于提高机械手的加工质量、工 作效率、对环境的适应能力以及拓展机械手应用范围都具有十分重要的意义。 从工作场景中识别并准确抓取指定的物体，是工业机械手应用领域中的基本问题之 一。对于该问题的研究将有助于提高工业机械手在配重、码垛、零件装配、焊接等领域 应用的技术水平，其研究意义重大h 1 。本课题以该问题作为研究的切入点，以计算机视 觉技术为手段，对面向工业机械手智能抓取的视觉引导技术进行研究，旨在发挥计算机 视觉技术检测形式灵活，获得的信息丰富等优点，用以提高工业机械手在抓取操作过程 中对外界的感知能力以及工业机械手的智能水平。 同时，特种机械或某些工程机械拟人操作智能控制体系统在国民经济中具有广泛的 需求，其意义为： ( 1 ) 模拟高水平技术工人的操作，可以大幅度的提高产品生产率： ( 2 ) 在有毒或危险场合实现无人操作，减轻了工人的负担。 目前金川公司正在使用的耜阴极铜自动铜包装生产线”中的配重工序，其中的配重 结构采用真空吸盘抓取工件，当遇到铜板的表面特别不平时，可能吸不上来。本课题重 点对铜包装生产线的配重工序进行研究，设计能够在机器视觉的引导下实现自动寻找目 标铜板，智能抓取铜板的机械手，实现阴极铜包装作业的机械化、自动化，从而提高阴极 铜包装作业的生产效率、提升阴极铜加工技术装备的整体水平。 1 3 国内外机械手研究现状 国内大部分阴极铜生产企业，在阴极铜板包装生产过程中，仍然运用传统的工艺设 计，将阴极铜的电解生产作业和包装作业独立进行，设置单独的包装作业区。包装作业 大多依靠天车、叉车等通用工具进行人工作业，配重过程采用台秤称量，人工读数、记 录，并且全人工操作进行铜板加减配重，劳动强度大，危险系数高，称量精度低，作业 效率低。这些企业无法将包装工艺与电解工艺整合为一个完整连续的系统，只是在现有 包装作业区进行技术改造和更新。 为适应工业高度自动化的需要，国外发展出一种新的程序控制自动化装置一工业机 2 硕士学位论文 械手，它具有独立的机体及控制装置，具有可自由改变程序的多个自由度的运动，装备 有手爪或工具，可代替人作一些搬运、上下料以及喷漆、热处理、焊接等工作。工业机 械手的灵活性、通用性强。由于生产和科技发展的需要，要求扩大机械手的能力。 据统计，机床上下料、工序间搬运占总工时四分之一左右，这些薄弱环节的自动化 必然会大大提高生产率。工业机械手的采用可使昂贵、复杂、高效的设备( 数控机床、 生产系统) 得到最大限度的利用，充分发挥其作用，在系统工程中必须采用机械手才能 与系统中的高度自动化装置及电子计算机相配合。总之，生产和科技的发展迫切需要采 用工业机械手。目前生产和科技的发展水平也为工业机械手的发展提供了必要的条件。 工业机械手是中小批量生产实现生产自动化的一个重要手段，它的应用必将迅速提高生 产自动化的技术水平，极大地提高劳动生产率。 机械手的研制首先是从美国开始。1 9 5 4 年，美国被称为“机器人之父 的科学家 g e o r g ed e v o l 取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能够执行从 一点到另一点的受控运动，被称为“机器人时代”的开始。1 9 5 8 年美国联合控制公司研 制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放 机构，控制系统是示教型的。1 9 6 2 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成 一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、仰俯、伸缩，用液 压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展 起来的。同年，美国机械铸造公司也试验成功一种n v e r s a t r a n 机械手，该机械手的中央 立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。 