基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法

2023-06-24 15:10:21

基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法。步進電機與升降平臺連接，電機驅動器分別與PLC和安裝在步進電機上的編碼器相連；在載物臺上疊放待抓取的工件；支架的固定板上，安裝有超聲波傳感器和CCD相機，超聲波傳感器與PLC相連，相機分別與PLC和計算機相連；超聲波傳感器的發射端與相機的鏡頭底面平行，待抓取的工件位於相機的視野內，液晶顯示屏、PLC和工業抓取機器人分別與計算機相連。超聲波傳感器實時探測工件上表面到相機的距離，相機採集工件輪廓圖像，用單目相機識別平面工件空間坐標並進行抓取，減少計算機和機器人通訊的複雜性，減輕相機硬體成本和標定複雜性，提高工件抓取的效率。
【專利說明】基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及工件的抓取裝置與方法，具體涉及一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法。

【背景技術】
[0002]現階段，對待抓取目標的空間坐標通常採用雙目視覺的識別方法，這種識別方法對相機精度要求較高，硬體平臺成本高，圖像處理算法比較繁瑣，對工件的高度也有特定的要求，不能滿足連續抓取的條件。
[0003]超聲波傳感器是一種非接觸高精度測量的測距單元，具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。具有指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠的優點。


【發明內容】

[0004]針對【背景技術】中存在的問題，本發明的目的在於提供一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法，有效的解決工件識別設備成本高，對工件高度有特殊限定等問題。
[0005]本發明採用的技術方案如下:
一、一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置:
本發明包括升降平臺、載物臺、電機驅動器、PLC、步進電機、編碼器、計算機、液晶顯示屏、超聲波傳感器、夾具、CCD相機、支架、工業抓取機器人和固定板；步進電機與升降平臺連接，電機驅動器安裝在升降平臺的底面上，電機驅動器分別與PLC和安裝在步進電機上的編碼器相連；在升降平臺的頂面載物臺上水平疊放上層待抓取的工件和下層待抓取的工件；支架一端的固定板上，安裝有夾具和CCD相機，超聲波傳感器安裝在夾具上，超聲波傳感器與PLC相連，CCD相機分別與PLC和計算機相連；超聲波傳感器的發射端與CCD相機的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位於CCD相機的拍攝視野內，液晶顯示屏、PLC和工業抓取機器人分別與計算機相連。
[0006]二、一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取方法，該方法的步驟如下:
1)CCD相機垂直向下照射在待抓取的工件上表面，通過調節夾具調整超聲波傳感器的發射端位置，使超聲波傳感器的發射端與CCD相機的鏡頭底面保持平行；
2)對CCD相機進行標定，標定出CCD相機相對於靶標的外參數；
3)對工業抓取機器人進行手眼標定，標定工業抓取機器人的世界坐標系與靶標坐標系之間的關係，再用矩陣變換獲得CCD相機坐標系相對於工業抓去機器人的世界坐標系的關係;
4)對PLC進行參數設定，設超聲波傳感器採集到的實時距離為參數L，CCD相機的成像距離為D，將D設定為判定步進電機是否停轉的閾值，當L=D時，步進電機停轉，升降平臺停止上升；
