專利名稱：一種數(shù)控車床單目視覺上下料機器人系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及上下料機器人，特別涉及數(shù)控車床上下料視覺機器人。其突出特點是使用單目視覺系統(tǒng)就可以實現(xiàn)數(shù)控車床的上下料。
背景技術(shù)：
中國的視覺技術(shù)的應(yīng)用開始于90年代，因為行業(yè)本身就屬于新興的領(lǐng)域，再加之機器視覺產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用幾乎空白。到二十一世紀，大批海外從事視覺行業(yè)技術(shù)人員回國創(chuàng)業(yè)，視覺技術(shù)開始在自動化行業(yè)成熟應(yīng)用，2004年，在國內(nèi)視覺行業(yè)具有劃時代意義的是深圳創(chuàng)科推出國內(nèi)首款高性能機器視覺軟件開發(fā)包CKVision， 代表了國內(nèi)視覺技術(shù)已經(jīng)日益成熟。目前，在我國，機器視覺主要應(yīng)用于產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。目前，數(shù)控車床上下料主要由人工完成，面對著勞動力成本的不斷上升和生產(chǎn)效率的提升，人們把更多的目光轉(zhuǎn)向了機器人。工業(yè)機器人的應(yīng)用具有重復(fù)定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢。與人工相比，能極大的提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)。但是由于數(shù)控機床的工件尺寸不固定，傳統(tǒng)的上下料機器人需要專用夾具裝夾，提高了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。顯然這種技術(shù)違反了數(shù)控車床柔性化的特點。武漢理工大學(xué)的型材搬運上下料機器人(專利號032M701. 3)使用攝像機作為光學(xué)傳感器，通過鼠標點擊操作完成上下料，需要有人值守，降低了機器人的智能化水平。江蘇大學(xué)的服務(wù)于兩臺數(shù)控機床上下料移動機器人的控制方法(申請?zhí)?01010603713. 9)通過雙目視覺系統(tǒng)實現(xiàn)上下料，需要兩臺工業(yè)CCD相機，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，雖然柔性較高，但是實現(xiàn)所需成本也較高。目前在國內(nèi)視覺系統(tǒng)主要應(yīng)用在焊接機器人上，極少涉及上下料機器人。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過視覺系統(tǒng)提高數(shù)控車床上下料的智能化和自動化水平，并且要降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。對于普通上下料機器人，需要工件規(guī)則放置，有些還需要安裝專用的夾具，有些機器人采用雙目或多目視覺系統(tǒng)，系統(tǒng)較為復(fù)雜。本發(fā)明克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種能有效簡單實現(xiàn)數(shù)控車床上下料的方法，根據(jù)攝像機采集的圖像信息，確定一個離機器人距離最近的棒料零件。機器人對雜亂擺放的工件能有效識別，使用示教盒示教的方式提高了機器人的可靠性。該方法還能有效的提高數(shù)控車床的裝夾精度，提高數(shù)控車床的柔性，降低生產(chǎn)成本。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是該發(fā)明由中小型通用機器人、 攝像機、光源、示教盒、上料臺和下料臺組成。其中控制系統(tǒng)由安裝有圖像處理軟件的DSP (或者ARM處理器)和MCS-51單片機組成。DSP (或則ARM處理器)是整個機器人中的核心，負責處理機器人上下料過程中采集的信息。光源通過串口與DSP (或則ARM處理器)相連，DSP通過串口控制光源的打開和關(guān)閉；攝像機通過1394數(shù)據(jù)線與DSP (或則ARM處理器)相連，通過1394數(shù)據(jù)線傳輸攝像機采集的圖像信息至DSP (或則ARM處理器)；攝像機還通過8腳的RJ45接口與DSP相連，DSP (或則ARM處理器)通過RJ45接口觸發(fā)控制攝像機進行圖像采集；示教盒是由MCS-51 單片機組成的，通過SPI接口與DSP (或則ARM處理器)連接；上料臺放在中小型通用機器人的左邊；下料臺放在中小型通用機器人的前面，數(shù)控車床放在中小型通用機器人的右邊； 攝像機放在上料臺的正上方；光源放在攝像機的下方。