基于機(jī)器視覺的三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取系統(tǒng)

陳 飛，王 飛，劉 雷

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，常熟 215500）

基于機(jī)器視覺的三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取系統(tǒng)

陳 飛，王 飛，劉 雷

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，常熟 215500）

將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取上，以圓柱體工件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的三維運(yùn)動(dòng)裝置，采用“PC+CCD+運(yùn)動(dòng)控制卡”的運(yùn)動(dòng)控制方式。采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，通過調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)向Galil運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送命令控制軸的運(yùn)動(dòng)，通過固定于Z軸上的相機(jī)捕獲工件所在的XY軸位置，通過XY位置補(bǔ)正及Brenner清晰度評(píng)價(jià)算法準(zhǔn)確確定工件XYZ軸位置，繼而對(duì)其進(jìn)行抓取并置于指定位置。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)定位抓取。

LabVIEW；機(jī)器視覺；三維運(yùn)動(dòng)；Brenner算法；定位抓取

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的重要領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等的迅速發(fā)展及強(qiáng)勁市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)得到了前所未有的大發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。隨著生產(chǎn)線的復(fù)雜化，越來越多的技術(shù)整合到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之中，包括視覺、數(shù)據(jù)庫(kù)等，運(yùn)動(dòng)控制在生產(chǎn)線的角色已不再只是控制“運(yùn)動(dòng)”，對(duì)系統(tǒng)的整合性要求也日益增加[1]，基于虛擬儀器技術(shù)、基于視覺引導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)控制方式成為了研究的熱點(diǎn)。

基于機(jī)器視覺的三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取系統(tǒng)采用“PC+CCD+運(yùn)動(dòng)控制卡”的運(yùn)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)將上位機(jī)和下位機(jī)分層控制，PC作為上位機(jī)，可對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)的位置、加速度、速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，完成人機(jī)界面管理、信息顯示和預(yù)處理；運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)，是運(yùn)動(dòng)控制的核心，用以接收來自PC機(jī)的控制信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理[2]。通過運(yùn)動(dòng)控制卡來控制軸運(yùn)動(dòng)使相機(jī)捕獲到圓柱形工件，通過相機(jī)拍攝工件圖片，PC機(jī)通過對(duì)圖片的處理，得出圓心坐標(biāo)像素偏移量，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為電機(jī)脈沖將偏移量疊加到已計(jì)算好的位置數(shù)據(jù)來確定XY軸運(yùn)動(dòng)距離，Z軸通過清晰度函數(shù)來確定運(yùn)動(dòng)距離。PC機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送命令，控制各軸的運(yùn)動(dòng)抓取工件并置于指定位置。采用“PC+CCD+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制方式可充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢(shì)——PC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，相機(jī)拍攝的精準(zhǔn)性，運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)的精確控制，提高系統(tǒng)的可靠性和精確性[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 三維運(yùn)動(dòng)裝置構(gòu)架

本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置控制軸數(shù)為3軸：X、Y、Z， X、Y、Z向可以單軸單方向運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。通過X、Y、Z 三軸配合帶動(dòng)相機(jī)與鏡頭運(yùn)動(dòng)精確找到需抓取的圓柱形工件，因該工件為金屬，抓取通過磁鐵來實(shí)現(xiàn)。在尋找目標(biāo)物體時(shí)，通過XY軸聯(lián)動(dòng)找到目標(biāo)物體，然后通過位置補(bǔ)正和圖像清晰度函數(shù)對(duì)物體進(jìn)行精確定位。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括（1）三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)，其硬件主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、電源等構(gòu)成；（2）抓取機(jī)構(gòu)；（3）視覺系統(tǒng)，包括輔助定位的CCD、光源、電源等。

