基于ABB機(jī)器人的分揀碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u13233基于ABB機(jī)器人的分揀碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1301141引言 295671.1選題研究背景及意義 271831.2該課題可解決的問題及技術(shù)要求 2206631.3國內(nèi)外研究進(jìn)展 3105661.4本課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 3148381.4.1總體方案 3325131.4.2結(jié)構(gòu)安排 3143302ABB工業(yè)機(jī)器人視覺分揀碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3277602.1分揀實(shí)驗(yàn)平臺基本構(gòu)成 325212.2平臺硬件說明 4139322.2.1機(jī)器人 4170832.2.2工業(yè)相機(jī)及圖像處理軟件 5180242.2.3光源 6259922.3系統(tǒng)的連接方式 7240333通信連接 8141053.1工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)相機(jī)通訊 8231313.2建立通訊 8170933.3機(jī)器人與計(jì)算機(jī)通訊 10138664工作站設(shè)計(jì) 10113924.1視覺機(jī)器人分揀碼垛工作站模型搭建 1052724.2仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1012694.2.1系統(tǒng)工作流程 10235904.2.2工作站動(dòng)態(tài)smart組件的設(shè)計(jì) 11141244.2.3機(jī)器人工作站邏輯及碼垛路徑規(guī)劃 1394165總結(jié)與展望 14250445.1論文總結(jié) 14278805.2不足與展望 15摘要：在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器人已成為企業(yè)的首選，為企業(yè)提供了超越行業(yè)競爭的巨大優(yōu)勢。但是，機(jī)器人在國內(nèi)的應(yīng)用并不像我們想象的那樣流行。以快遞物流行業(yè)為例，針對鞋盒在托盤上的分類和放置問題，設(shè)計(jì)一種機(jī)器人的分揀碼垛系統(tǒng)，用于替代傳統(tǒng)生產(chǎn)線上的人工分揀碼垛工作。因此，該機(jī)器人不僅可以執(zhí)行簡單且重復(fù)的任務(wù)，還可以使人們從需要高精度和復(fù)雜性的情況中解放出來，且具有適應(yīng)性廣，靈活性高和便攜性強(qiáng)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人鞋盒分揀碼垛1引言1.1選題研究背景及意義分揀是大多數(shù)裝配線中的重要環(huán)節(jié)。在國內(nèi)工廠中，對物流和其他行業(yè)進(jìn)行分類的迫切需求，產(chǎn)品在商業(yè)化工程中需要進(jìn)行識別分揀，而識別分揀最直接的方法是用肉眼進(jìn)行分揀。但是，這種方法不僅任務(wù)量巨大，而且還往往存在主觀意識強(qiáng)、成本偏高等缺點(diǎn)。在長時(shí)間的工作后，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，更是添加了錯(cuò)誤的幾率。由此可見，機(jī)器人技術(shù)與機(jī)器視覺系統(tǒng)相結(jié)合必然成為未來趨勢。機(jī)器人的視覺分揀的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性廣，操作對象和程序的轉(zhuǎn)換靈活。它可以大大提高存儲和揀選效率，并減少人工成本。分揀技術(shù)被用于電子商務(wù)，工廠物流等行業(yè)。隨著智能化和數(shù)字化的不斷深入，分揀機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)代化為整個(gè)生產(chǎn)和制造帶來了新的血液，改變了分揀和制造方式。