这两种机械手都是国外工业机械手发展的基础。1 9 7 8 年u n i m a t e 公司、斯坦福大学与麻 省理工学院联合研制一种u n i m a t i o n v i c a r m 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控 制，用于装配作业，定位误差可小于l m m 。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改 进结构，降低成本。1 9 8 0 年，美国麻省理工学院与犹他大学联合研制成功了u 删i t 畸1 手爪，手爪的结构设计采用模块化，手指的配置方式类似于人手，有四个手指：拇指、 食指、中指和无名指，四个手指结构完全相同，每个手指有4 个自由度，手指关节采用 伺服气动缸作为驱动元件，由腱和滑轮传动，基本上能够像人手一样对物体进行抓持和 操作。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1 9 6 9 年从美国引进两种机械手后， 大力从事机械手的研究。据报道，1 9 7 9 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位 达5 0 多个。1 9 7 6 年各大学和国家研究部门用在机械手上的研究经费约占总研究经费的 4 2 。 瑞士r e t a b 公司生产一种涂漆用机械手，采用示教方法编制程序。苏联自六十年代 开始发展应用机械手，至1 9 7 7 年底，其中有一半是国产，一半是进口。主要用于机械化、 自动化程度较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。德国机器制造业是从1 9 7 0 年开 1 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 = = ；= = = = = = = ! = ! ! ! j ! ! ! ! = e ! ! = = ! = e 1 2 1 = = = = ! = ! = ! 1 2 = = 2 = = ! = 昌! = = = = = = = = 皇= ! ! ! ! s ! ! ! ! ! s e = ! e ! 始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 到上世纪9 0 年代，随着计算机技术、网络技术及微电子技术等的快速发展和相互融 合，机械手技术得到了快速的发展。现代控制理论使机械手控制系统的性能得到了进一 步的提高，传感器技术的发展与应用使机械手作业的性能和对环境的适应能力大大提高 了。同时，网络通信技术实现了多个机械手的协调工作，也使得机械手由过去的专业设 备发展为标准设备。微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使得机械手的可 靠性有了很大的提高【刚。 国内工业机械手的研究开发工作始于七十年代初，到现在已经历了四十年左右的历 程，前十年处于基层的自发状态，发展比较缓慢。后几十年国家有关部门开始重视，发 展比较快。近年来随着工业自：动化的发展，机械手得到了较快的发展，国内有关高校和 科研院所，如北京航空航天大学、哈工大、中科院合肥智能机械研究所与杭州电子工业 学院等开展了机器人手爪的研究取得重要进展。中科院合肥智能机械研究所解传芬硕士 在研制多传感器手爪过程中，对多传感器数据融合做了较多的研究工作，主要包括如下 三个方面：( 1 ) 由于研制的接近觉传感器易受温度和被测物体反射特性的影响，将b p 网络 对接近觉传感器和温度传感器的信息进行融合，从而测量精度得到提高；( 2 ) 采用b p 网络 对握紧力、接近觉和距离信息进行融合，得到手爪与工件的安全连接状态；( 3 ) 采用b 】p 网络对八个指力传感器的信息进行融合得到了握紧力的大小。 