基于机器视觉的智能机器人制鞋涂胶系统设计.pdf

鞋类工艺与设计SHOES TECHNOLOGY AND DESIGN2023 年 9 月第 3 卷 第 17 期Sept.2023Vol.3 No.173基于机器视觉的智能机器人制鞋涂胶系统设计杨蕊华，于曦辰，曹建蕊，刘建成，沈圣茗（山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101）摘要：我国是世界上最大的鞋类生产国之一，占全球鞋类产品市场的 60%。随着“中国制造 2025”的推进，智能机械系统在制鞋业得到了广泛的应用。涂胶是制鞋业的一个重要过程，其中，鞋底涂胶是制鞋生产工序的重要一环。传统涂胶方式存在获取数据信息不准确，拟合轨迹有误差，造成鞋底涂胶质量的缺陷。针对边缘点拟合问题，本文采用角检测算法，利用 RS232 通讯方式实现视觉系统与系统控制器之间的数据传输，系统控制器采用 TMS320F2812 作为核心控制芯片，涂胶方式采用压力式点胶技术，由示教盒完成工艺参数、运动轨迹等参数的设置。文章围绕机械设计系统、运动控制系统、视觉定位系统设计进行讨论。关键词：智能机械；控制系统；涂胶；机器人中图分类号TS943.59文献标识码A DOI:10.3969/j.issn.2096-3793.2023-17-001Design of Rubber Coating System for Itelligent Robot Shoemaking Based on Machine Vision YANG Ruihua，YU Xichen，CAO Jianrui，LIU Jiancheng，SHEN Shengming(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)Abstract:Our country is one of the largest footwear producing countries in the world,occupies 60%of the global footwear market.With the promotion of“Made in China 2025”,intelligent mechanical systems have been widely used in the footwear industry.Gluing is an important process of shoe industry,among which,sole gluing is an important part of the production process of shoe making.The traditional gluing method has inaccurate data acquisition information,error of fittig track,resulting in the quality defects of sole gluing.In this paper,Angle detection algorithm is used to solve the fitting problem of edge points.RS232 communication mode is used to realize the data transmission between the vision system and the system controller.The system controller adopts TMS320F2812 as the core control chip,the glue coating method adopts pressure dispensing technology,and the teaching box completes the setting of process parameters,motion trajectory and other parameters.The paper discusses the design of mechanical design system,motion control system and visual positioning system.Key words:intelligent machinery;control system;gluing;robot 引 言现今，计算机技术开始朝向智能化的方向推进，特别是在机器人的研究领域中，智能机器人将会在未来成为高新技术行业，促进工业生产全面实行智能化。