分揀機(jī)器人不斷提高篩選精度和效率，解決了分揀效率和分揀成功率等問題，為后續(xù)生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。1.2該課題可解決的問題及技術(shù)要求在研究機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合視覺識別，設(shè)計(jì)出一個(gè)可以對不同顏色鞋盒進(jìn)行識別分揀的系統(tǒng)，以達(dá)到對不同顏色鞋盒進(jìn)行智能分類、減少分類誤差的目的，并根據(jù)進(jìn)行抓取情況進(jìn)行碼垛處理。解決人們在生產(chǎn)線上出現(xiàn)對于分揀長時(shí)間工作后出現(xiàn)的合格率下降以及勞動(dòng)量繁重等問題，達(dá)到自動(dòng)、精確的結(jié)果。本課題要求工業(yè)機(jī)器人搭配視覺系統(tǒng),當(dāng)鞋盒運(yùn)送到工業(yè)相機(jī)的捕捉范圍內(nèi)時(shí)，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)完成對鞋盒的圖像捕捉及處理工作，不同機(jī)器人接受不同信息后，進(jìn)行精準(zhǔn)定位抓取目標(biāo)鞋盒，完成分揀碼垛工作。1.3國內(nèi)外研究進(jìn)展日本機(jī)器人公司FANUCJapan開發(fā)的iRVision機(jī)器人使用人工智能機(jī)器人對重垃圾進(jìn)行分類，即通過信息識別，空間定位和其他技術(shù)將可回收材料（如鋼筋，混凝土，木屑和塑料）分類為垃圾。出于其他目的，已找到測試進(jìn)行測試實(shí)際站點(diǎn)顯示，這四個(gè)人工智能機(jī)器人每分鐘可以分類垃圾50次，每天處理的垃圾量約為2,000噸。數(shù)據(jù)顯示，使用該系統(tǒng)的盈利能力是相同規(guī)模下人工分揀的盈利能力的三倍[2]。在我國，“機(jī)器換人”工作在某些領(lǐng)域取得了一定的成果。以浙江為例，杭州省地方質(zhì)量檢驗(yàn)所于2014年與浙江大學(xué)機(jī)器人研究中心合作，在視覺分析的基礎(chǔ)上開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人，用于工業(yè)測試，并取得了初步成果[3]。1.4本課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排1.4.1總體方案根據(jù)鞋盒生產(chǎn)線分揀工序的組成部分和要求設(shè)計(jì)了一套基于視覺的機(jī)器人分揀碼垛系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)物品識別、機(jī)器人抓取并釋放、機(jī)器人控制分揀、不同顏色的鞋盒分別放置不同的托盤上等基本功能要求，并完成系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，使其適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)等需要。1.4.2結(jié)構(gòu)安排第一章主題為引言，主要介紹選題的研究背景及意義，應(yīng)解決的問題及技術(shù)要求和國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人基于視覺技術(shù)的現(xiàn)狀。第二章主題為分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件說明。介紹了分揀實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)成，并詳細(xì)介紹了各部分（機(jī)器人、相機(jī)、鏡頭、光源）的選型依據(jù)。第三章主題為工作站構(gòu)成及設(shè)計(jì)。簡述了本系統(tǒng)各組成部分仿真的搭設(shè)以及對其的仿真驗(yàn)證。第四章主題為總結(jié)與展望。