机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，就显示出许多特殊的优点，展现了广阔 的应用前景。机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业 生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展【卜8 1 。 目前，针对机械手智能抓王叹的研究，按照机械手手爪的形式可以粗略的分为以仿人 手为代表的多指手，灵巧手等和以夹钳形式为代表的传统手爪两个大的方面。机械手智 能抓取技术研究的两个方向具；阿特点：以仿人手为代表的多指手在机构上接近人手，它 集成了数量众多的驱动部件和各种传感器，具有很强的感知能力。因此有能力完成精巧 和复杂的任务。但如此高度集成的智能化的机电系统，以及它所涉及的多研究领域，多 学科交叉的特点也为其应用与普及带来了巨大的困难。要在短期内将其应用于实际生产 或现实生活当中还有诸如稳定性、可靠性及维护性等许多问题尚待解决。另一方面，以 夹钳形式为代表的传统机械手都是一些针对具体应用而设计的简单机械装置。在抓取对 象以及抓取形式上也都是非常有针对性的，其结构简单可靠，制造容易，非常适合应用 于实际生产当中。 4 硕士学位论文 1 4 国内外机器视觉及其引导的智能抓取研究现状 1 4 1 机器视觉的研究现状 机器视觉系统是计算机科学与人工智能的一个重要分支，是当今机器人智能技术研 究的一个热点。机器视觉指用计算机实现人视觉的某些功能，其目标是实现对三维客观 世界的理解，它是机器人智能化、工业自动化、自主导航、目标跟踪、工业检测的核心 技术之一。人类视觉的功能集中在对周围环境内的物体间相对位置、物体坐标及颜色的 识别和理解。机器视觉的本质是使计算机能够从单幅或系列二维图像阵列认知周围环境 信息，这种能力将不仅使机器能感知周围物体的几何信息，包括它的位置、形状、运动、 姿态等，而且还能够对它们进行描述、识别和理解。因此，机器视觉系统是一个综合性 的学科，它涉及数学分析、图像处理、模式识别及计算机硬件知识等诸多内容田。1 0 j 。 机器视觉涉及的研究课题众多，例如视觉可计算性原则、图像形成和采集、形状分 析和识别、图像预处理、边缘检测和分割、特征提取和匹配、区域生成和分割、运动视 觉、立体视觉以及视觉控制策略等。机器视觉作为一个独立学科，其地位日益受到广泛 重视，由机器来感知环境并执行要完成的任务具有明显优势，并且获得了多方面的应用。 机器视觉也有助于执行许多单调，甚至是危险的任务及人类不能单独完成的操作，如果 没有这些感知的能力，那么这些该任务将变的困难甚至是无法完成n 1 | 。 近年来，机器视觉作为一门新学科发展迅速，并成为工业机器人研究的重要领域。 机器视觉主要起源于图像模式识别，起初研究的重点集中在二值图像分析与识别上，例 如字符识别、目标物体表面质量的检测、显微图片、航空图片的分析与解释等。到上世 纪6 0 年代，r o b e r t s 通过计算机程序从数字图像中提取出多面体的三维结构，并且描述 了物体形状与物体的空间关系，他的研究工作创立了以理解三维场景为目的的三维机器 视觉系统研究。人们对此进行了更加深入的研究，从提取边缘、角点等特征，到分析线 条、平面、曲面等几何要素，再到图像明暗、运动、纹理以及成像几何等的问题，并且 人们建立了各种数据结构与推理规则n2 | 。麻省理工学院人工智能实验室在7 0 年代中期 正式开设计算机视觉的课程，该课程吸引了国际上众多知名学者专家参加机器视觉的删 论、算法与系统设计的讨论。 1 9 7 7 年，d a v i dm a r r 提出了全新的视觉理论即m a n 理论，该理论是计算机视觉研 究领域的具有划时代意义的成就，其首次从信息处理的角度综合了图像处理学、神经生 理学、心理物理学、临床精神病学的研究成果，提出了第一个较为完善的视觉系统框架， 把复杂的视觉过程变成一个可计算的信息处理的过程，为计算机视觉研究领域建立了一 个理论框架，并逐渐被大多数机器视觉研究者接受，从而成为这一领域的主导思想，同 时该理论使得计算机视觉的研究有了一个比较明确的知识体系，很大程度上对机器视觉 研究的发展起了推动作用。