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                        工字輪自動搬運機械手控制系統設計

                        添加時間:2020/05/26 來源:未知 作者:論文定制
                        本課題來源于某生產金屬制品設備的企業項目:精細鋼絲繩繞線工字輪自動搬運生產線設計.
                        以下為本篇論文正文:

                          摘 要

                          隨著工業智能制造程度的深入,搬運機器人越來越多地應用于現代工業生產中.在金屬線材生產企業中,用于收卷金屬線材的工字輪的搬運過程也逐步開展了自動化生產的研究.但是在實際生產中,繞線工字輪的搬運存在著普通搬運機器人因行程、負載、定位準確率等不足無法抓取而主要依靠人工搬運的現狀,使得企業的人工成本上升、生產效率降低.為了提升生產過程中工字輪搬運的自動化、智能化程度,實現提質增效,本文主要通過機器視覺技術結合 PLC 控制方 式,研究了基于機器視覺的工字輪自動搬運設備的機械手控制系統,其主要內容如下:

                          (1)對工字輪搬運系統總體進行研究:分析了工字輪的搬運過程,根據工字輪搬運的機械手的設計需求,設計了以桁架式為主體的搬運機械手結構,并對末端執行器進行了力學分析,驗證其可行性.在視覺系統設計中,對圖像采集裝置的主要硬件作了選型;同時,在 PLC 控制系統設計中對核心控制器作了選型,并介紹了視覺系統和 PLC 控制系統的軟件設計部分.根據 AGV 運行精度的要求,對移送貨箱的 AGV 的控制器設計作了理論探究,并進行了軌跡跟蹤的數值仿真.

                          (2)對視覺系統中工字輪目標的識別與定位進行研究:通過對相機成像模型的分析,進行了相機標定,同時結合手眼關系得到機械手在抓取目標工字輪的過程中所涉及的坐標轉換關系.通過實際對比確定工字輪圖像的處理方法,經由形態學后處理獲得較為理想的工字輪輪廓圖像.通過對比分析 Hu 矩方法,提出了一種基于直線特征點提取并進行最優直線擬合的算法來實現對工字輪圖像實際輪廓中心點的定位,經坐標轉換關系,確定工字輪的真實坐標.

                          (3)對工字輪搬運的機械手運動控制系統進行研究:通過遺傳算法對工字輪搬運的機械手進行路徑規劃,確定了工字輪的搬運次序.通過分析系統的控制要求,確定了工字輪搬運的機械手的動作流程,并對硬件電路部分進行了設計,同時使用順序控制法設計 PLC 控制程序.通過對上位機的功能進行分析,采用模塊化方法設計其人機界面,實現控制系統的可視化操作.在系統通訊上,采用OPC 通信技術完成上位機計算機和下位機 PLC 之間的數據傳輸.同時對控制系統進行總體測試,驗證系統的可行性.

                          關鍵詞:工字輪搬運;機器視覺;目標識別與定位;PLC 控制系統

                          Abstract

                          With the deepening of industrial intelligent manufacturing, handling robotshave been used in modern industrial production more and more increasingly. Inmetal wire production enterprises, the research on automatic production of I-wheelshandling process for coiling metal wire has been carried out step by step . However,in the actual production, the handling of the winding type wheel has the currentsituation that the general handling robot is mainly unable to grasp due to insufficientstroke, load, positioning accuracy and mainly relies on manual handling, whi chcauses the labor cost of the enterprise to rise and the production efficiency todecrease. In order to improve the automation and intellectualization of I-wheelshandling in the production process and improve the production effectively. Throughmachine vision technology and PLC control mode, this paper studied themanipulator control system of I-wheels automatic handling equipment based onmachine vision. The main contents were as follows:

                          (1) We studied the overall system of the I-wheel handling. The handling processof I-wheels was analyzed. According to the design requirements of I-wheelshandling manipulator, a truss-type handling manipulator structure was designed, andthe force of the end-effector was analyzed to verify its feasibility. In the part ofvisual system design, the main hardware of the image acquisition device wasselected. At the same time, the core controller was selected in the PLC controlsystem, and the software design of visual system and PLC control system wasintroduced. According to the requirement of AGV operation accuracy, the design ofAGV controller for delivery container was theoretically explored, and the numericalsimulation of trajectory tracking was carried out.