系統(tǒng)選擇的運(yùn)動(dòng)控制板卡為GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡，所用型號(hào)為DMC-1842。該卡采用PCI bus總線，可控制4軸[4]。ICM-1900ID是一款專門為DMC-18xx、DMC-9940、DMC-21x2系列的運(yùn)動(dòng)控制板卡設(shè)計(jì)的信號(hào)接口板[5]。GALIL運(yùn)動(dòng)控制器和ICM-1900ID間用100芯線纜連接。三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選用三菱伺服電機(jī)，X軸和Y軸選用HF-KN23J-S100，Z軸選用HF-KN23J-S100。伺服驅(qū)動(dòng)器選用的三菱伺服放大器0.2KW MR-JE-20A （用于X軸和Y軸）和0.1KW MR-JE-10A （用于Z軸）。視覺系統(tǒng)中選用的CCD為BASLER工業(yè)相機(jī)，型號(hào)為acA750-30gc，固定于Z軸上。抓取機(jī)構(gòu)采用磁鐵，固定于Z軸上。系統(tǒng)使用PCI-6514卡中的P6.0，P6.2，P6.4來控制XYZ軸伺服電機(jī)的開啟，使用數(shù)字輸出P6.7來控制磁鐵的ON與OFF。

Galil運(yùn)動(dòng)控制卡為每軸準(zhǔn)備了專用的前、后極限輸入和原點(diǎn)輸入，在接口板上使用PS2505雙向光耦對(duì)輸入進(jìn)行隔離，并使用74LS07（U7、U8）將信號(hào)發(fā)送至Galil控制器。在ICM-1900D上XL、YL、ZL分別為X、Y、Z軸的限位輸入，將每軸的限位信號(hào)集中在一個(gè)5位的接線端子內(nèi)，從左向右，各引腳依次為：電源-（V-）、前極限輸入（FL）、后極限輸入（RL）、原點(diǎn)輸入（HM）和電源+（V+）。V+/V-為外部輸入的DC電源，可用做限位信號(hào)傳感器的電源[4]。

2 三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為6個(gè)獨(dú)立的模塊，其系統(tǒng)主界面如圖2所示。登錄模塊：主要對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行限制，輸入不同的用戶名與密碼，用戶所進(jìn)行的操作權(quán)限是不一樣的，起到對(duì)于一些重要參數(shù)的保護(hù)作用；總復(fù)位模塊：主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件的初始化和軸的回原點(diǎn)；手動(dòng)測(cè)試模塊：如圖3所示該模塊包含了兩部分內(nèi)容：1）對(duì)軸的位置參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制軸的運(yùn)動(dòng)；2）對(duì)相機(jī)功能的測(cè)試；相機(jī)校驗(yàn)?zāi)K：該模塊主要是通過XY軸的聯(lián)動(dòng)找到所要抓取的工件，并獲取圓心坐標(biāo)；自動(dòng)測(cè)試模塊：該模塊是在完成相機(jī)校驗(yàn)后，通過對(duì)工件位置偏差的自動(dòng)補(bǔ)正及圖像清晰度算法使相機(jī)的處于最佳拍攝距離時(shí)確定的XYZ軸運(yùn)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取工件，并將工件置于指定位置；退出程序模塊：當(dāng)系統(tǒng)的所有步驟完成后，用戶想停止運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)則可以將程序退出。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中采用了單生產(chǎn)者多消費(fèi)者架構(gòu)，便于對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)及系統(tǒng)功能的完善。