2ABB工業(yè)機(jī)器人視覺分揀碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1分揀實(shí)驗(yàn)平臺基本構(gòu)成視覺分揀碼垛系統(tǒng)主要設(shè)備包括兩臺型號為IRB2600的工業(yè)機(jī)器人、真空吸盤、鞋盒輸送鏈、兩個(gè)放置鞋盒的木質(zhì)托盤、工業(yè)相機(jī)及光源構(gòu)成。分揀碼垛系統(tǒng)如下圖2-1所示。機(jī)器人裝置由機(jī)器人本體和手臂機(jī)械末端構(gòu)成。本設(shè)計(jì)采用真空吸盤,其接受工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)信號的傳輸，對于匹配成功的工件實(shí)現(xiàn)精確吸取。傳送帶構(gòu)成本系統(tǒng)傳輸單元，實(shí)現(xiàn)鞋盒的傳輸。視覺系統(tǒng)的圖像單元由工業(yè)相機(jī)和光源構(gòu)成。光源作為實(shí)驗(yàn)中照明、補(bǔ)光的設(shè)備，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求進(jìn)行強(qiáng)度選擇及角度的調(diào)整;相機(jī)固定于機(jī)器人前段，與機(jī)器人保持一定距離，位于實(shí)驗(yàn)平臺正上方保持垂直。當(dāng)鞋盒通過時(shí)，相機(jī)捕捉圖像產(chǎn)生信號發(fā)送至兩臺機(jī)器人。捕捉不同的顏色時(shí)發(fā)送相應(yīng)的機(jī)器人吸取信號。圖2-1視覺分揀碼垛系統(tǒng)2.2平臺硬件說明2.2.1機(jī)器人本課題選用鞋盒為分揀對象，具有輕、防變形等特點(diǎn)，因此工業(yè)機(jī)器人采用瑞典ABB公司的IRB2600（圖2-2）。圖2-2IRB2600六軸工業(yè)機(jī)器人IRB2600工業(yè)機(jī)器人具有精度高、周期短、范圍大、設(shè)計(jì)緊湊、防護(hù)更好等特點(diǎn)。IRB2600機(jī)器人有多種安裝方式，如落地、壁掛、支架.斜置、倒裝等，本課題選用落地安裝。其具有具有六個(gè)自由度，主要參數(shù)見表2-1。表2-1IRB2600各關(guān)節(jié)參數(shù)軸運(yùn)動(dòng)工作范圍最高速度軸1旋轉(zhuǎn)+180°~-180°175°/s軸2手臂+155°~-95°175°/s軸3手腕+75°~-180°175°/s軸4旋轉(zhuǎn)+400°~-400°360°/s軸5彎曲+120°~-120°360°/s軸6回旋+400°~-400°360°/s本設(shè)計(jì)采用真空吸盤（見圖2-3）作為工件抓取工具。其以空氣為介質(zhì)，具有通用性強(qiáng)、不易損壞包裝物、轉(zhuǎn)運(yùn)效率高等特點(diǎn)。 圖2-3真空吸盤機(jī)構(gòu)當(dāng)待包裝的包裝被抽吸時(shí)，碼垛機(jī)器人驅(qū)動(dòng)真空吸盤抓取裝置向下移動(dòng)，使真空吸盤接觸待抽吸物體的上表面并產(chǎn)生一定的壓縮，吸盤與待包裝的包裝表面密封，此時(shí)真空發(fā)生器工作產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)壓力開關(guān)檢測到的氣動(dòng)回路壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，表示吸盤表面接觸密封良好，真空吸盤將待編碼的包裹緊緊吸住，碼垛機(jī)器人動(dòng)作將包裹轉(zhuǎn)移到碼垛托盤進(jìn)行碼垛。通過控制電磁閥的換向，正壓氣源可以連通所有的真空吸盤破壞真空，從而使真空吸盤式多功能抓取裝置可以放下被吸物體。產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移和堆疊可以通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)[1]。2.2.2工業(yè)相機(jī)及圖像處理軟件工業(yè)相機(jī)是視覺系統(tǒng)中最重要的組件，其功能是觸發(fā)相機(jī)拍攝圖像并將其傳送至圖像處理軟件進(jìn)行處理。在本課題中，選用德國Basler工業(yè)相機(jī)（見圖2-4），其具有耐用、精巧、輕盈，可安裝在機(jī)械臂上作業(yè)等特點(diǎn)。