基于工业机械臂的钢筋的视觉识别分拣的研究与应用

马栓鹏，苏世龙，靳程锐，樊则森，雷俊，杨博

(中建科技集团有限公司， 广东 深圳 518118)

1 引言

2020年7月，住房和城乡建设部等13部门联合发布了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》（建市〔2020〕60 号）（以下简称《意见》），《意见》给出了推进建筑工业化、数字化、智能化升级，加快建造方式转变，推动建筑业高质量发展的意见。此文件的发布更加坚定了建筑工业化的道路。建筑工业化就是借鉴工业生产的经验，取其精华,去其糟粕，在应用中改进落后的建筑生产工艺，既要提高效率，也要充分考虑了建筑业的现状。科创中心在经过实践和调研后，发现现有的钢筋工程的作业不仅机械化程度低，而且是一个劳动密集型的工作，同时普遍存在用工荒的现象。虽然片状钢筋网已实现自动化生产，但是柱子、飘窗等复杂钢筋网笼的绑扎还是由纯人工完成[1]。因此，人工绑扎存在的问题，如绑扎标准化差、下模浇筑时需要大量的修正等问题普遍存在。此问题的根本原因是钢筋生产没有标准化，钢筋的调直、折弯不达标，然而调直折弯的精度确影响着后续生产能否自动化。因此，本课题意在研究钢筋标准化调直折弯，以及自动化分拣和供料，根源性地解决了后续工艺需要做的修正工作，为钢筋笼的自动化生产提供基础支撑。

2 工业机械臂钢筋使用中存在的问题

2.1 钢筋没有统一标准

在13部委发布的《意见》中明确提出了大力发展装配式建筑，推动建立以标准部品为基础的专业化、规模化、信息化生产体系。大力推进先进制造设备、智能设备及智慧工地相关装备的研发、制造和推广应用，提升各类施工机具的性能和效率，提高机械化施工程度的要求。建筑工业化既是机械化过程也是自动化过程，通过改造旧有生产工艺，解决旧有工艺存在的产品质量不一、劳动密集、工作环境差、生产效率低下等问题，提升旧有生产方式的机械化和自动化程度。在预制混凝土构件厂，构件生产的最重要的一环就是钢筋的生产，而钢筋绑扎的第一步就是钢筋的调直折弯，因此，钢筋的标准化生产将影响后续的所有生产工艺和生产状况[2]。

2.2 机械化和自动化水平不高

在PC构件生产中，钢筋加工的机械化和自动化水平普遍不高。常见的生产工艺是这样的：钢筋工人将盘圆钢筋接到调直切断机，然后手动输入钢筋长度和数量，再然后控制机器将钢筋调直、切断。加工完的长直筋被运送到弯折工位，此工位的工人通过折弯机对钢筋进行折弯处理。此种生产方式普遍存在着钢筋长度有的太长，有的尺寸不够的问题，而且在折弯处理中也存在折弯角度过大或者过小以及折弯位置存在偏差的问题。这些偏差就会影响钢筋笼绑扎环节以及钢筋笼下模浇筑的工艺，甚至影响构件的拼装效果。

3 解决对策

3.1 调直折弯问题的解决方法

调直折弯问题，可采用调直折弯一体机解决。它可以将盘圆钢筋一步到位加工成型，成品钢筋的尺寸和折弯角度都能得到很好的保证。但是，一体机也有其局限性。它是一个独立的机器，目前还不能与后续工艺工位相串联，一体机生产的钢筋也是杂乱无章地散落在地上，这对后续的输送和自动化抓取极为不利，不能直接为下一工艺的钢筋网笼的自动绑扎提供标准化、有序的成批钢筋。因此，将盘圆钢筋的调直、折弯、切断、输送、分拣放在一个系统中解决是很有必要的，能有效地解决钢筋标准化不达标和钢筋自动化上料的问题[3]。

在本课题的研究中还是采用调直折弯一体机加工钢筋。一体机加工钢筋具有一致性好，钢筋尺寸和折弯角度标准化高的特点。然后，为一体机设计一个接收装置，将加工完的钢筋接收到输送链，通过输送链进行输送。在输送链的正上方放置相机，相机与工业PC相连，PC运行视觉算法，算法输出钢筋的类型以及位置坐标；以以太网为物理连接，通过数据协议发送给机械臂；机械臂通过数据解析算法获得控制指令和数据；然后，机械臂动态跟踪输送链，到达钢筋上方，并且与输送链保持同速，再然后抓取钢筋，且放到料盒中。每个料盒可集中存储一批钢筋，料盒满仓后，由移栽机将料盒移栽到另一条输送链上，料盒通过输送链可运输到钢筋绑扎自动化工作站，也可以为人工绑扎供料[4]。

3.2 视觉识别技术

此生产工艺使用了以视觉识别为核心的整套技术。为了突破现有相机的拍照范围的局限，采用了图像拼接技术，在相机标定的基础上，根据特征点将图像进行拼接。将拼接图像输入深度学习的算法中，在本课题中采集了上千张的优质图像用于神经网络的训练，可在毫秒级内识别出钢筋的类型。并且根据钢筋的类型，通过几何计算算法得出钢筋的抓取点和抓取角度，最后发送到机械臂。

在此系统中还融合了输送链跟踪技术。相机作为一个传感器为机械臂提供跟踪信号，机械臂在跟踪信号来临时，开始通过旋转变压器跟踪输送链运行距离，并且实时反馈到机械臂系统。在实时跟踪下、物料的抓取可以在输送链动态下实现，有效地保证了整套系统的效率。

在机械臂的前端还设计了专用的抓取工具，此工具除了抓取功能以外还具有钢筋姿态调整功能。通过伸缩气缸和旋转电机对钢筋进行姿态的调整，便于将钢筋整齐地放到料盒，整套前端执行器由PLC驱动，机械臂与PLC通过Profinet通信协议实现通信控制，保证了前端工具功能的实现。

整套系统由安全PLC统筹调配。首先，操作人员与HMI交互，获取加工信息；PLC从HMI获取信息，经过处理后，将加工命令发送到钢筋调直折弯一体机、输送链、机械臂等控制单元。PLC通过网络与远程的智慧建造平台相连接，工作站的实时数据会上传到智慧建造平台，实现了远程实时监测工作站的运行情况。在未来也可以在办公室内下达生产命令，在远在千里的工厂实施生产[5]。

4 结语

基于工业机械臂的钢筋的视觉识别分拣工作站在行业内属于首例，在以往的钢筋加工中，各种小型设备独立运作，生产单元也相对比较独立，无法有效地串联起来，形成1+1大于2的效果。在建筑工业化驱动下，采用信息化和自动化的手段，将整个钢筋加工工艺打通，形成完整的生产流水线，极大地提高了钢筋加工的效率，也进一步推动了建筑业的发展。可以说，这在建筑工业化探索的道路中迈出了一小步。