                          (2) We studied the recognition and localization of the I-wheel target in visualsystem. Through the analysis of the camera imaging model, the camera calibrationwas carried out, and the coordinate transformation relationship of the manipulator inthe process of grasping the target I-wheel was obtained by combining the hand-eyerelationship. The processing method of the I-wheel image was determined by actualcomparison, and the ideal I-wheel contour image was obtained by morphologicalreprocessing. By comparing and analyzing Hu moment method, an algorithm basedon line feature points extraction and optimal line fitting was proposed to locate thecenter point of the actual contour of the I-wheel image. The real coordinate of theI-wheel was determined by coordinate transformation.

                          (3) We studied the motion control system of I-wheels handling manipulator. Thegenetic algorithm was used to plan the path of the manipulator for I-wheels handling,and determined the handling order of the I-wheels. By analyzing the controlrequirements of the system, the action flow of the manipulator for I-wheels handlingwas determined, and we designed the hardware circuit. At the same time, thesequence control method was used to design the PLC control program. Through theanalysis of the functions of the upper computer, the man-machine interface wasdesigned by modularization method, which realized the visual operation of thecontrol system. In system communication, we used OPC communication technologyto complete data transmission between PC and PLC. At the same time, the overalltest of the control system verified the feasibility of the system.

                          Key words: I-wheels handling; machine vision; target recognition andpositioning; PLC control system

                          目 錄

                          第一章 緒論 .........................................................................................................1

                          1.1 課題研究背景及意義 ...............................................................................1

                          1.1.1 課題來源 ........................................................................................1

                          1.1.2 研究背景及意義 .............................................................................1

                          1.2 基于機器視覺的搬運機器人國內外研究現狀 ..........................................2

                          1.3 與課題相關的關鍵技術研究現狀.............................................................3

                          1.3.1 目標識別與定位的研究現狀...........................................................3

                          1.3.2 機械手控制方式的研究現狀...........................................................4

                          1.4 課題的主要內容與論文總體結構.............................................................5

                          1.4.1 課題的主要內容 .............................................................................5

                          1.4.2 論文總體結構 .................................................................................6

                          1.5 本章小結..................................................................................................6

                          第二章 工字輪搬運系統總體設計 ........................................................................7

                          2.1 工字輪搬運過程的概述 ...........................................................................7

                          2.2 工字輪搬運的機械手設計需求 ................................................................7

                          2.3 工字輪搬運的機械手系統總體結構設計 .................................................9

                          2.3.1 工字輪搬運的機械手本體結構設計 ............................................. 10

                          2.3.1.1 機械手的本體結構 .............................................................. 10

                          2.3.1.2 末端執行器的力學分析 ...................................................... 11

                          2.3.2 視覺系統設計 ............................................................................... 13

                          2.3.3 PLC 控制系統設計 ........................................................................ 16

                          2.4 移送貨箱的 AGV 控制器設計 ................................................................ 17

                          2.4.1 需求分析 ...................................................................................... 17

                          2.4.2 運動學分析 .................................................................................. 17

                          2.4.3 控制器設計及數值仿真 ................................................................ 19

                          2.5 本章小結................................................................................................ 22

                          第三章 基于機器視覺的工字輪目標識別與定位 ................................................ 23

                          3.1 相機標定................................................................................................ 23

                          3.1.1 相機透視投影模型 ....................................................................... 23

                          3.1.2 相機的畸變模型 ........................................................................... 26

                          3.1.3 相機標定的方法 ........................................................................... 27

                          3.1.4 相機標定實驗 ............................................................................... 28

                          3.2 手眼關系................................................................................................ 29

                          3.3 圖像預處理 ............................................................................................ 30

                          3.3.1 灰度化處理 .................................................................................. 30