智能机器人涂胶技术，利用机器人代替人手的方式控制胶枪在固定物体上进行涂胶，典型涂胶机器人系统主要包含：视觉定位系统、运动控制器、执行手臂，其中影响涂胶质量的因素主要包括机器手臂的抖动程度、边缘轮廓精确程度等。传统机器视觉常采用多目相机或线结构光的方式获取图像边缘信息1，但只能检测涂胶大致的位置，然而对于目标对象的边缘轮廓细节不够精细，造成边缘点对的误匹配问题。为了解决边缘轮廓细节缺失问题，本文采用角检测算法，有效地减少信息损失，从而更加细化边界分割将结果。视觉系统在获得鞋底的边缘轮廓之后，会通过RS232 与控制器进行通信实现信息数据的交互，运动控制系统对获取得到数据进行信息处理和任务分配，同时向驱动器发送方向信号和信息脉冲，从而实现对机器臂的作者简介：杨蕊华（2002-），女，本科在读，研究方向：机械工程，.第 3 卷鞋服设计鞋 类 工 艺 与 设 计4执行动作控制操作，实现预期的轨迹动作，涂胶管与机械臂相互结合，接受涂胶信号，共同完成边缘精准涂胶。1 系统总体设计智能机械制鞋涂胶系统主要由自动轨迹涂胶系统、运动控制系统和视觉定位系统组成。自动轨迹涂胶系统以柔性机械抓手为载体，实现了自动制鞋涂胶技术，解决了涂胶过程中均匀性、快速性、一致性的难题。改进后的制鞋涂胶机械可以提高产品质量和生产效率，增强企业的竞争力，而且使用机械臂可以实现绿色环保加工，实现无毒安全操作。控制器采用模块化程序设计思想，模块化设计提升模块可读性的同时，可以有效提高模块的可移植性。视觉定位系统主要由视觉相机、光源、图像识别装置等组成。视觉相机首先捕捉鞋底涂胶的位置图像，将得到的图像轨迹与鞋底涂胶的标准轮廓进行比较，得到位移量，并将坐标数据通过网络通讯传输给机械控制系统，得到现有鞋底涂胶的实际位置，从而保证鞋底涂胶的效果，提高涂胶系统的可靠性。2 自动轨迹涂胶系统的设计自动轨迹涂胶系统可分为轨迹控制部分和涂胶控制部分2。2.1 轨迹控制部分的设计轨迹控制部分由 3 个伺服电机控制，实现 2 个喷嘴的平面运动；2 个喷嘴在 X 方向的运动由 X 转向电机控制，而右喷嘴在 Y 方向的运动由 Y 转向电机 1 控制，左喷嘴在 Y 方向的运动由 Y 转向电机 2 控制。Y 转向电机头部1 的滚珠丝杠的旋转使其上的滚珠轴承螺母 A 在 Y 方向上做横向的近似平移运动，通过 Y 转向电机以摆杆 1 为旋转轴心的杠杆作用控制另一端的喷嘴 1 做横向的近似平移运动。同样，喷嘴 2 的横向平移由 Y 转向电机 2 控制，通过轴滑螺母控制 X 转向电机的运动，通过轴柄 2 的杠杆作用同时控制喷嘴 2 的做前后近似平移运动。2.2 涂胶控制部分的设计涂胶控制部分由出胶喷嘴、提升气缸、涂胶控制气缸组成。采用固体胶加热，在涂胶作业过程中，通过气缸的作用将喷嘴抬起，使出胶喷嘴在鞋底上平稳移动，防止胶液溢出。3 运动控制系统的设计3.1 涂胶机器人控制系统结构控制器采用模块化程序设计思想，模块化设计提升模块可读性的同时，可以有效的提高模块的可移植性。机器人运动控制系统图，见图 1。系统主要包含 3 个模块：参数设置模块（示教盒）、驱动控制模块和电机驱动模块。其中驱动控制模块是整个系统最为核心的部分。示教盒为人机交互终端，主要作用有指令给定和信息显示，示教盒通过串口通信的方式将作业指令任务输入至运动控制器。运动控制器采用 TMS320F2812 芯片作为控制核心，运动控制器通过获取得到的任务参数，通过脉冲信号向电机驱动器发送执行指令和方向信号控制步进电机运转，实现事先示教盒规划好的运动轨迹进行运行3。