5)步進電機通電，升降平臺勻速上升，超聲波傳感器採集到上層待抓取的工件的距離信號實時反饋給PLC，當上層待抓取的工件上表面到傳感器的距離LI等於相機的成像D距離時，PLC給步進電機驅動器低電平信號，步進電機停轉，CCD相機採集圖像，將採集到的圖像傳輸至計算機進行圖像處理，工業抓取機器人與計算機進行通訊，工業抓取機器人調節機械臂位姿進行對上層待抓取的工件的抓取過程；重複上述步驟5)完成對下層待抓取的工件的抓取。
[0007]與【背景技術】相比，本發明具有的有益效果是:
本發明將超聲波傳感技術應用到基於視覺的抓取機器人系統中，運用超聲波傳感器實時探測工件上表面到相機的距離，對不同高度的工件，CCD相機每次採集工件輪廓圖像的位置都處於CXD相機最佳的成像距離，實現了用單目相機識別工件空間坐標並進行抓取，減少了計算機和機器人通訊的複雜性，減輕了相機硬體成本和標定複雜性，提高了工件抓取的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發明裝置的結構原理示意圖。
[0009]圖2是本發明CXD相機和待抓取工件的主視圖。
[0010]圖3是本發明待抓取工件的俯視圖。
[0011]圖4是本發明方法的工作流程圖。
[0012]圖中:1、升降平臺，2、載物臺，3、電機驅動器，4、PLC(可編程控制器)，5、步進電機，6、編碼器，7、計算機，8、液晶顯示屏，9、超聲波傳感器，10、夾具，11、CXD相機，12、支架，13、上層待抓取工件，14、下層待抓取工件，15、工業抓取機器人(FANUC M-1OiA)，16、固定板。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。
[0014]如圖1所示，本發明包括升降平臺1、載物臺2、電機驅動器3、PLC 4、步進電機5、編碼器6、計算機7、液晶顯示屏8、超聲波傳感器9、夾具10、C⑶相機11、支架12、工業抓取機器人15和固定板16。步進電機5與升降平臺I連接，電機驅動器3安裝在升降平臺I的底面上，電機驅動器3分別與PLC 4和安裝在步進電機5上的編碼器6相連；在升降平臺I的頂面載物臺2上水平疊放上層待抓取的工件13和下層待抓取的工件14 ;支架12 —端的固定板16上，安裝有超聲波傳感器9和CXD相機11，超聲波傳感器9與PLC 4相連，CXD相機11分別與PLC 4和計算機相連；超聲波傳感器9的發射端與CCD相機11的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位於CXD相機11的拍攝視野內，、液晶顯示屏8、PLC 4和工業抓取機器人15分別與計算機7相連。
[0015]如圖2所示，LI為上層待抓取工件13上表面到相機鏡頭的距離，調節CXD相機11垂直向下照射在抓取工件13的工件上表面，調整超聲波傳感器9使其發射端與CXD相機11鏡頭的底部平行，並且抓取工件13的上表面在傳感器的探照範圍內，LI為上層待抓取工件13到超聲波傳感器的距離，L2為下層待抓取工件到超聲波傳感器的距離，載物臺上升過程中，當傳感器實時探測到的距離L等於相機到工件的最佳成像距離D時，載物臺停止上升，PLC觸發相機拍照，上層待抓取工件13抓取完成後，超聲波傳感器到下層待抓取工件13的距離變成L2，此時載物臺繼續上升，進行下一個單元的抓取，直至工件全部抓取完成，相機拍到的圖像在計算機中無法進行模板的匹配，抓取工作結束。
[0016]如圖3所示，當上層待抓取工件13到超聲波傳感器9的距離等於相機成像距離D時，載物臺2上的工件不再上升，CXD相機11先後採集上層待抓取工件13和下層待抓取工件14的上表面圖像，得到工件的外形特徵，在計算機7中通過圖像形態學和圖像細化處理技術識別工件的外圍輪廓及中心坐標，計算機7與工業抓取機器人上的多軸運動控制器相連，給工業抓取機器人發送指令，調節機械臂的位姿，完成對待抓取工件的精確抓取。
[0017]本發明的工作原理是:
I)對CCD相機進行標定，標定出CCD相機相對於靶標的外參數。
[0018]2)對工業抓取機器人進行手眼標定，標定工業抓取機器人的世界坐標系與靶標坐標系之間的關係，再用矩陣變換獲得CCD相機坐標系相對於工業抓去機器人的世界坐標系的關係。