此后至今，研究者们按照m a r t 所提出的基本理论框架，对 气 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 = = = = = = = = = = = = ! = ! = ! ! e ! ! ! = e j e g = j ! ! e = e = = = = = = = = = = = = = = ! = = ! = ! ! ! = e ! ! ! ! ! ! = 9 1 5 e ! = e ! 上所述的各个研究层次与视觉系统的各个阶段中的各种功能模块进行了大量的研究，对 机器视觉系统研究者都在表达算法、计算理论、硬件实现等各个层次上提出了大量的方 法。但m a r t 理论也存在不足：艺处，他把将视觉处理过程分为相互独立的单向过程，从 而忽视了视觉过程自身的反馈机制。 自8 0 年代开始，机器视觉获得了蓬勃发展，不断涌现出新概念、新方法及新理论， 世界各国的科研人员依据m a r r 提出的基础理论框架，对该理论所述的各研究层次与机 器视觉系统的各阶段中的功能模块进行了深入的研究。 机器视觉发展至今已经成为一门多学科综合而成的交叉学科，其中涉及计算机科 学、信号处理、人工智能、模式识别、人工神经网络等学科知识。机器视觉的研究内容 以图像分析、图像理解为主，侧重于研究视觉理论。它为视觉研究提供了统一的理论框 架，但难于直接应用于实际工程中，视觉问题毕竟过于复杂，现有理论没有一种可以对 其进行完整的描述。 如今，国际上主要以计算机视觉为主题的国际会议有：先进计算智能国际论坛，国 际模式识别会议，国际计算机视觉会议，欧洲计算机视觉会议等。 1 4 2 机器视觉引导的智能抓取研究现状 随着科学技术的进步，尤其是计算机视觉技术的进步，在传统工业机械手应用领域， 引入计算机视觉技术来增强机械手的感知能力、提高其智能水平已经成为当今机器人技 术的一个研究热点。相对于仿人手的研究，在成熟技术的基础上适当地引入新技术，循 序渐进地提高机械手智能化水平，无疑更加利于发挥新技术的力量，提高工业机械手实 际应用的技术水平。 近年来，机器视觉凭借其信息量大、检测范围大、精度高等优点，在工业机器人应 用领域得到了广泛应用，为实现工业机器人柔性自动化提供了有力技术手段；在目标识 别和求取目标位姿方面，尤其在机器视觉技术有着巨大的技术优势。采用视觉测量技术 可以实现对抓取目标的识别和抓取目标的位置及姿态的测定。在获得了目标相对于摄像 机的位置与姿态，再求得摄像机与机器人手爪之间的位姿关系，通过空间坐标系转换就 能求得机器人手爪相对于目标之间的位姿关系。最后根据机器人手爪与目标问的位姿信 息进行抓取规划，给出工业机器人接近目标的最优路径，机器人手爪的夹持方法和抓取 点等的控制信息，从而引导工业机器人准确的对目标进行抓取【l3 1 。除了用于机器人进行 装配和检验作业以外，机器视觉系统还可用于空间目标的搜索、遥感图像的分析、医学 图像的处理、多媒体技术、图像数据库、工业检测及军事技术等各方面。 装配机器人1 1 4 - 1 5 是一种在工业生产中从事装配操作的智能机器人，它通过本体的自 身结构，结合高精度传感器的采样与控制系统的闭环，实现末端执行器的精确运动与定 位。这里涉及到多传感器信息融合技术，而视觉信息是其中最重要的一部分，视觉在装 硕士学位论文 配机器人中得到了良好的应用，还由于在工业自动化生产线中，工业环境的结构、照明 等因素可以得到严格的控制，这样机器视觉技术就能为工业机器人末端操作系统或机械 手提供较为精确的定位与操作信息，以便机械手操作更加准确。 