Basler相機(jī)的具體參數(shù)見表2-2。圖2-4Basler工業(yè)相機(jī)表2-2工業(yè)相機(jī)Basler參數(shù)指標(biāo)相機(jī)指標(biāo)特征參數(shù)水平/垂直分辨率640pix,480pix幀率30fps黑白/彩色Mono接口Gige工作氛圍0m-10m產(chǎn)品最新動(dòng)態(tài)量產(chǎn)：now本系統(tǒng)選擇Matrox圖像處理軟件，其包含圖像處理流程中每個(gè)步驟的工具，從應(yīng)用程序可行性分析到原型設(shè)計(jì)，再到開發(fā)和最終部署。支持Windows10系統(tǒng)，可以與ABB機(jī)器人控制器直接通信[7]。2.2.3光源根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)選擇一個(gè)環(huán)形光源安裝在工業(yè)相機(jī)前端，即選用環(huán)形LED暖色光源（圖2-5所示）。在分揀過程中一般與相機(jī)配合使用，可以節(jié)省安裝空間，提供不同的照明角度，更能突出物體的三維特征。具有高強(qiáng)度、均勻、直接、視野360度照明的特點(diǎn)。圖2-5環(huán)形光源2.2.4傳送帶傳送帶作為本系統(tǒng)的輸送單元，其負(fù)責(zé)將工件輸送到機(jī)器人工作空間內(nèi)，在工件到達(dá)目標(biāo)范圍內(nèi)完成分揀碼垛，在本課題設(shè)計(jì)中，進(jìn)行圖像采集時(shí)攝像頭與工件所在平面保持相對垂直，因此選用平板帶輸送機(jī)（圖2-6所示）。在robotstudio中選用600mm的輸送鏈平板傳送帶[6]，其具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、容易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。圖2-6傳送帶2.3系統(tǒng)的連接方式工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺技術(shù)技術(shù)性融合的手眼系統(tǒng)工作方式關(guān)鍵有Eye-in-hand和Eye-to-hand二種視覺伺服電機(jī)方法,如圖2.8所顯示。Eye-in-hand工作方式是將工業(yè)相機(jī)固定不動(dòng)于機(jī)器人尾端電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,工業(yè)相機(jī)會伴隨著機(jī)器人尾端位姿的更改而轉(zhuǎn)變;Eye-to-hand工作方式是將工業(yè)相機(jī)與機(jī)器人分離出來，固定不動(dòng)于工作中情景的某一部位，不會受到機(jī)器人健身運(yùn)動(dòng)的危害，視場范疇固定不動(dòng)。Eye-in-hand工作方式適用于進(jìn)行自動(dòng)焊接刊等每日任務(wù)，而Eye-to-hand工作方式更為適用于進(jìn)行輸送帶上產(chǎn)品工件的快遞分揀每日任務(wù)。文中采用Eye-to-hand工作方式[10]。a)Eye-in-hand方式b）Eye-to-hand方式圖2-7Eye-in-hand和Eye-to-hand工作方式3通信連接3.1工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)相機(jī)通訊工業(yè)相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人之前的通訊可概括為如下幾個(gè)方面：1.建立及收發(fā)有效數(shù)據(jù);2.對于關(guān)鍵信息提取3.關(guān)鍵結(jié)果與機(jī)器人位置(robtarget類型)互相轉(zhuǎn)化。。3.2建立通訊機(jī)器人與相機(jī)-般采用socket通訊(TCP/IP)。所以機(jī)器人需要有pc-interface選項(xiàng)。機(jī)器人一般做client，在示教器-程序編輯器，添加指令Communicate下找到SocketCreate，如下圖2-8所示。