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人類通過視覺認知文字、圖片和周圍環境，機器人要感知和識別工作環境，同樣也離不開視覺系統。本文研究并實現了一種工業分揀機器人的視覺定位方法，機器人視覺引導系統借助三維圖像處理技術用于定位容器里的零件，軟件通過對CAD模型和三維圖像的比較，檢查給出零件的夾緊位置，以便分揀末端抓手有足夠的空間抓取零件。

機器人通過視覺系統實現目標物的檢測識別和定位。傳統檢測識別技術有基于分割的方法、特征分析方法、圖像識別決策分類方法、模式學習和形狀匹配方法等，這些方法在工業領域得到廣泛應用。

機器視覺檢測識別技術是用機器視覺代替人眼對工件進行檢測、測量、分析、判斷和決策控制的智能測控技術。與其他檢測控制技術相比，主要包括如下優點：具有比人眼高超的一致性和重復性，智能化程度強;多方面感知外界信息，能夠通過多種成像方式獲得靜態空間、動態工件、結構等信息;檢測速度快、準確率高，漏檢率和誤檢率低;具有很好的實時性，可實現快速大批量在線檢測;機器視覺與智能控制技術結合，可實現基于視覺的路徑策劃及高速運動控制、視覺伺服、精確定位識別和作用力的優化控制，極大地提高控制精度。因此，機器視覺技術已經廣泛應用于精密制造生產線、工業產品質量在線自動化檢測、裝配自動化生產線等多個領域中，在提高智能制造裝備的精密制造水平，提高汽車、電子、醫藥、食品、工業產品質量檢測效率等方面發揮巨大作用。

分揀單元組成圖

隨著工業自動化的發展，機器人分揀技術被廣泛地應用在制造、裝配自動化生產線上。傳統的機器人分揀技術大多采用示教的方式，分揀機器人對工件的初始和終止姿態及擺放位置要求比較嚴格，這種分揀方式不僅分揀速度慢、效率低，只要工件的擺放位置發生變化就會導致機器人無法抓取零件，從而嚴重影響生產過程的工作效率。基于視覺系統的分揀機器人具有效率高、錯誤率低的優點，并且能夠保證分揀工作的質量。因此，人們把研究方向轉變到機器視覺領域，將視覺技術與機器人相結合，使工業機器人具備類似人眼的檢測識別功能，使得機器人在分揀過程中更加柔性化、高精化、智能化，對于降低生產成本、確保產品質量、提高生產效率等方面具有重要意義。

目前，機器人視覺系統已經普遍地應用在工件無損檢測、零件參數測量、食品包裝、醫藥生產、物流分揀以及PCB制圖等領域，基于視覺系統引導的機器人技術也將成為未來發展的主要趨勢。本文針對從生產線上托盤中的堆積零件中抓取工件并規則擺放，提出了一種分揀機器人的定位識別方法，以庫卡公司的KR 30型6軸工業機器人、環形輸送線等為基礎，搭建了基于PLB-500的3D視覺系統工業機器人分揀單元，制定了詳細的視覺分揀方案。

分揀單元的組成

隨著工業零件的復雜化，在工業生產和裝配的過程中，經常出現零件隨機散亂放置的情況，因此本文設計一種分揀單元，模擬了亂序零件的工作情況，并通過機器人視覺系統進行引導分揀零件。整個分揀單元由KUKA KR 30機器人及其控制器、輸送線、3D視覺定位系統以及安全防護裝置等組成，分揀單元的結構組成如圖所示。

輸送線

本單元采用環形輥筒輸送線，起到輔助工業機器人分揀和方便循環展示的作用。輸送線中分布3個阻擋氣缸和4個光電開關，其具體分布位置如圖所示。阻擋氣缸用于在特定位置擋停移動的托盤，以控制分揀工作的時序，阻擋氣缸3同時還起到撞亂托盤中的有序零件的作用。光電開關用于檢測是否有托盤通過，若有，則將信號傳輸給控制系統，以控制輸送線的轉速。輸送線中放置了5個托盤，其中4個托盤放置零件，一個空托盤用于放置機器人從亂序托盤中抓取的零件，并在空托盤中按規則順序擺放。