攝像機分辨率達到1600X 1200像素，檢測精度可以達到0. 02mm。完整的視覺系統(tǒng)包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)，圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊，智能判斷決策模塊，零件庫模塊和機械執(zhí)行模塊。視覺系統(tǒng)需要對攝像機進行標定來確定攝像機的位置、內(nèi)參和外參。上下料的過程如下
①在響應(yīng)數(shù)控車床上料請求信號后，系統(tǒng)打開工業(yè)相機光源，工業(yè)CCD相機采集數(shù)字圖像信號通過圖像采集卡采集至DSP中；
②此時關(guān)閉工業(yè)相機光源，DSP內(nèi)的視覺系統(tǒng)對采集的圖像進行處理分析，包括去噪、 圖像增強、中值濾波、canny算子邊緣檢測、圖像分割和視覺匹配；
③通過和零件庫中的零件進行比對，確定該零件的類型。視覺系統(tǒng)分辨率達到 1600X1200像素，檢測精度可以達到0. 02mm ；
④圖像處理分析過后，由DSP計算出距離機器人最近的那個棒料零件并確定抓取該零件。如果零件庫中沒有找到該類型的零件，則機器人請求進行人工示教，示教系統(tǒng)采用SPI 接口和DSP進行通信，并將人工示教的機械手的軌跡存在零件庫中。示教盒采用MCS-51系列單片機完成控制信息的接受和發(fā)送以及數(shù)碼管的顯示。DSP可向單片機傳送檢測到的機器人各個軸當前位置數(shù)據(jù)。之后如果再次出現(xiàn)該類型的零件，DSP則自動從零件庫中獲取該零件的上下料方案，包括零件的抓取方式，上料時的空間軌跡，下料時的空間軌跡；
⑤分析上料臺的棒料的空間位置及姿態(tài)，根據(jù)棒料的位置和姿態(tài)，機器人執(zhí)行抓取方案和裝夾方案，完成上料操作；
⑥當機床需要下料時，機床停止運行，打開數(shù)控車床擋門，DSP接收下料信號，根據(jù)機器人記錄上料時的信息確定下料方案，機械手執(zhí)行方案完成下料。本發(fā)明的有益效果是，結(jié)合了單目視覺系統(tǒng)，零件庫及人工示教模式，與傳統(tǒng)的上下料機器人相比，視覺系統(tǒng)增加了該機器人的對不同零件的識別能力；與雙目視覺系統(tǒng)相比，單目視覺原理簡單，結(jié)構(gòu)簡單，更容易實現(xiàn)，又降低了成本；人工示教模式又提高了系統(tǒng)的可靠性。由此，上下料機器人的智能化水平大幅提高，該機器人基本上實現(xiàn)了數(shù)控車床無人值守，數(shù)控機床加工和上下料的過程的連續(xù)性得到提高，該發(fā)明適合于數(shù)控車床棒料類零件的自動上下料。


圖1為機器人上下料系統(tǒng)示意圖。圖2為機器人上料過程流程圖。圖3為機器人下料過程流程圖。其中1一攝像機，2—上料臺，3—數(shù)控車床，4一機器人，5—光源，6—下料臺。
具體實施方式
本發(fā)明所述的光源是指的機器視覺專用的光源，用于在攝像機1采集圖像時提供照明，攝像機1通過1394數(shù)據(jù)線連接圖像采集卡，圖像采集卡安裝在DSP上。工業(yè)CXD攝像機1安裝在上料臺的上方，攝像機1周圍是環(huán)形光源5。選用的DSP型號為TMS320DM642， 該類型的DSP具有強大的圖像處理能力和運算能力。示教盒采用MCS-51系列單片機完成控制信號的接受和發(fā)送。DSP向單片機傳送檢測到的各軸當前位置數(shù)據(jù)，從單片機接收各軸運動的控制信號和示教信號。DSP作為控制系統(tǒng)的中樞，通過PCI總線集成六軸運動控制卡，六軸運動控制卡負責各個軸的運動控制和運動狀態(tài)反饋。數(shù)控車床開始運行，發(fā)出上料指令，DSP響應(yīng)并通過1394數(shù)據(jù)線向攝像機1發(fā)出圖像采集指令，DSP根據(jù)采集到的圖像和攝像機1標定的參數(shù)信息，確定工件的空間坐標位置和姿勢，通過六軸運動控制卡控制機械手抓取棒料并執(zhí)行上下料。