圖2-8SocketCreate指令工業(yè)機(jī)器人做client與相機(jī)通訊的一般步驟：打開示教器，點(diǎn)程序編輯器，建立例行程序，添加指令SocketCreat，創(chuàng)建變量為socket1，輸入指令“SocketConnect”，完成端口和ip的設(shè)置，創(chuàng)建server服務(wù)。連接成功后輸出信息，使用指令“SocketSend”向server發(fā)送請求，發(fā)送字符串。例如可發(fā)送字符串：socket1="Helloserver"；使用“SocketReceive”指令，可接收創(chuàng)建的變量socket1字符串，并存儲到received_string字符串中。寫屏上會出現(xiàn)字符串。圖2-9所示。如果通訊成功,機(jī)器人就能收到相機(jī)發(fā)送過來的字符串[8]。圖2-10所示。圖2-9示教器中client通訊圖2-10字符串顯示3.3機(jī)器人與計(jì)算機(jī)通訊首先，機(jī)器人與計(jì)算機(jī)要通過設(shè)置成同一個(gè)網(wǎng)段來實(shí)現(xiàn)相互間的通訊。對計(jì)算機(jī)和機(jī)器人的IP地址(AAA.BBB.CCC.***)而言，要保證ABC段相同，***段設(shè)置根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，最終使其在同一個(gè)網(wǎng)段。計(jì)算機(jī)網(wǎng)線連接到機(jī)器人控制柜的相應(yīng)插口上。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的“cmd”程序，輸入：ping機(jī)器人IP地址[9]。Enter，ping返回成功說明設(shè)置完成。4工作站設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)搭建一個(gè)工業(yè)機(jī)器人視覺分揀碼垛工作站，工業(yè)相機(jī)對工件進(jìn)行拍攝分析，使用IRB2600型六軸工業(yè)機(jī)器人手臂末端的真空吸盤對工件進(jìn)行吸取，進(jìn)而幫助機(jī)器人完成對不同顏色的鞋盒的分揀、碼垛等一系列操作。仿真設(shè)計(jì)主要是利用robotstudio6.08版本完成對本設(shè)計(jì)的工作。4.1視覺機(jī)器人分揀碼垛工作站模型搭建RobotStudio在機(jī)器人離線編程方面功能強(qiáng)大，但在建模方面的通用性和功能性有待優(yōu)化。但是，由于RobotStudio具有CAD模型導(dǎo)入功能，可以通過界面導(dǎo)入進(jìn)行二次開發(fā)，有效提高了RobotStudio的建模功能。用SolidWorks建模并導(dǎo)入，配置RobotStudio的可視化系統(tǒng)，調(diào)整機(jī)器人在工作站的工作空間。本工作站機(jī)器人吸盤使用Solidworks完成造型再導(dǎo)入RobotStudio后安裝在機(jī)械手上完成抓取功能[4]。圖3-1所示。圖4-1工作站整體布局4.2仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1系統(tǒng)工作流程仿真工作站工作流程如下，仿真信號下達(dá)之后首先不同顏色的鞋盒由傳送帶傳送，經(jīng)工業(yè)智能相機(jī)對鞋盒位置進(jìn)行拍攝分析后傳送至末端,機(jī)器人經(jīng)傳感器識別鞋盒顏色，將顏色不同的鞋盒放置在不同的托盤上。圖4-2為工作站仿真過程流程圖。圖4-2流程圖4.2.2工作站動(dòng)態(tài)smart組件的設(shè)計(jì)以組件“傳送帶1”為例的仿真效果:鞋盒出現(xiàn)在輸送鏈的起點(diǎn)處,在仿真開始時(shí),鞋盒沿輸送鏈從起點(diǎn)向末端自動(dòng)運(yùn)行,到達(dá)末端后停止,機(jī)器人完成抓取動(dòng)作。輸送鏈末端的物塊一旦被機(jī)器人抓取,輸送鏈起點(diǎn)處的物塊自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)制品并沿輸送鏈運(yùn)行。