[0019]3)對PLC進行參數設定，設超聲波傳感器採集到的實時距離為參數L，CCD相機的成像距離為D，將D設定為判定步進電機是否停轉的閾值。
[0020]4)如圖4所示，基於視覺和超聲波傳感器的識別抓取原理是將待識別抓取的平面工件疊放在升降平臺上，超聲波傳感器和CCD相機安裝在同一高度，照射範圍垂直於工件上表面，超聲波傳感器實時探測工件到CCD相機的距離，在PLC中預先設定判別電機停轉的閾值，該閾值等於相機的成像距離D，通電後，電機驅動升降平臺上升，超聲波傳感器實時採集距離信號，當工件到傳感器的距離L等於閾值D時，PLC控制電機停轉，升降臺停止上升，並觸發CCD相機採集工件圖像，傳輸至計算機進行圖像預處理和圖像分割，計算機提取圖像特徵，進行工件的識別，輸出到機器人調整機械臂的位姿，完成本單元抓取，平臺繼續上升，進入下一個抓取環節，直到相機採集到的圖像中沒有可識別的工件，抓取工作結束。
[0021]以上所述實施方式適用於不同高度的平面工件識別和抓取，簡化了視覺單元，降低了機器人抓取過程中計算機算法的複雜性，提高了工作效率。
【權利要求】
1.一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置，其特徵在於:包括升降平臺(I)、載物臺(2)、電機驅動器(3)、PLC (4)、步進電機(5)、編碼器(6)、計算機(7)、液晶顯示屏(8)、超聲波傳感器(9)、夾具(10)、C⑶相機(11)、支架(12)、工業抓取機器人(15)和固定板(16);步進電機(5)與升降平臺(I)連接，電機驅動器(3)安裝在升降平臺(I)的底面上，電機驅動器(3)分別與PLC (4)和安裝在步進電機(5)上的編碼器(6)相連；在升降平臺(I)的頂面載物臺(2)上水平疊放上層待抓取的工件(13)和下層待抓取的工件(14);支架(12)—端的固定板(16)上，安裝有夾具(10)和C⑶相機(11)，超聲波傳感器(9)安裝在夾具(10)上，超聲波傳感器(9)與PLC (4)相連，C⑶相機(11)分別與PLC (4)和計算機(7)相連；超聲波傳感器(9)的發射端與CCD相機(11)的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位於C⑶相機(11)的拍攝視野內，液晶顯示屏(8)、PLC (4)和工業抓取機器人(15)分別與計算機(7)相連。
2.用於權利要求1所述裝置的一種基於機器視覺和超聲波傳感器的工件抓取方法，其特徵在於，該方法的步驟如下: 1)CCD相機垂直向下照射在待抓取的工件上表面，通過調節夾具調整超聲波傳感器的發射端位置，使超聲波傳感器的發射端與CCD相機的鏡頭底面保持平行； 2)對CCD相機進行標定，標定出CCD相機相對於靶標的外參數； 3)對工業抓取機器人進行手眼標定，標定工業抓取機器人的世界坐標系與靶標坐標系之間的關係，再用矩陣變換獲得CCD相機坐標系相對於工業抓去機器人的世界坐標系的關係; 4)對PLC進行參數設定，設超聲波傳感器採集到的實時距離為參數L，CCD相機的成像距離為D，將D設定為判定步進電機是否停轉的閾值，當L=D時，步進電機停轉，升降平臺停止上升； 5)步進電機通電，升降平臺勻速上升，超聲波傳感器採集到上層待抓取的工件的距離信號實時反饋給PLC，當上層待抓取的工件上表面到傳感器的距離L等於CCD相機的成像D距離時，PLC給步進電機驅動器低電平信號，步進電機停轉，CCD相機採集圖像，將採集到的圖像傳輸至計算機進行圖像處理，工業抓取機器人與計算機進行通訊，工業抓取機器人調節機械臂位姿進行對上層待抓取的工件的抓取過程；重複上述步驟5)完成對下層待抓取的工件的抓取。
【文檔編號】B25J9/18GK104369188SQ201410667072
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】孫堅, 張振, 沈鵬程, 尤於訓, 王亞麗, 陶偉, 劉春學 申請人:中國計量學院