分拣机器人的控制系统设计与实现.pdf

Applications创新应用316 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月制箱组成。矿用防爆采集装置。矿用防爆采集装置由采集模块和测速编码器组成，其中采集模块是帧率可达到40fps的高速工业相机，配合频闪补光灯，能够抓拍4m/s以上高速运动的异物，获取多帧数据信息。测速编码器主要由轴编码器、摩擦托辊及安装支架组成，安装在皮带机上带面的底面，安装支架固定于皮带机立柱，通过调整摩擦托辊位置使其压紧在上带面，直接检测异物的皮带面移动位置及速度信息，与传统安装在皮带机下带面的上面、靠摩擦托辊重力压在带面检测的方式相比，检测数据更准确，解决了长距离皮带运行因皮带张紧导致的误差大、抓取准确率低的问题。而且高速工业相机抓拍每帧异物信息都能够同步触发编码器采集，精确获取目标物在皮带面的当前位置编码，使得图像信息与位置编码精准的一一对应，解决皮带高速运行中因采集不同步导致位置偏差大的问题。矿用防爆控制箱。矿用防爆控制箱包括能够处理图像信息的具有GPU功能的高性能工作站处理器和负责运动控制的高性能PLC模块单元、伺服驱动器等。工作站处理器与高速工业相机通信，处理计算采集的大量异物图像信息，识别出需要分拣抓取的异物目标；PLC模块单元采用运动控制的S7-1500T系列CPU，根据识别出的异物信息，计算异物抓取路径、运行速度、分拣目标位置等参数，规划0 引言随着煤矿生产效率的提升，皮带运输的运行速度越来越快，常见井下主运皮带速度都达到了4m/s以上，现有设备和人员在皮带高速运行时对异物进行分拣，不仅不够彻底、效率低下，而且具有非常大的危险性。为解决这一问题，研制了一款用于煤矿生产的皮带异物分拣机器人系统。1 研究背景矿用皮带异物分拣机器人控制系统需求分析。设计煤矿带式输送机分练机器人异物识别与定位系统的目的是为了实时检测和识别输送带上的异物，为实现快速分练提供数据支持，确保煤矿输送带安全稳定运行。因为开下环境复杂，且输送带除异物存在外，煤和研石堆叠也是造成异物识别和分擦困难的重要因素，因此，在设计煤矿带式输送机分栋机器人异物识别与定位系统时主要要考虑以下几个方面的需求：（1）输送带在运动过程中要能够实时采集清晰的图像。（2）过滤输送带背景图像信息，突出日标异物特征。（3）识别目标异物类型，确定目标异物所在输送带区域信息，标记目标异物并显示坐标信息。（4）有稳定的数据传输能力，传输速率高且安全可靠。2 矿用皮带异物分拣机器人控制系统矿用皮带机异物分拣机器人控制系统由矿用防爆移动执行机构、矿用防爆采集装置和矿用防爆控作者简介：马静雅，中信重工开诚智能装备有限公司，高级工程师；研究方向：自动化。收稿日期：2023-04-20；修回日期：2023-09-22。摘要：阐述矿用皮带传输煤块中的大块异物分拣问题，探讨一种异物分拣机器人的设计，包括它的控制系统、控制方法、应用实践，利用该机器人能够实现无人化作业。关键词：机器人，异物分拣，控制技术。中图分类号：TP242 文章编号：1674-2583(2023)10-0316-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.146文献引用格式：马静雅，陆文涛，严海鹏，李爱军，贾智新，郭映言，孙宁，何晓辉.分拣机器人的控制系统设计与实现J.集成电路应用,2023,40(10):316-317.分拣机器人的控制系统设计与实现马静雅，陆文涛，严海鹏，李爱军，贾智新，郭映言，孙宁，何晓辉（中信重工开诚智能装备有限公司，河北 063020）Abstract This paper expounds the problem of sorting large foreign objects in coal blocks transported by mining belts,and explores the design of a foreign object sorting robot,including its control system,control method,and application practice.Using this robot,unmanned operation can be achieved.Index Terms robots,foreign object sorting,control technology.Design and Implementation of Control System for Sorting RobotMA Jingya,LU Wentao,YAN Haipeng,LI Aijun,JIA Zhixin,GUO Yingyan,SUN Ning,HE Xiaohui(CITIC Heavy Industry Kaicheng Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Hebei 063020,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 317抓取技术方案；再控制驱动器与矿用防爆移动执行机构连接通信，控制移动执行机构快速移动定位，准确抓取分拣异物。