                          3.3.2 濾波處理 ...................................................................................... 30

                          3.4 圖像分割................................................................................................ 32

                          3.4.1 灰度閾值分割 ............................................................................... 32

                          3.4.2 直方圖閾值分割 ........................................................................... 33

                          3.5 形態學處理 ............................................................................................ 33

                          3.5.1 數學形態學的基本思想 ................................................................ 34

                          3.5.2 形態學的基本運算 ....................................................................... 34

                          3.5.2.1 膨脹和腐蝕 ......................................................................... 34

                          3.5.2.2 開運算和閉運算.................................................................. 35

                          3.5.3 基于形態學的工字輪圖像后處理 ................................................. 35

                          3.6 工字輪目標定位..................................................................................... 35

                          3.6.1 直線特征點提取及最優直線擬合 ................................................. 36

                          3.6.2 目標中心點確定及坐標轉換......................................................... 38

                          3.7 本章小結................................................................................................ 38

                          第四章 工字輪搬運的機械手控制系統設計與實現 ............................................ 40

                          4.1 控制系統總體結構 ................................................................................. 40

                          4.2 工字輪搬運的機械手的路徑規劃........................................................... 40

                          4.2.1 問題分析 ...................................................................................... 41

                          4.2.2 基于遺傳算法的路徑規劃 ............................................................ 41

                          4.2.3 仿真分析 ...................................................................................... 43

                          4.3 PLC 控制系統設計 ................................................................................. 43

                          4.3.1 機械手動作分析 ........................................................................... 43

                          4.3.2 PLC 硬件控制電路設計................................................................. 44

                          4.3.3 PLC 程序設計 ............................................................................... 47

                          4.4 上位機人機界面程序設計 ...................................................................... 48

                          4.5 系統通訊................................................................................................ 49

                          4.5.1 OPC 原理 ...................................................................................... 49

                          4.5.2 上位機 PC 與下位機 PLC 的通訊 ................................................. 50

                          4.6 控制系統現場調試 ................................................................................. 54

                          4.7 本章小結................................................................................................ 56

                          第五章 總結與展望 ............................................................................................ 57

                          5.1 總結 ....................................................................................................... 57

                          5.2 展望 ....................................................................................................... 58

                          參考文獻 ............................................................................................................. 59

                          第一章 緒論

                          1.1 課題研究背景及意義

                          1.1.1 課題來源

                          本課題來源于某生產金屬制品設備的企業項目:精細鋼絲繩繞線工字輪自動搬運生產線設計.

                          1.1.2 研究背景及意義

                          隨著我國經濟的快速發展,我國制造業也呈現蓬勃發展的趨勢,但是在產業結構方面,"勞動密集型"產業依然是主要模式.目前,我國的人口紅利逐漸消失,勞動力資源也隨之變化,呈現出短缺的現象,使得勞動力在市場供求關系上產生了巨大的變化[1].因此促使勞動力成本逐漸增加,"勞動密集型"企業的生產成本也逐步上升,企業生存與發展面臨巨大挑戰,推動產業的改造與升級已經迫在眉睫.我國政府為應對未來科技與產業的巨大變革,制定了《中國制造 2025》,作為提升制造業整體實力、建設世界制造強國的行動綱領.以強化基礎、智能轉型、創新驅動、綠色發展為要義,加快制造業實施產業升級、質效并舉的重大戰略任務和重大舉措措施,使我國到 2025 年確立制造強國的世界地位[2].

                          近年來,我國金屬線材制品行業步入了快速發展的新時期,線材制品在產量和質量上都取得了極大提升,扭轉了某些重要用途的線材制品嚴重依賴進口的局面[3].但是,隨著世界多元化的深入發展,世界經濟在深度調整中較為缺乏增長動力.為保持我國經濟平穩有序地發展,推進供給側改革是各行各業的應有之義.我國金屬線材制品行業為應對經濟形勢的變化,淘汰落后產能,逐漸降低線材產量.另外,隨著我國勞動力成本逐漸增加,作為"勞動密集型"企業中的金屬線材企業亟需進行相關工藝的改造與升級以保障其效益.