3D視覺定位系統

傳統的分揀機器人定位系統存在著定位誤差大、識別速度慢和準確率低的缺點，對于復雜的工件，在生產和組裝時需要對工件進行人工識別搬運和定位。目前廣泛應用于分揀的機器人只能按照預定規劃的路徑進行運動，對于散亂堆積的零件無法處理。因此，需要一套3D視覺系統，可以識別復雜散亂的工件，并能夠給出工件的位置與姿態，引導機器人抓取。

本單元采用Sick的PLB-500機器人導向系統，通過3D視覺系統捕獲零件的相關信息并引導機器人進行定位抓取，PLB-500有很大的掃描范圍，不受外界光和對比度的影響，可以精確的讀取工件的三維信息并傳輸給機器人進行動作引導。

PLB 3D視覺系統包含：3D相機、易于集成和通訊的零件定位軟件。其中3D相機能夠適應不同的工作環境，提供準確且可靠的三維圖像并且不受人工環境光的影響，并且能夠提供較好的圖像質量。該系統具備可靠性和易用性的特點，它能毫無問題地集成到現有環境中，提供高精度的測量結果并且非常有助于零件操作的靈活性。

PLB 3D視覺系統，是用于高精度定位雜亂放置于箱子中的零件的一套視覺系統。它使得工作站更換新的零件變得更簡單，并能夠通過以CAD為基礎的3D模型匹配零件的軟件來縮短更換零件的時間。

視覺定位系統在分揀作業中的應用

抓取系統組成

完整抓取的系統包含：PLB系統(包含視覺傳感器、軟件)、機器人控制器、機器人、分揀末端執行器、托盤及工件。PLB系統的視覺傳感器主要用于零件三維數據的采集;軟件的主要功能為定位容器中的零件，檢查給出零件的夾緊位置，并與機器人進行通訊。機器人控制器通過編程控制機器人的抓取路線。

標定

通過標定，可以將相機坐標系轉換為機器人坐標系，系統經過轉換后直接輸出機器人的坐標與姿態，無需機器人做轉換。標定時需要將標定物(圓錐)安裝在機器人手臂上，將機器人TCP點標定至圓錐尖上。

標定的方法步驟：將圓錐標定物移至相機視野中;相機掃描圓錐;在軟件中(AlignmentGUI)輸入圓錐尖在機器人坐標系中的坐標;在VOI中不同高度不同位置重復以上步驟;軟件自動計算坐標系轉換關系，輸出轉換關系文件并加載至PLB Studio中。

PLB系統使用

PLB系統在定位時，會首先搜尋匹配容器(Bin)的位置，即VOI(Volume of interest)。在經過標定后，PLB studio會在機器人基坐標系中顯示容器的位置。

PLB系統的編程軟件提供可視化編程，只需將工件的3D模型的CAD文件(.igs、.step)導入至PLB studio，調整其位置即可，抓取位置能夠可視化調節(允許一個工件使用多個抓取姿態與抓取位置)。

分揀的工作流程

首先將零件的三維模型導入PLB studio。人為將機器人面前的托盤中的工件隨機散亂放置，PLB-500的3D相機掃描識別托盤中的工件，與機器人建立通訊，機器人一次抓取一個工件，將工件規則的擺放在空托盤中;擺放完成后，擋停機構1和擋停機構2收回，輸送機運行;光電開關4檢測到托盤后，加速段輥筒增加轉速，光電開關3檢測到托盤后，加速段阻擋氣缸3升起，托盤撞到擋停機構導致工件亂序;然后阻擋氣缸3收回，托盤被輸送到擋停機構1位置，此時空托盤恰好輸送到擋停機構2位置，擋停機構1和擋停機構2升起，PLB-500識別托盤中的工件，然后機器人依次抓取亂序工件放置在空托盤中，依次進行循環。

結論

基于KUKA KR30機器人的分揀場景，集成3D視覺定位、智能安全等系統，實現了散亂堆積零件的快速分揀，同時也為機器人產品功能安全認證和系統功能安全評估及智能傳感器驗證服務提供實操場景。