1 9 9 9 年，瑞典a b b 公司研制成功的f l e x p i c k e r 工业机器人，在简单有效的二维视 觉系统的帮助之下，可以快速完成传送带上的多种目标物体拣选工作，其速度可以达到 每秒2 次；芬兰r t s 研制的机器人视觉系统，被成功地用于生产舰船螺旋桨推进器的过 程中，该系统可以依据c a d 模型监督螺旋桨叶片进行精密的磨制【1 6 】。 近年来国内机器视觉在机器人领域的研究与应用得到迅速发展，以哈工大、中科院 北京、沈阳自动化研究所等单位为代表，在机器人导航，机器人手眼协调，主动视觉， 三维重建等众多方向上进行了深层次的理论及实验性研究。同时，在工业应用上也有许 多有价值的实践，如哈工大的“机器人卫星地面试验平台全局视觉系统 尝试根据视觉 反馈进行机器人的运动规划。另外，由哈尔滨工业大学研制的“基于视觉传感器的管内 作业机器人”用于机器人自身位置的检测。“八五”期间，西安交通大学人工智能与 机器人研究所在为8 6 3 项目“精密装配机器人”开发，借鉴许多国外的装配机器人生产 设备的研究成果，成功研制出了一套实时视觉系统，并在国防、医学等领域得到了推广 应用。 目前，国外机器视觉技术已经开始以各种形式广泛应用于生产与生活中【1 7 】，而我国 正处在起步阶段，机器视觉技术在国内实际的生产线上应用较少，与国外在技术水平上 存在着较大的差距，亟需广大科研工作者的共同努力，来提高我国机器视觉应用技术的 发展水平，为我国的现代化建设做出贡献。 1 5 本文内容的章节安排 根据企业的要求并结合现有的技术，对铜板抓取机械手的结构进行研究，利用视觉 引导技术实现目标铜板的智能抓取。本论文的章节安排如下： 第一章：主要介绍本课题的来源与研究的意义，并对国内外机械手研究现状，机 器视觉技术的产生和发展以及国内外计算机视觉的研究状况，其在智能抓取的应用现状 等问题进行论述。 第二章：简要的介绍了铜板自动包装生产线的整套设备及铜包装打包的整个流程， 对铜包装机械部分的结构与工作原理进行研究。从生产线包装过程的实际出发，提出了 控制系统的实现，其中包括控制系统的硬件及软件设计和监控程序及故障处理，并对整 个铜板包装生产线的主要技术性能及参数进行了介绍。 第三章：对机械手的手部进行分析，根据生产实际提出了配重系统机械总体设计的 结构及机械手爪设计方案结构，并对手爪结构中的适配元件、铜板接触检测等问题进行 研究，对机械手驱动方式与控制方法进行了选择。 7 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 第四章：首先介绍了机器人智能抓取技术，对基于计算机视觉的工业机器人智能抓 取进行讨论。分析了工业机器人智能抓取中目标识别，目标位姿求取以及抓取规划等关 键问题，着重讨论了工业机器人视觉引导技术中的基本理论和方法。 第五章：本章以铜板自动包装生产线铜板配重过程中，单片阴极铜的定位抓取任务 为研究背景，以计算机视觉技术为引导手段，获取目标铜板在图像平面中心的位置，并 利用激光传感器获得目标铜板的深度信息，直接将摄像机参考坐标系映射到机器人坐标 系，得到目标铜板的中心位置的实际坐标值，最终引导末端执行器完成对目标的准确抓 取。 硕士学位论文 第2 章铜板包装生产线系统简介 2 1 整套生产线设备概述 包装机械是指能完成部分或全部产品和商品包装过程的机械，其过程包括产品的充 填、配重、打包、封装、贴标等工序，以及与其相关的前后工序，如清洗、堆码和拆卸 等，使用包装机械可以提高生产效率，减轻劳动强度，适应大规模生产的需要n 踟。包装 机械是包装工业的一大门类产品，在包装工业中的地位举足轻重，它给包装行业提供所 需要的技术及设备，以完成所需要的包装工艺过程。本课题中的铜自动包装产线，是针 对阴极铜板进行称料、配重、整形、压紧、打捆、精称、喷码、贴标等集机械、电子、 气动、液压、精密计量与计算机控制技术为一体的高科技自动化生产线。 2 2 铜包装打包流程 如图2 1 示，上料一配重一整形一压紧一打捆一精称一喷码一贴标一卸料，其中的上 料、卸料工位均由插车完成。 