                          工字輪作為收卷金屬線材的一種工具,其搬運過程屬于重復性勞動,同時由于工字輪盤重通常也較大,使得工人的勞動強度很大,繞線工字輪的搬運效率也較低,企業的生產效率隨之降低.目前,搬運機器人廣泛地應用于工業生產中,能夠在一定程度上降低由于勞動力成本上漲對企業造成的影響,同時能夠促使企業加大科技創新力度、加快企業生產轉型.但是傳統的搬運機器人大多是通過人工在線示教或離線編程來實現工業自動化生產的,自動化程度不高,當工件定位裝置的加工精度與搬運機器人的重復定位精度產生較大誤差時,會造成搬運機器人無法正常工作.通過傳感器、光學成像、控制、計算機軟硬件、人機接口以及圖像處理等技術綜合形成的機器視覺技術能夠實現精確定位,適應自動化生產[4]. 機器視覺與工業生產的結合已經成為智能制造的熱點,在現代的工業生產過程中,機器視覺技術以其自身極大的優勢,開創了新的工業生產方式,極大程度地提高了工業生產的效率,其在智能化生產發展方面具有重大作用[5].機器視覺技術在工業生產的各個環節中的深入研究,對進一步提高工業生產的自動化、智能化,建設無人工廠、智慧工廠有著很重要的意義.

                          對于工字輪搬運過程的研究,本課題主要通過機器視覺技術實現工字輪的實時識別與定位,經機械手自動化控制完成工字輪的自動搬運,使得系統的柔性化增強,對企業在降低生產成本、提質增效、智能轉型等方面具有一定的價值.

                          1.2 基于機器視覺的搬運機器人國內外研究現狀

                          國外很早就開展了對于搬運機器人的研究,機器視覺與之相結合的研究也相應地取得了不少成果.1960 年,Unimation 公司在物體搬運過程中使用了世界上最早的搬運機器人 Versatran 和 Unimate [6].1973 年,Shirai 和 Inoue 通過在一個位置固定安裝攝像機的方式,將視覺引入機械手的控制系統中,實現了對目標的定位,完成了機械手對目標的相關操作[7].1974 年,瑞典的 ABB 公司在物料搬運方面研制了世界上第一臺全電控式的 IRB6 工業機器人[8].此后,機器人行業進入快速發展時期.美國 ST Robotics 公司研發的 ST 機械手可以應用于較為復雜的工作中,能夠完成實驗室樣品的處理和物料搬運任務[9].如圖 1-1 所示為瑞 士 SIG 公司研制的一種基于機器視覺并可用于生產線上的搬運機器人 XR22,XR22 機器人能夠快速抓取生產線上的產品,并將產品有序地放置在相應的位置上[10].如圖 1-2 所示為瑞士 ABB 公司自主設計的 True View 系統,主要通過視 覺系統的硬件及軟件平臺、相關算法等與 ABB 機器人控制系統相結合,當工件的類型和位置發生變化時,也能夠實現對目標工件的精確定位[ 11 ].目前 TrueView 系統已經應用于搬運等相關的工業生產中.

                          我國搬運機器人的研發相比于國外開始較晚,有關機器視覺和搬運機器人相結合的研究也較國外稍滯后一些.在搬運機器人的研發方面,李金泉等[12]通過對現有的某款機器人的改進,研制了具有 50kg 負載能力的 TH50 型搬運機器人.中科院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所在 2013 年自主研發了能夠實現高速重載的搬運機器人,體現了國內在搬運機器人的相關技術領域內的領先水平[13].如圖 1-3 所示,搬運機器人的本體采用并不復雜的四連桿機構,能夠負載上百公斤,同時結合相關智能算法實現了對搬運機器人處于高速運行時的精確控制,能夠達到每小時 1200 件物品的搬運效率.在機器視覺與搬運機器人相結合的方面,邱泓等[14]通過 PC 與 PLC 相結合的機器視覺檢測控制,設計開發了針對玻璃瓶識別與快速抓取的自動搬運系統,具有較高的可靠性.彭路等[15]通過視覺與激光傳感器相結合,獲取到散熱片的相關信息,并改進了 Harris 角點檢測算法,實現了散熱片的自動搬運,其檢測精度與效率較高.李湘偉等[16]設計研究了一種基于機器視覺的工件分揀與搬運的小型機器人系統,實現了不同顏色的同種工件的分揀與搬運,識別率高.

