基于機器視覺檢測的碼垛機器人控制系統設計
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摘 要：目前，人們對碼垛機器人提出了更高的要求，提高碼放效率、實現規則物體分揀碼放已經成為了一項重要工作。因此，該文將對碼垛機器人進行闡述，并詳細探究基于機器視覺檢測的碼垛機器人控制系統設計，希望可以為相關工作者的研究提供一些幫助。
關鍵詞：機器視覺檢測 碼垛機器人 硬件設計
中圖分類號：TH264 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0005-02
1 碼垛機器人概述
碼垛機器人是為了將更高生產效率提供給現代生產而由計算機程序與機械有機結合生成的產物[1]。這一機器人在碼垛行業得到了廣泛運用，并且具有以下幾方面特點：第一，結構簡單、零部件少，這也就使得零部件具備可靠性能，并且維修保養工作十分簡單;第二，占地面積少，這一機器人只要設置在狹窄空間中就能夠被有效運用，這給客戶留出大面積庫房提供了可能;第三，能耗低，通常情況下，機械式碼垛機功率是26kW，而碼垛機器人的功率只有5kW，可以有效降低客戶運行成本;
2 基于機器視覺檢測的碼垛機器人控制系統設計
2.1 工作原理
以機器視覺為基礎的碼垛機器人控制系統包括四軸碼垛機器人、工業攝像機、工業控制器、機械氣動抓手、圖像采集卡以及運動控制卡等。這一控制系統分成上下兩層，其中，在上層上位機中，工控機占據核心位置，工業攝像機的工作就是對物品圖像進行傳送，之后通過圖像處理技術的運用，做好碼放物品定位與跟蹤工作，并促進最終分揀碼放工作的完成。下位機中占據核心地位的則是運動控制器，這一設備的作用就是對碼垛機器人四軸進行同步控制與插補控制，并促進機器人抓手自動控制的實現，從而嚴格依照工業具體要求碼放好相應物品。
2.2 圖像處理
2.2.1 圖像去噪
在實際采集與傳輸過程中，圖像經常會遭到各種程度外在噪音的影響，不但會使圖像變得模糊不清，還極易丟失大量圖像細節，在很大程度上會阻礙碼垛機器人后續動作程序順利開展。因此，在采集到相關圖像之后，必須處理圖像的噪聲，以此來對圖像重要細節進行保護。為了更好濾除圖像噪音，該文采取了鄰域平均法，即由相鄰區域中眾多像素灰度的平均值來代替每一像素灰度。假設采集到帶有N×N像素的原始圖像是g（x，y），并且去除噪音后的圖像是h（x，y）?？梢缘玫竭@樣一個公式：h（x，y）=g（x，y），其中，x，y=0，1，2，…，N-1;x則是（x，y）相鄰區域圖像的全部像素坐標。
在運用相鄰區域平均法這一具體方法時，通常情況下會損失部分圖像信息，并出現細節模糊或者是邊緣模糊的情況。針對這一問題，該文采取閾值法進行解決，具體公式如下：
其中，T是指非負閾值。通過這種方法的運用，可以促進圖像清晰度的提升，并將圖像模糊程度降到最低[2]。
2.2.2 圖像分割
假設分割閾值是T，若圖像灰度值超過T，那么其就是目標區域;若圖像灰度值低于T，那么其就是背景區域。圖像熵值定義如下：
H=-p（x）·lgp（x）dx
其中，p（x）是指像素發生概率，并且p（x）=ni/N，ni是指像素數量，N則是像素的總數量。
背景區域中的概率是Pb=p（x）=ni/N，x=0，1，…，T-1;
目標區域中的概率則是Po=p（x）=ni/N。
其中，x=T，T+1，…，L，并且L是指圖像灰度極數。
由此可以得出，背景區域熵與目標區域熵定義分別是Hb（T）=-（px/Pb）lg（px/Pb），x=0，1，…，T-1;Ho（T）=-（px/Po）lg（px/Po），x=T，T+1，…，L。圖像熵則是背景區域熵值與目標區域熵值的總和，即H（T）=Hb（T）+Ho（T）。依照最大熵法原理可知，所求閾值應該選擇圖像熵的最大值，因此，T=arg max（H（T））。
2.3 控制系統
2.3.1 軟件設計
要想促進視覺機器人編程可讀性與條理性的提升，就應該將模塊化編程思想運用到機器人軟件設計中，以功能為依據，將整個系統劃分成圖像處理算法、系統初始化模塊、用戶程序加載模塊以及中斷服務模塊等。
軟件設計的總體流程如下：開始—系統上電—程序加載—系統初始化—SAA7133啟動—系統等待中斷—是否結束中斷信號。若選擇“否”，則回到上一步，若選擇“是”，則依照下述流程繼續進行，即關閉DSP中斷、屏蔽外部中斷—DSP接收圖像并傳送到圖像采集卡—圖像處理算法—DSP將信號發送給機器人的控制系統—打開DSP中斷、打開外部中斷。在最終步驟結束后，如有需要，還應該回到SAA7133啟動步驟。
2.3.2 硬件設計
包裝碼垛系統的硬件主要包含運動控制卡與工業控制器，其中，工控機在控制器中占核心位置，而運動控制卡的作用就是促進機器人四軸同步控制與插補運動的實現。工控機和運動控制卡通信主要由PCI總線控制，并且碼垛機器人的四軸伺服驅動器控制可由運動控制卡同時完成。
運動控制卡主要對碼垛機器人A、x、y以及z四軸同步運動進行控制，具體包括高速數據采集、伺服驅動以及插補運算等工作，而且機器人的多軸插補運算工作能夠在內部完成。通常情況下，只要在IPC插槽中直接安插運動控制卡，那么就能夠以動態鏈接方式實現驅動。ADT—8948A1運動控制卡是以PCI總線為基礎的、性能較高的多軸伺服電機運動控制卡，內核是兩片以DSP為基礎的專用運動控制芯片（產于日本NOVA公司），其接口數量眾多，編程也較為簡單，被廣泛運用到工業控制領域中。
3 結語
綜上所述，做好以機器視覺檢測為基礎的碼垛機器人控制系統設計具有重要意義。因此，必須了解碼垛機器人具備的特點，并從圖像去噪、圖像分割以及軟硬件設計等入手，完成圖像處理與控制系統設計等工作，提高機器人碼放穩定性與可操作性，從而促進物品高效碼放的實現。
參考文獻
[1] 劉永勛，千紅濤.基于模糊控制的導軌型碼垛機器人設計與實現[J].包裝工程，2018，39（17）：170-175.
[2] 豆磊.碼垛機器人的現狀及發展趨勢研究[J].時代農機，2018，45（7）：87
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