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控車床單目視覺上下料機器人系統(tǒng)，其特征在于，包括控制系統(tǒng)、中小型通用機器人(4)、攝像機(1)、光源(5)、示教盒(7)、上料臺(2)和下料臺(6)；所述控制系統(tǒng)由安裝有圖像處理軟件的DSP和MCS-51單片機；DSP處理機器人上下料過程中采集的信息；所述光源(5)通過串口與DSP相連，DSP通過串口控制光源(5)的打開和關(guān)閉；攝像機(1)通過1394數(shù)據(jù)線與DSP相連，通過1394數(shù)據(jù)線傳輸攝像機采集的圖像信息至DSP ；攝像機(1) 還通過8腳的RJ45接口與DSP相連，DSP通過RJ45接口觸發(fā)控制攝像機(1)進行圖像采集；示教盒(7)是由MCS-51單片機組成的，通過SPI接口與DSP (或則ARM處理器)連接；上料臺放在中小型通用機器人(4)的左邊；下料臺(6)放在中小型通用機器人(4)的前面，數(shù)控車床放在中小型通用機器人(4)的右邊；攝像機(1)放在上料臺(2)的正上方；光源(5) 放在攝像機(1)的下方；所述系統(tǒng)在數(shù)控車床需要上下料時，響應(yīng)數(shù)控車床的請求，攝像機 (1)開始采集上料臺信息，對采集的圖像信息處理獲得工件的空間位置姿態(tài)和尺寸參數(shù)，把外形和尺寸參數(shù)與零件庫中的數(shù)據(jù)進行比對，如果零件庫中有該零件的上下料信息，則根據(jù)該信息執(zhí)行上下料動作；如果零件庫中沒有該零件的信息，則系統(tǒng)請求人工示教，并把人工示教時機械手的抓取方案和空間軌跡記錄在零件庫中。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的單目視覺上下料機器人，其特征在于，所述圖像處理軟件的DSP 用ARM處理器代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目視覺上下料機器人，其特征在于，所述攝像機(1)采用單目二維視覺測量的攝像機標定，不考慮鏡頭的畸變；攝像機上部安裝光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目視覺上下料機器人，其特征在于，所述攝像機(1)分辨率達到1600X 1200像素。
5.利用權(quán)利要求1所述的單目視覺上下料機器人的上下料方法，其特征在于，具體步驟為A)在響應(yīng)數(shù)控車床上料請求信號后，系統(tǒng)打開工業(yè)攝像機(1)光源，工業(yè)CXD攝像機 (1)采集數(shù)字圖像信號通過圖像采集卡采集至DSP中；B)此時關(guān)閉工業(yè)攝像機(1)光源，DSP內(nèi)的視覺系統(tǒng)對采集的圖像進行處理分析，包括去噪、圖像增強、中值濾波、canny算子邊緣檢測、圖像分割和視覺匹配；C)通過和零件庫中的零件進行比對，確定該零件的類型；D)圖像處理分析過后，由DSP計算出距離機器人最近的那個棒料零件并確定抓取該零件；如果零件庫中沒有找到該類型的零件，則機器人請求進行人工示教，示教系統(tǒng)采用SPI 接口和DSP進行通信，并將人工示教的機械手的軌跡存在零件庫中；DSP向單片機傳送檢測到的機器人各個軸當前位置數(shù)據(jù)；之后如果再次出現(xiàn)該類型的零件，DSP則自動從零件庫中獲取該零件的上下料方案，包括零件的抓取方式，上料時的空間軌跡，下料時的空間軌跡；E)分析上料臺的棒料的空間位置及姿態(tài)，根據(jù)棒料的位置和姿態(tài)，機器人執(zhí)行抓取方案和裝夾方案，完成上料操作；F)當機床需要下料時，機床停止運行，打開數(shù)控車床擋門，DSP接收下料信號，根據(jù)機器人記錄上料時的信息確定下料方案，機械手執(zhí)行方案完成下料。
全文摘要
一種數(shù)控車床單目視覺上下料機器人系統(tǒng)和方法，利用傳統(tǒng)的機床上下料機器人在料箱上部安裝工業(yè)相機，將采集的圖像信號傳輸至DSP，DSP通過對采集圖像的處理確定車床棒料的尺寸特征。根據(jù)尺寸特征與工控機中零件庫中的數(shù)據(jù)比對，確定零件的抓取方案。每一種類型的棒料第一次上下料需要人工示教，若再次出現(xiàn)該類型的棒料，DSP通過和零件庫中采集的圖像對比，調(diào)出該類型的棒料的上下料方案和智能識別抓取方案，將方案發(fā)送至機器人，機器人執(zhí)行方案，最終實現(xiàn)機器人智能上下料。
文檔編號B25J13/08GK102514002SQ20111044873
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者丁衛(wèi), 關(guān)號兵, 吳倩, 徐軍霞, 樊帆, 沈巍, 陳四杰, 陳艷, 顧寄南 申請人:江蘇大學(xué)