                          綜上所述,國內外對于搬運機器人的研究已日益深入,不同用途、不同負載能力的搬運機器人應用于工業自動化生產中,能夠把工人從單一、重復的勞動過程中解放出來,有助于實現勞動力資源的集約化,并提高生產效率.但是大多數的搬運機器人只是僵化地執行預定的動作,當目標工件的位置發什么變化時,機器人往往不能正確抓取目標.基于機器視覺技術能夠實現對目標相關信息的實時獲取,使搬運機器人的智能化程度得到提高.繼續拓展基于機器視覺的搬運機器人的研發與應用領域,能夠促進工業生產的智能化、柔性化發展,助力智能制造的發展與智慧工廠的建設.

                          1.3 與課題相關的關鍵技術研究現狀

                          1.3.1 目標識別與定位的研究現狀

                          隨著計算機性能的提高以及各種智能算法的發展,圖像處理技術變得日益成熟.以圖像處理為核心的機器視覺技術的研究與應用也在快速展開.圖像處理與機器視覺都是指對目標圖像的分析處理,圖像處理主要側重于通過數學變換實現圖像中目標信息的提取,而機器視覺則是側重于通過對圖像中目標的識別與定位來獲得目標三維空間信息[17].

                          在圖像處理的相關算法的研究中,針對目標識別與定位的理論方法已取得很多研究成果.Yu-Lan Z[18]提出了一種基于目標區域不同和目標與背景之間一維平均灰度絕對差最大值相結合的快速目標檢測方法.Li L 等[19]提出了一種基于目標輪廓的快速識別算法.該算法基于相對輪廓矩不變的原理對目標進行了識別.Xia G 等[20]針對實時系統中算法復雜度、跟蹤精度和快速性之間的矛盾,提出了一種新的改進的高效算法.該算法基于模板粗略匹配的特點,通過降低分辨率,采用序貫相似性檢測算法(SSDA)對目標進行定位.同時,研究者提出了基于置信度最大近距離的模板更新算法,并采用卡爾曼濾波算法對目標位置進行估計,降低了遮擋時的目標丟失率.Wang Y 等[21]通過自適應遺傳算法的二維 Otsu 分 割完成圖像分割,實現了機器人視覺的目標識別與定位.Zhang H 等[22]從亞像素邊緣定位出發,根據實際圖像的中心幾何特征和灰度分布特征,提出了一種改進的亞像素邊緣提取算法,然后采用最小二乘法實現中心定位.Wang Hao 等[23]通過形狀矩不變量和加權歐氏距離進行了相應算法的改進,并驗證了該算法對光照的不敏感性,其在識別顏色相近的物體方面具有很大的優勢,具有高效、準確、魯棒性好等優點.Guan F 等[24]利用 SURF 算法提取單個目標或多個目標的特征點,并將目標特征存儲在數據庫中,然后在圖像配準過程中遍歷目標數據庫對目標進行識別,實現了對三維旋轉目標和多目標的快速有效識別.

                          綜上所述,目標識別與定位的算法研究成果較多,但是基于機器視覺技術的應用場景的不同,仍然需要提出一種有效的算法去解決實際生產中遇到的目標識別與定位問題.

                          1.3.2 機械手控制方式的研究現狀

                          機械手的控制方式大體上可以分為三類:基于計算機的控制方式、基于單片機或微處理器的控制方式以及基于 PLC 的控制方式.根據應用領域的不同,其控制方式也有所不同.