圖2 系統(tǒng)主界面

圖3 手動(dòng)測(cè)試程序前面板

2.1 手動(dòng)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

手動(dòng)測(cè)試程序主要是系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行前對(duì)軸、相機(jī)功能的檢測(cè)，其前面板如圖3所示。相機(jī)的檢測(cè)通過NIIMAQdx選板中的相關(guān)函數(shù)對(duì)打開相機(jī)、獲取圖像、保存圖像、關(guān)閉相機(jī)進(jìn)行依次檢查。對(duì)軸的控制需具備LabVIEW關(guān)于調(diào)用庫(kù)函數(shù)相關(guān)知識(shí)。LabVIEW通過調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function node，簡(jiǎn)稱CLN)實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方硬件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）和API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)的調(diào)用。本系統(tǒng)中利用CLN調(diào)用Galil運(yùn)動(dòng)控制卡DMC-1842的驅(qū)動(dòng)程序。首先在框圖程序中創(chuàng)建一個(gè)空的CLN，CLN位于“函數(shù)模板→互連接口→庫(kù)與可執(zhí)行程序子模板”，繼而按照文獻(xiàn)[6]的步驟進(jìn)行相關(guān)設(shè)定，最后按照功能要求完成程序設(shè)計(jì)。圖4所示程序框圖實(shí)現(xiàn)Z軸相關(guān)參數(shù)的配置：SP是軸運(yùn)動(dòng)的速度，AC是軸在運(yùn)動(dòng)之初的加速度，DC是當(dāng)軸快運(yùn)動(dòng)到位時(shí)的減速度，而PR是手動(dòng)時(shí)設(shè)置所需要的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度。將所有的設(shè)置參數(shù)放在一個(gè)數(shù)組中，經(jīng)過For循環(huán)與IGalil調(diào)用節(jié)點(diǎn)的command相連接，再將“BG Z”的指令發(fā)給command，即可使Z軸運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置。同理，X、Y軸的運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)只需將Z改為X、Y。軸Z的停止是發(fā)送“ST Z”指令給IGalil調(diào)用節(jié)點(diǎn)的command。同理，X、Y軸的運(yùn)動(dòng)停止分別發(fā)送“ST X”、“ST Y”。命令的使用及含義參見Galil_DMC-18×2使用手冊(cè)[4]。

手動(dòng)測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)的調(diào)試，可對(duì)其位置、速度、加減速度進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示的前面板中X軸的速度為50000計(jì)數(shù)單位/秒、X軸的位置為50000計(jì)數(shù)單位。自動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要實(shí)際距離，在手動(dòng)測(cè)試中可以通過以下操作將計(jì)數(shù)單位換算成距離，以X軸為例，可以先手動(dòng)讓電機(jī)停在需要的終點(diǎn)位置，然后在配置中設(shè)置絕對(duì)位置為0，再通過回原點(diǎn)指令讓電機(jī)回到原點(diǎn)，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)通過TP指令讀出此時(shí)X軸的位置即為X軸所運(yùn)動(dòng)的距離。但指令中所讀出的距離單位是計(jì)數(shù)單位，因此需要對(duì)讀取的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，讓電機(jī)從絕對(duì)零點(diǎn)運(yùn)行10000個(gè)計(jì)數(shù)單位讀出此時(shí)的輸出位置“坐標(biāo)顯示”，得到的比例即為10000/“坐標(biāo)顯示”，通過多次運(yùn)動(dòng)計(jì)算和調(diào)整即可得出電機(jī)需要運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離與計(jì)數(shù)單位之間的關(guān)系，Y、Z軸同理。

圖4 LabVIEW與Galil運(yùn)動(dòng)控制卡交互程序框圖（部分）

2.2 相機(jī)校驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

相機(jī)校驗(yàn)?zāi)K主要功能是自動(dòng)調(diào)整工作距離，從而確定Z軸到工件需運(yùn)動(dòng)的距離，其流程如圖5所示。首先進(jìn)行相機(jī)初始化，繼而控制XY軸聯(lián)動(dòng)找到目標(biāo)工件，通過相機(jī)獲取工件圖片，其次對(duì)所獲得的圖片進(jìn)行處理分析，運(yùn)用NI IMAQ VISION工具進(jìn)行ROI提取，從而得到圓的中心像素點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)找到的工件進(jìn)行XY軸位置的補(bǔ)正。

根據(jù)Brenner算法來確定Z軸運(yùn)動(dòng)位置，Brenner算法是評(píng)價(jià)圖像清晰度函數(shù)，是以Brenner算子為基礎(chǔ)，只計(jì)算相差兩個(gè)單元的兩個(gè)象素的灰度級(jí)差，具有簡(jiǎn)捷實(shí)用、計(jì)算量少等特點(diǎn)[7]。一幅大小為M×N的灰度圖像f(x,y)的Brenner清晰度評(píng)價(jià)算法的定義為：