图 1 涂胶机器人运动控制系统3.2 运动控制器资源分配运动控制器的核心芯片为 TMS320F2812，是一款微控 32 位定点的 DSP 控制芯片，该芯片的最高主频可达150MHZ，具有多种实时信号同步处理和多控制功能，采用分布式嵌入式子系统，适合当前工业生产的需求，满足本文涂胶机器人系统要求，现对其运动控制器主要资源分配如下：3.2.1 DSP 内部各模块功能分配串行通信接口 SCI：利用串行口将示教盒和运动控制相连接，完成作业任务参数的下载和命令的接收。事件管理器：涂胶机械臂采用四个步进电机进行 转 速 控 制，因 此 需 要 4 路 PWM 波 进 行 控 制，在TMS320F2812 中拥有两个事件管理器，每个管理器分别设置两个独立定时器，即可满足控制信号的分配。3.2.2 存储器分配TMS320F2812 片内资源位 34Kx16bit，对于工业机器人的任务需求，存储资源是不够的，为了增加系统程序存储空间，此时根据系统设计需要外扩 FLASH 电路和RAM 电路。此时选用 RAM 为 256kx16bit 大小用于数据的缓冲和变量的定义，FLASH 为 512kx16bit，用于烧写第 17 期鞋服设计5杨蕊华，等 基于机器视觉的智能机器人制鞋涂胶系统设计较大程序，分配程序主体和各种中断信号。3.2.3 中断分配系统包含 3 个中断信号，其中硬件中断一个：外部键盘触发终端；定时器中断；SCI 串口通信中断。JTAG 接口：主要提供对 DSP 内部 FLASH 的在线程序调试和仿真，其自身只是硬件接口不占用任何系统资源，其引脚定义遵从行业标准不可随意改动，通过配合DSP 仿真器，配合计算机软件实现功能的切换。CAN 通讯接口：备用串行通信总线，灵活性高，为后续设备升级提供接口。4 视觉定位系统的设计视觉定位系统主要实现对目标对象外界轮廓的确定，传统图像可以利用图像分割算法利用图像本身的颜色、纹理等进行区域分割，此过程过程复杂的同时分割精度不高。本文采用角检测算法对鞋底轮廓进行提取，可以有效提高鞋底的轮廓信息获取的精细度，视觉定位系统，见图 2。图 2 视觉定位系统4.1 相机校准的设计相机校准的目的是将图像像素点的横、纵坐标转换为可被机械抓手识别的世界坐标，这一功能是由图像处理单元与工业相机合作完成的。在摄像头拍摄到黑白分布清晰的马赛克图像并将其发送到图像处理单元后，图像处理单元中的算法获得关于马赛克图像的角点信息和世界坐标的信息，并根据这些数据计算出摄像机的内部和外部参考系数、图像旋转向量和图像位移向量。图像旋转向量和图像位移向量被用来获得从相机坐标到世界坐标的转换参数，从而进行坐标转换。其中，角点识别由图像处理单元中的角检测算法（Harris Corner Detection）实现。该算法的基本过程是取某一个像素区域的窗口，通过像素点，观察窗口内像素的平均灰度值的变化。众所周知，在图像的平面区域，所有角点方向的灰度都没有变化，而在图像的边缘区域，角点在某个方向的灰度有明显变化。当窗口沿着边缘区域重复到角度边缘区域时，如果检测到窗口所有方向上的平均像素灰度有明显变化，则窗口覆盖的区域被识别为图像中的一个角点。4.2 图像识别的设计为了方便图像轮廓像素的转移，本文采用了点云数据处理技术。同时，系统将待处理的图像从彩图转换为灰度图，以减少干扰信息。此外，为了使图像更圆润、更清晰，本文的系统均使用中值滤波来模糊图像。5 结 语与传统的制鞋涂胶生产模式相比，本文提出的基于机器视觉的智能机器人制鞋涂胶系统的设计，大大提高了制鞋涂胶的效率，涂胶稳定且精度高，同时能兼容各种不同的涂胶产品，从而实现了制鞋涂胶工艺的柔性化生产，同时实现了从目前传统工艺制鞋涂胶生产向现代智能化、高度自动化的制鞋流水线的发展。参考文献：1 孙博文,朱志明,郭吉昌等.基于组合激光结构光的视觉传感器检测算法及图像处理流程优化 J.清华大学学报(自然科学版),2019,59(06):445-452.2 曹世奇,李占贤.基于 MCX314As 的喷釉机械手控制系统设计 J.工业控制计算机,2007(11):62-63.3 桓源,任工昌,王乐等.吸盘式皮革抓取搬运机器人的设计与仿真分析 J.中国皮革,2023,52(05):34-39.