首先添加子組件,如本體子組件LinearMover、動(dòng)作子組件Source,設(shè)定傳送帶的運(yùn)動(dòng)屬性和信號Repeater和LogicGate[NOT],傳送帶限位傳感器PlaneSensor;再設(shè)定各子組件的屬性連結(jié);然后創(chuàng)建輸送鏈Smart組件所需的I/O信號,用于與各Smart子組件進(jìn)行信號交互;最后進(jìn)行機(jī)器人信號與Smart組件信號間的關(guān)聯(lián)[5]。“傳送帶1”組件設(shè)有6個(gè)信號，分別是兩個(gè)輸入信號BLP、LP，四個(gè)輸出信號blp、lp、ddw、SYTGDW?！皞魉蛶?”組件的屬性連結(jié)如下表，I/O信號連接如下表。表“傳送帶1”組件的屬性連結(jié)源對象源屬性目標(biāo)對象目標(biāo)屬性QueueFrontLinearMoverObjectSourceCopyQueueBackSourceCopyQueue_3BackQueue_3FrontLinearMoverObjectQueue_2FrontLinearMoverObjectSourceCopyQueue_2Back表I/O連接源對象源信號目標(biāo)對象目標(biāo)信號或?qū)傩許ourceExecutedQueueEnqueueLogicGateOutputSourceExecutePlaneSensorSensorOutLogicGateInputASourceExecutedQueue_3EnqueueSourceExecutedQueue_2EnqueuePlaneSensorSensorOutQueue_2DequeuePlaneSensorSensorOutDequeueDequeue傳送帶1BLPSourceExecute傳送帶1LPSourceExecute傳送帶1LP傳送帶1lp傳送帶1BLP傳送帶1blpPlaneSensorSensorOutLogicGate[NOT]InputALogicGate[NOT]Output傳送帶1SYTGDWPlaneSensorSensorOut傳送帶1ddw組件“抓取1”“抓取2”“隨機(jī)顏色鞋盒”“攝像機(jī)檢測”為分揀部分的主要仿真組件，分別模擬機(jī)器人1和2真空吸盤的吸放、傳送帶上隨機(jī)產(chǎn)生不同兩種顏色鞋盒的過程、工業(yè)相機(jī)拍照檢測。對于“隨機(jī)顏色鞋盒”組件設(shè)計(jì)：1)初始變量a，并每次自增1，若小于設(shè)定值NUM則允許繼續(xù)自增，否則停止自增，有自增信號才允許輸出對應(yīng)信號；2)不同物料的變量a自增必須是在與其對應(yīng)的物料下才能啟動(dòng)，就在綠色塊對應(yīng)的變量a不能在輸送物料為紅色塊時(shí)也在自增；3)設(shè)定生成隨機(jī)數(shù)的范圍為0到1，若生成的浮點(diǎn)數(shù)大于0.5，則允許綠色塊自增，若小于0.5，則運(yùn)行紅色塊自增；4)復(fù)位輸入時(shí)，所有變量a的置零。4.2.3機(jī)器人工作站邏輯及碼垛路徑規(guī)劃工作站中的smart組件由“抓取1”“抓取2”“傳送帶1”“攝像檢測”“隨機(jī)顏色鞋盒”五個(gè)模塊組成。如圖3-3所示。圖4-3工作站邏輯圖本仿真設(shè)計(jì)可分為三步:1.傳送帶傳送鞋盒至工業(yè)相機(jī)獲取圖像的區(qū)域內(nèi);2.工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照，對于所拍的照片進(jìn)行處理識別;3.機(jī)器人獲取坐標(biāo)后，對鞋盒進(jìn)行抓取，并將其放置于特定的托盤上。關(guān)于碼垛：當(dāng)鞋盒運(yùn)送至傳送帶末端時(shí)，當(dāng)紅色鞋盒運(yùn)送至末端時(shí)，機(jī)器人1識別紅色鞋盒進(jìn)行抓取并運(yùn)送至左側(cè)托盤的上方，圖3-4所示。圖4-4機(jī)器人A抓取抓取紅色鞋盒后碼垛至左邊托盤的第一個(gè)放置點(diǎn)。機(jī)器人1識別紅色鞋盒進(jìn)行碼垛的第一個(gè)位置Target_40，釋放后直行平移到Target_60，回到最初抓取鞋盒的位置Target_70，等待第二次抓取圖3-5所示。圖4-5紅色鞋盒第一個(gè)放置點(diǎn)當(dāng)灰色鞋盒運(yùn)送至末端時(shí)，機(jī)器人2接受信號