基于机器视觉检测的码垛机器人控制系统设计

李金龙　干江红

摘  要：目前，人们对码垛机器人提出了更高的要求，提高码放效率、实现规则物体分拣码放已经成为了一项重要工作。因此，该文将对码垛机器人进行阐述，并详细探究基于机器视觉检测的码垛机器人控制系统设计，希望可以为相关工作者的研究提供一些帮助。

关键词：机器视觉检测  码垛机器人  硬件设计

中图分类号：TH264                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（c）-0005-02

1  码垛机器人概述

码垛机器人是为了将更高生产效率提供给现代生产而由计算机程序与机械有机结合生成的产物[1]。这一机器人在码垛行业得到了广泛运用，并且具有以下几方面特点：第一，结构简单、零部件少，这也就使得零部件具备可靠性能，并且维修保养工作十分简单;第二，占地面积少，这一机器人只要设置在狭窄空间中就能够被有效运用，这给客户留出大面积库房提供了可能;第三，能耗低，通常情况下，机械式码垛机功率是26kW，而码垛机器人的功率只有5kW，可以有效降低客户运行成本;

2  基于机器视觉检测的码垛机器人控制系统设计

2.1 工作原理

以机器视觉为基础的码垛机器人控制系统包括四轴码垛机器人、工业摄像机、工业控制器、机械气动抓手、图像采集卡以及运动控制卡等。这一控制系统分成上下两层，其中，在上层上位机中，工控机占据核心位置，工业摄像机的工作就是对物品图像进行传送，之后通过图像处理技术的运用，做好码放物品定位与跟踪工作，并促进最终分拣码放工作的完成。下位机中占据核心地位的则是运动控制器，这一设备的作用就是对码垛机器人四轴进行同步控制与插补控制，并促进机器人抓手自动控制的实现，从而严格依照工业具体要求码放好相应物品。

2.2 图像处理

2.2.1 图像去噪

在实际采集与传输过程中，图像经常会遭到各种程度外在噪音的影响，不但会使图像变得模糊不清，还极易丢失大量图像细节，在很大程度上会阻碍码垛机器人后续动作程序顺利开展。因此，在采集到相关图像之后，必须处理图像的噪声，以此来对图像重要细节进行保护。为了更好滤除图像噪音，该文采取了邻域平均法，即由相邻区域中众多像素灰度的平均值来代替每一像素灰度。假设采集到带有N×N像素的原始图像是g（x，y），并且去除噪音后的图像是h（x，y）。可以得到这样一个公式：h（x，y）=g（x，y），其中，x，y=0，1，2，…，N-1;x则是（x，y）相邻区域图像的全部像素坐标。

在运用相邻区域平均法这一具体方法时，通常情况下会损失部分图像信息，并出现细节模糊或者是边缘模糊的情况。针对这一问题，该文采取阈值法进行解决，具体公式如下：

其中，T是指非负阈值。通过这种方法的运用，可以促进图像清晰度的提升，并将图像模糊程度降到最低[2]。

2.2.2 图像分割

假设分割阈值是T，若图像灰度值超过T，那么其就是目标区域;若图像灰度值低于T，那么其就是背景区域。图像熵值定义如下：

H=-p（x）·lgp（x）dx

其中，p（x）是指像素发生概率，并且p（x）=ni/N，ni是指像素数量，N则是像素的总数量。

背景区域中的概率是Pb=p（x）=ni/N，x=0，1，…，T-1;

目标区域中的概率则是Po=p（x）=ni/N。

其中，x=T，T+1，…，L，并且L是指图像灰度极数。

由此可以得出，背景區域熵与目标区域熵定义分别是Hb（T）=-（px/Pb）lg（px/Pb），x=0，1，…，T-1;Ho（T）=-（px/Po）lg（px/Po），x=T，T+1，…，L。图像熵则是背景区域熵值与目标区域熵值的总和，即H（T）=Hb（T）+Ho（T）。依照最大熵法原理可知，所求阈值应该选择图像熵的最大值，因此，T=arg max（H（T））。

2.3 控制系统

2.3.1 软件设计

要想促进视觉机器人编程可读性与条理性的提升，就应该将模块化编程思想运用到机器人软件设计中，以功能为依据，将整个系统划分成图像处理算法、系统初始化模块、用户程序加载模块以及中断服务模块等。

软件设计的总体流程如下：开始—系统上电—程序加载—系统初始化—SAA7133启动—系统等待中断—是否结束中断信号。若选择“否”，则回到上一步，若选择“是”，则依照下述流程继续进行，即关闭DSP中断、屏蔽外部中断—DSP接收图像并传送到图像采集卡—图像处理算法—DSP将信号发送给机器人的控制系统—打开DSP中断、打开外部中断。在最终步骤结束后，如有需要，还应该回到SAA7133启动步骤。

2.3.2 硬件设计

包装码垛系统的硬件主要包含运动控制卡与工业控制器，其中，工控机在控制器中占核心位置，而运动控制卡的作用就是促进机器人四轴同步控制与插补运动的实现。工控机和运动控制卡通信主要由PCI总线控制，并且码垛机器人的四轴伺服驱动器控制可由运动控制卡同时完成。

运动控制卡主要对码垛机器人A、x、y以及z四轴同步运动进行控制，具体包括高速数据采集、伺服驱动以及插补运算等工作，而且机器人的多轴插补运算工作能够在内部完成。通常情况下，只要在IPC插槽中直接安插运动控制卡，那么就能够以动态链接方式实现驱动。ADT—8948A1运动控制卡是以PCI总线为基础的、性能较高的多轴伺服电机运动控制卡，内核是两片以DSP为基础的专用运动控制芯片（产于日本NOVA公司），其接口数量众多，编程也较为简单，被广泛运用到工业控制领域中。

3  结语

综上所述，做好以机器视觉检测为基础的码垛机器人控制系统设计具有重要意义。因此，必须了解码垛机器人具备的特点，并从图像去噪、图像分割以及软硬件设计等入手，完成图像处理与控制系统设计等工作，提高机器人码放稳定性与可操作性，从而促进物品高效码放的实现。

参考文献

[1] 刘永勋，千红涛.基于模糊控制的导轨型码垛机器人设计与实现[J].包装工程，2018，39（17）：170-175.

[2] 豆磊.码垛机器人的现状及发展趋势研究[J].时代农机，2018，45（7）：87