3 矿用皮带异物分拣机器人控制方法控制方法设计。矿用皮带异物分拣机器人控制方法具体包括以下步骤：（1）S0：设皮带机运行速度为v，矿用防爆移动执行机构加速度为a，建立XYZ坐标系，如图5所示；皮带机运行方向为X轴正向，横跨皮带面与X轴垂直方向为Y轴方向，垂直于XY水平面向下为Z轴正向，机械手的起始点为坐标原点（X0,Y0,Z0），Y0在皮带面的边沿。（2）S1：设皮带机携带煤炭和异物以速度v运行，当经过矿用防爆采集装置时，采集模块自动、快速采集获取皮带机上的异物信息，包括异物类型、形状、尺寸等，并同步触发编码器进行数据采集，精确获取异物在皮带面的当前位置编码E1。矿用防爆采集装置将采集的数据通信传输到矿用防爆控制箱处理，设传输、处理时间为t1，矿用防爆采集装置边沿到开始同步点的距离为X4，X4vt1，以满足数据传输、处理时间要求。（2）S2：矿用防爆控制箱对矿用防爆采集装置传来的数据信息进行处理，分析出异物类型、形状、尺寸，根据分类抓取策略确定是否分拣抓取；对需要抓取的异物，根据其类型确定异物的放置位置，并计算异物成像的像素大小、皮带面成像的像素大小及皮带面实际大小，按比例换算出异物的实际轮廓大小、异物中心到皮带面边沿Y0的距离Y1、异物中心到矿用防爆采集装置边沿X轴方向的距离X1，进而获得异物中心到开始同步点的距离X5，X5=X1+X4；异物中心在到达开始同步点时，异物位置编码E2为：E2=E1+X1+X4。矿用防爆控制箱实时检测采集编码器值，当检测到编码器值为E2，即异物到达开始同步点时，控制矿用防爆移动执行机构开始动作，进行异物抓取。（3）S3：异物到达开始同步点时，矿用防爆控制箱控制X轴移动模块和Y轴移动模块移动。X轴移动模块从起始点静止开始以加速度a加速移动，加速到与皮带同速v，耗时t2=v/a，加速移动距离X2=0.5vt2，到达同步点位置。在t2这段时间，异物从开始同步点随皮带移动距离X3=v*t2=2*X2,也到达同步点，即，异物到达开始同步点时，X轴移动模块从起始点静止开始以加速度a加速移动，当X轴移动模块以速度v到达同步点时，异物也同时随皮带以速度v到达同步点，异物位置编码为E3=E2+X3=E1+X1+X4+2X2，异物与矿用防爆移动执行机构继续以速度v运行，在X轴方向达到同位置的相对静止的同步状态。在此期间，矿用防爆控制箱控制Y轴移动模块向异物方向移动，当移动到离皮带面边沿Y0的距离为Y1位置时，Y轴移动模块停止运行，此时，异物与矿用防爆移动执行机构在Y轴方向达到同一位置，且与矿用防爆移动执行机构处于相对静止的同步状态。（4）S4：当异物与矿用防爆移动执行机构在X轴、Y轴方向均达到同一位置且同步运行时，Z轴移动模块的测距传感器实时采集机械手距离异物的高度h，矿用防爆控制箱控制Z轴移动模块的升降机构使机械手向下移动距离h，然后控制机械手迅速抓住异物，向上提起。在机械手上提过程中，控制X轴移动模块减速停止，解除与皮带的同步状态。（5）S5：根据S2中确定的异物放置位置，矿用防爆控制箱控制X轴移动模块和Y轴移动模块移动到分拣异物的放置位置，然后松开机械手放下异物，完成本次异物的分拣。接下来，矿用防爆控制箱控制X轴移动模块和Y轴移动模块重新回到起始点位置，等待下一个需要分拣的异物目标。控制方法实现。为了解决煤矿输送带上存在的异物危害，本文提出矿带式输送机分练机器人异物识别与定位方法，其重点研究基于双目视觉的输送带目标异物图像采集与特征提取、建立输送带送异物特征样本库、输送带异物坐标位置解算。（1）针对输送带异物图像采集问题，提出在图像采集过程中对输送带实时图像进行预处理的方法，改进图像边缘信息，突出异物边缘特征。（2）针对异物特征提取与识别问题，利用形态学方法提取异物形状特征，建立异物图像特征样本库，通过图像特征匹配方式解算出异物存在区域，实现异物类型的检测、分类与识别。（3）针对异物空间位置定位问题，在异物类型成功识别的基础上，建立相机、输送带与目标异物坐标转换关系，利用多日标质心快速计算算法求取异物质心坐标。PLC采用运动控制的S7-1500T系列CPU，驱动器采用V90系列，位置环运行在CPU控制器，速度环运行在驱动器，在TIA博图V16软件环境下，采用LAD语言进行逻辑编程。4 应用效果该异物分拣机器人已经在煤矿中得到应用，实际应用表明，该机器人工作可靠，能够代替分拣人员完成在高速运行的皮带面上进行异物的自动分拣工作，解决了高速运行的皮带面上大块、重异物搬取困难、抓取危险的问题。5 结语以矿用带式输送机分拣机器人控制系统为研究对象，重点研究了分拣机器人制系统总体方案软硬件设计，并记录到了分拣机器人现场工作时的情况，提升故障识别效率。参考文献1 王国法,范京道,徐亚军等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望J.工矿自动化,2018,44(02):5-12.