                          Hong K S 等[25]研究了一種基于計算機的開放式機械手控制系統.該系統由基本軟件、應用程序和計算機平臺上的其他硬件設備組成,能夠實現不同生產環境下的系統優化,同時允許各模塊簡單地修改,具有良好的開放性能.沈孝芹等[26]設計了基于 STC89S52 單片機的機械手控制系統,完成了對目標物體的自動搬運,同時實現了多機械手應用于搬運過程的聯動控制.徐建明等[27]采用 ARM 處理器作為機械手的控制核心,提出了脈沖轉換以及位置控制的相關算法,進行了機械手的軌跡、速度規劃,同時實現了機械手的位置控制.郭艷萍等[28]以 PLC和脈沖輸出模塊組成機械手控制系統,快速、準確地實現了機械手的位置控制,完成機械手的物料搬運任務.董茂起[29]等基于西門子 S7-200 型 PLC 實現了對搬運機器人的自動與手動控制,具有成本低廉、工作可靠等優點.

                          綜上所述,基于計算機的機械手控制方式,具有良好的開放性能、控制靈活等特點.基于單片機或微處理器的機械手控制方式,其硬件設計相較復雜但算法靈活.基于 PLC 的機械手控制方式,可靠性較高、便于擴展、易于實現多軸聯動.通常需要根據實際應用的場景,對機械手的控制方式進行設計.

                          本課題主要針對實際生產中繞線工字輪的搬運存在著普通搬運機器人因行程、負載、定位準確率等不足無法抓取而主要依靠人工搬運的現狀,擬采用機器視覺技術結合 PLC 控制方式研制出一種能夠實現工字輪自動搬運的機械手控制系統.

                          1.4 課題的主要內容與論文總體結構

                          1.4.1 課題的主要內容

                          本課題主要研究內容為基于機器視覺的工字輪自動搬運設備的機械手控制系統,主要包括工字輪搬運系統總體設計、工字輪目標識別與定位以及運動控制系統等部分.其中工字輪搬運系統主要研究搬運機械手和移送貨箱的 AGV 兩部分.當 AGV 移送工字輪貨箱至移栽臺相應位置后,視覺系統對貨箱中的工字輪進行識別與定位,經數據傳輸后,再通過 PLC 控制系統對工字輪搬運的機械手的運動進行控制,完成工字輪的搬運任務.視覺系統在工字輪目標識別與定位過程中主要涉及到相機標定、工字輪圖像的采集、工字輪圖像的輪廓提取、工字輪目標的定位、坐標轉換等內容,通過視覺識別與定位可以獲取工字輪的位置信息,對工字輪進行準確定位.基于 PLC 的工字輪搬運的機械手的運動控制系統主要包括 PLC 控制系統、上位機以及系統通訊等部分,通過視覺系統傳輸的工字輪位置信息,控制機械手動作,實現工字輪的準確抓取與放置.課題的具體內容如下:

                          (1)工字輪搬運系統總體設計

                          本課題中研究的工字輪搬運系統主要包括搬運機械手和移送貨箱的 AGV 兩部分.結合工字輪搬運的機械手的設計需求,設計其總體結構.采用桁架式主體結合三軸驅動單元及氣爪作為其機械本體結構,并對氣爪進行力學分析.搭建視覺系統的圖像采集裝置,進行相機、鏡頭等主要硬件的選型.基于工字輪搬運的機械手的運動控制要求,對作為核心控制器的 PLC 進行選型以滿足生產需求.根據移送貨箱的 AGV 運行精度要求,對其進行理論探究,設計滿足要求的控制器.

                          (2)工字輪目標識別與定位設計

                          搭建的圖像采集裝置需要進行相機標定以獲取相關參數,同時結合手眼關系可以得到工字輪抓取過程中所涉及到的坐標轉換關系.通過實際對比確定圖像采集裝置采集到的工字輪圖像的處理方法,獲取較為理想的工字輪輪廓圖像.然后對工字輪輪廓圖像進行直線特征點提取,經最小二乘法的直線擬合方法確定出工字輪實際輪廓中心點的像素坐標,再結合坐標轉換關系得到機械手坐標系下工字輪實際輪廓中心點的坐標.