由式(1)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)得出每次校驗(yàn)的Brenner值，再通過比較值的大小，得出最清晰的工件圖片Z的位置，即確定了完成抓取工件Z軸所需運(yùn)動(dòng)的距離。

圖5 相機(jī)校驗(yàn)程序流程圖

圖6 自動(dòng)測(cè)試程序流程圖

2.3 自動(dòng)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

通過手動(dòng)測(cè)試程序檢查運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及相機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)，相機(jī)校驗(yàn)程序用于工件圓心位置即XY軸坐標(biāo)和Z軸運(yùn)動(dòng)距離的確定。自動(dòng)測(cè)試程序流程圖如圖6所示，首先對(duì)相機(jī)和軸位置進(jìn)行初始化，繼而XY軸聯(lián)動(dòng)尋找目標(biāo)工件（Z軸位于最佳工作距離處），找到工件后進(jìn)行拍攝并進(jìn)行處理后獲取圓心，此時(shí)圓心并未在參考坐標(biāo)系正中，因此需計(jì)算XY軸需補(bǔ)正的量，計(jì)算結(jié)束后得到新的X、Y、Z軸需運(yùn)動(dòng)的距離，再一次XYZ軸聯(lián)動(dòng)，同時(shí)打開磁鐵通道吸取目標(biāo)工件，運(yùn)動(dòng)到放料位釋放工件。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)器視覺的三維運(yùn)動(dòng)裝置定位抓取系統(tǒng)以“PC機(jī)+CCD+運(yùn)動(dòng)控制卡”為主要硬件，以LabVIEW作為開發(fā)語(yǔ)言，開發(fā)效率高，可大大減少開發(fā)時(shí)間，而且調(diào)試比較方便，可以使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制更加方便和快捷。以PC機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)用LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸運(yùn)動(dòng)的位置、加速度、速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，完成人機(jī)界面管理、信息顯示和預(yù)處理；運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制的核心，用以接收來自PC機(jī)（LabVIEW）的控制命令并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制；用CCD相機(jī)輔助尋找目標(biāo)工件，降低了因定位誤差而造成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不能正確完成任務(wù)，視覺的引入相當(dāng)于外部的閉環(huán)控制機(jī)制，保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)補(bǔ)償由于位置變化而帶來的誤差。

[1] 運(yùn)動(dòng)控制--未來先進(jìn)“智能制造”的核心[EB/OL].http://www.robot-china.com/zhuanti/show-1042.html.

[2] 賀昌勇,張厚江,祖漢松.基于虛擬儀器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2014, (2):9-12.

[3] 梁永忠.基于LabVIEW的多軸運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用研究[D].廣東: 廣東工業(yè)大學(xué),2010.

[4] Galil_DMC-18×2使用手冊(cè)[EB/OL], http://www.power-land.com/download.aspx?nid=46.

[5] ICM-1900ID說明書[EB/OL], http://wenku.baidu.com/link?url=d3ey3pZs9XN_XusSB7PyTLD_Oh4LLdHyEmU1WPS X9PC3RDvLQ4JsGIRoKuTY5S4VuQF16erZE1U0Rt6TQqkvhT zjx9qGULqM_gL40PpZ-Le.

[6] 陳樹學(xué),劉萱編著. LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7] 王健,陳洪斌,周國(guó)忠,安濤.改進(jìn)的Brenner圖像清晰度評(píng)價(jià)算法[J].光子學(xué)報(bào),2012,41(7):855-858.

A positioning and grabbing system by three-dimensional motion device based on machine vision

CHEN Fei, WANG Fei, LIU Lei

TP27

：A

：1009-0134(2017)08-0025-04

2017-04-23

陳飛（1978 -），女，浙江鄞縣人，副教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)與先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。