图2 1 铜板自动包装生产线布局图 2 3 铜包装机械部分的设计原理 铜板包装机械部分是铜板自动包装生产线的核心部分，由运输机、升降台、配重机、 整形机、压力机、打捆机、出料机等主要的机械部分组成，下面分别论述各机械部分的 工作原理。 9 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 1 升降台 如图2 2 所示，在铜板包装生产线上升降台有三台，分别用于上料工位、配重工位 与整形工位。升降台的工作原理：升降台是一典型的剪叉机构，由液压缸3 驱动，当液 压缸3 驱动剪叉杆2 时，剪叉j 汗作剪叉运动，并推动1 号件完成上升与下降运动。升降 范围可通过螺栓4 进行调整。 升降台的技术参数分别为：液压缸型号6 3 2 8 1 0 0 ； 工作压力1 2 m p a ；最大升降范 围2 0 0i i l l l 。 j【j 【 一汹卜【l fhrr门 u a 磁么燃 图2 2 升降台结构图 2 运输机 如图2 3 所示为运输机的结构图，运输机启动后经减速电机4 减速，再经过传动链 轮减速，带动运输链轮驱动运输链进行运送工作。每一个输送工位距离2 2 0 0 m m ，工位 信号获得是通过传动轴1 0 带动减速齿轮1 3 、1 4 进行减速旋转，在齿轮1 4 上装有一个 挡块1 5 ，由接近开关1 6 进行检测；每检测到一个信号表示已输送一个工位，并控制运 输机停止。 传动链5 调整，通过电机座调整螺栓3 进行松紧调整。传动链6 调整，通过1 0 号 传动轴座的调整螺栓9 进行及1 2 号链轮座的螺栓1 1 进行松紧调整。输送链2 调整，通 过运输机尾部轴承座调整螺栓1 进行松紧调整。 1 0 硕士学位论文 图2 3 运输机结构图 3 配重机 配重机要完成配重任务，配重系统结构如图2 4 所示。首先要对铜板垛称重。称重 系统的工作原理为：物料在重力作用下通过输送带秤架对传感器的受力部位作用，使称 重传感器内部的弹性体产生弹性形变，贴附于弹性体应变梁上的应变计将变形转化为电 阻的变化，惠斯顿桥路失去平衡，输出与所受力的数值成比例的电信号，经线性放大器 将信号放大，得到可以直接通过数据采集卡采集的电压信号，经采集卡中的a d 转换器 转换为数字信号以后输入到计算机中进行数据处理与分析。传感器的数据处理与分析过 程是由l a b v i e w 软件【1 9 】进行的，通过此计算机软件对重量信号用低通巴特沃思滤波器 滤波，再进行幅值平均滤波，计算之后将直接显示出重量数据。 配重机完成对铜板垛的配重，其工作原理：当铜板垛输送到配重工位后，升降台升 起将铜板垛抬离输送链；然后由电子台秤对铜板垛进行称重，并将获得的重量信息送入 控制系统，系统根据重量信息来决定是加一、减一，还是不加也不减：如果铜板垛重量 1 1 铜板包装线配重机械手及铜板智能抓取研究 大于2 6 0 0 k g ，就进行减一片二 作；如果铜板垛重量小于2 4 0 0 k g ，就进行加一片工作； 如果铜板垛重量在2 5 0 0 k g 1 0 0 k g 范围之内，就不加也不减。 加一片工作：当称重系统决定加一片操作时，控制水平液压缸4 推动小车6 向右移 动，到达辅料架上方后停止，再由竖直液压缸5 推动真空吸盘3 下降；当真空吸盘下降 到辅料架上的铜板上面，并与铜板有一定的紧密接触时，真空吸盘下降停止并吸紧一片 铜板；然后吸盘带着铜板上移，到位停止；小车带着吸盘铜板左移，到位停止，吸盘带 着铜板下降：当吸盘带的铜板下降到铜板跺上时，吸盘释放铜板，然后吸盘上升到初始 位置停止，加一片工作结束。 减一片工作：当系统决定减一片时，控制竖直液压缸5 推动真空吸盘3 下降；当真 空吸盘下降到铜板垛上面，并与铜板有一定的紧密接触时，真空吸盘下降停止并吸紧一 片铜板；然后吸盘带着铜板上移到位停止；小车带着吸盘铜板右移，到位停止，吸盘带 着铜板下降；当吸盘带的铜板下降到辅料架上时，吸盘释放铜板，然后吸盘上升到位停 止，再左移到初始位置停止，减一片工作结束。 图2 4 配重