                          (3)工字輪搬運的機械手運動控制系統設計

                          對工字輪搬運的機械手進行路徑規劃,確定工字輪的搬運次序,節省設備的功耗.通過對系統控制要求的分析,確定機械手的動作流程,定義 I/O 端口并分配地址,根據所選的 PLC 型號設計硬件電路,并完成相應動作要求的 PLC 控制程序設計.設計便于運動控制系統與視覺系統集成的上位機界面,實現控制系統的可視化操作.同時,對系統的性能進行測試并驗證其可行性.

                          1.4.2 論文總體結構

                          本文共分為五個章節,具體如下:

                          第一章緒論.介紹了本課題的來源、研究背景及意義,闡述了基于機器視覺的搬運機器人的國內外研究現狀,并通過相關文獻介紹了目標識別與定位技術以及機械手控制方式的研究現狀,擬采用機器視覺技術結合 PLC 控制方式實現工字輪自動搬運的機械手控制系統設計,確定了課題的主要研究內容以及論文總體結構.

                          第二章工字輪搬運系統總體設計.分析工字輪搬運的過程,主要研究搬運機械手和移送貨箱的 AGV 兩部分.結合工字輪搬運的機械手的設計需求,設計其總體結構,包括工字輪搬運的機械手的本體結構、視覺系統以及 PLC 控制系統等部分的設計.闡述機械手本體結構組成、視覺系統中圖像采集裝置的硬件選型以及控制系統中核心控制器 PLC 硬件選型等,并介紹其軟件設計.根據移送貨箱的 AGV 運行精度要求,對其進行理論探究,設計滿足要求的控制器.

                          第三章基于機器視覺的工字輪目標識別與定位.首先通過對相機成像模型的分析,進行相機標定,同時結合手眼關系獲得相關坐標系之間的轉換關系:通過圖像處理的相關算法對采集到的工字輪圖像進行輪廓提取并定位工字輪實際輪廓中心點,經由實際坐標轉換關系,得到工字輪在機械手坐標系下的真實坐標.

                          第四章工字輪搬運的機械手控制系統設計與實現.對工字輪搬運的機械手進行路徑規劃,確定合理的工字輪的搬運次序.結合系統的控制要求,分析機械手的動作流程,根據所選的 PLC 型號設計硬件電路,并完成 PLC 程序設計.對上位機的功能進行分析,開發人機友好的上位機界面.采用 OPC 通信技術對上、下位機進行通訊配置,實現系統通訊.搭建控制系統的軟硬件測試平臺,測試系統性能.

                          第五章總結與展望.分析全文,總結課題主要完成的內容,并提出課題以后的研究方向.

                          1.5 本章小結

                          本章介紹了基于機器視覺的工字輪搬運的機械手控制系統研發這一課題的來源、研究背景及意義.結合相關參考文獻,闡述了基于機器視覺的搬運機器人的國內外相關研究現狀.論述了目標識別與定位技術以及機械手控制方式等相關技術的研究現狀.同時介紹了本課題的主要內容以及論文的總體結構.





















                         

                          …………由于本文篇幅較長,部分內容省略,詳細全文見文末附件

                          第五章 總結與展望

                          5.1 總結

                          本課題針對實際生產中繞線工字輪的搬運存在著普通搬運機器人因行程、負載、定位準確率等不足無法抓取而主要依靠人工搬運的現狀,以盤重較大的工字輪作為研究對象,開發設計了基于機器視覺的工字輪自動搬運設備的機械手控制系統.在對工字輪搬運系統進行總體設計的基礎上,完成了工字輪目標的識別與定位,同時基于 PLC 的運動控制實現了工字輪的自動搬運.經過現場測試表明,本系統能夠滿足實際需求.本文完成的具體內容總結如下:

                          (1)結合相關參考文獻,闡述了基于機器視覺的搬運機器人的國內外研究現狀,并對目標識別與定位技術以及機械手控制方式的相關技術現狀進行了分析. 為提高定位準確率,實現工業生產的智能化,采用機器視覺技術結合 PLC 控制方式設計工字輪搬運的機械手控制系統.

                          (2)分析了工字輪的搬運過程,主要研究了工字輪搬運系統的機械手以及AGV 兩部分.首先,結合實際生產中工字輪搬運的機械手的設計需求,對其總體結構進行了設計.以桁架式為主體,結合三軸驅動單元和由氣爪構成的末端執行器確定了工字輪搬運的機械手本體結構,并對氣爪進行了力學分析,驗證了可行性.以 COMS 相機、鏡頭等為主要硬件進行了圖像采集裝置的選型,并使用C#編程語言和 HALCON 圖像處理動態鏈接庫開發計算機的圖像采集與處理模塊,實現對采集到的工字輪圖像的處理.選用 SIEMENS S7-1200 系列 PLC 為核心控制器對工字輪搬運的機械手進行運動控制,并使用 TIA Portal 軟件來進行 PLC程序的編寫.其次,結合移送貨箱的 AGV 運行精度的要求,對其控制器設計作了理論探究,并進行了軌跡跟蹤的數值仿真,結果表明所設計的控制器能夠滿足要求.

                          (3)通過對相機標定中所涉及的相關數學模型的分析,采用了 HALCON 軟件完成了標定實驗,并根據手眼關系得到機械手在抓取目標工字輪的過程中所涉及的坐標轉換關系.通過實際對比確定了工字輪圖像灰度化、濾波、閾值分割等的處理方法,再結合形態學后處理過程獲得了較為理想的工字輪輪廓圖像.通過分析 Hu 矩方法定位工字輪的優點與缺點,提出了一種基于直線特征點提取并進行最優直線擬合的方法來實現對工字輪圖像實際輪廓中心點的定位.根據相機標定與手眼關系獲得的圖像像素坐標系與機械手坐標系的轉換關系,確定工字輪中心點坐標在機械手坐標系下的真實坐標,為機械手抓取提供精確的位置信息.

                          (4)通過遺傳算法對工字輪搬運的機械手進行路徑規劃,依據所給出的搬運路徑確定了工字輪的搬運次序,優化了系統性能.通過對工字輪搬運的機械手的運動控制要求的分析,確定了機械手執行相關任務的動作流程,完成了對 PLC中 I/O 端口的定義及相應地址的分配,設計了控制系統的硬件電路接線圖,同時運用順序控制法對 PLC 控制程序進行了設計.采用模塊化設計方法,完成了上位機的人機界面設計.同時,使用 OPC 通訊技術完成了上位機計算機與下位機S7-1200 PLC 的數據傳輸.搭建了工字輪搬運的機械手的軟硬件測試平臺,進行了現場性能測試,結果表明控制系統的性能可以滿足實際生產需求.

                          5.2 展望

                          本文對基于機器視覺的工字輪自動搬運設備的機械手控制系統進行了研究,具體實現了工字輪的精確定位,完成了機械手執行相關任務的運動控制.但對于本文的研究內容,依然還有許多方面有待進一步提高:

                          (1)對移送貨箱的 AGV 的研究中,只是對其控制器進行了理論設計,完成了軌跡跟蹤控制的數值仿真,使其滿足運行精度的要求,但其相應硬件部分的開發還有待深化研究.

                          (2)基于機器視覺的目標識別與定位涉及機械、光學、圖像、機電控制等多學科領域,本文涉及的工字輪目標識別與定位的相關算法雖然能夠達到系統的定位要求,但是在實際生產中可能會出現對經多次回收使用、表面污染嚴重、輪廓缺陷嚴重等狀況的工字輪無法精確定位的情況,因此在相關算法的優化方面還需要進一步的研究.

                          (3)在企業的實際生產中,本課題設計的工字輪搬運的機械手本體結構滿足其生產需求.但是隨著企業相關工藝的優化升級,研制不需要定位裝置的工字輪搬運機器人結構,能夠大大提升搬運過程與其他工藝結合的緊密程度,實現對生產全過程的優化.
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