专利名称：一种数控车床单目视觉上下料机器人系统及方法
技术领域：
本发明涉及上下料机器人，特别涉及数控车床上下料视觉机器人。其突出特点是使用单目视觉系统就可以实现数控车床的上下料。
背景技术：
中国的视觉技术的应用开始于90年代，因为行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，导致以上各行业的应用几乎空白。到二十一世纪，大批海外从事视觉行业技术人员回国创业，视觉技术开始在自动化行业成熟应用，2004年，在国内视觉行业具有划时代意义的是深圳创科推出国内首款高性能机器视觉软件开发包CKVision， 代表了国内视觉技术已经日益成熟。目前，在我国，机器视觉主要应用于产品的质量检测。目前，数控车床上下料主要由人工完成，面对着劳动力成本的不断上升和生产效率的提升，人们把更多的目光转向了机器人。工业机器人的应用具有重复定位精度高，可靠性高，生产柔性化，自动化程度高等无可比拟的优势。与人工相比，能极大的提高生产效率和生产品质。但是由于数控机床的工件尺寸不固定，传统的上下料机器人需要专用夹具装夹，提高了生产成本，降低了生产效率。显然这种技术违反了数控车床柔性化的特点。武汉理工大学的型材搬运上下料机器人(专利号032M701. 3)使用摄像机作为光学传感器，通过鼠标点击操作完成上下料，需要有人值守，降低了机器人的智能化水平。江苏大学的服务于两台数控机床上下料移动机器人的控制方法(申请号201010603713. 9)通过双目视觉系统实现上下料，需要两台工业CCD相机，控制系统比较复杂，虽然柔性较高，但是实现所需成本也较高。目前在国内视觉系统主要应用在焊接机器人上，极少涉及上下料机器人。
发明内容
本发明的目的是通过视觉系统提高数控车床上下料的智能化和自动化水平，并且要降低控制系统的复杂度。对于普通上下料机器人，需要工件规则放置，有些还需要安装专用的夹具，有些机器人采用双目或多目视觉系统，系统较为复杂。本发明克服上述现有技术的缺点，提供一种能有效简单实现数控车床上下料的方法，根据摄像机采集的图像信息，确定一个离机器人距离最近的棒料零件。机器人对杂乱摆放的工件能有效识别，使用示教盒示教的方式提高了机器人的可靠性。该方法还能有效的提高数控车床的装夹精度，提高数控车床的柔性，降低生产成本。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是该发明由中小型通用机器人、 摄像机、光源、示教盒、上料台和下料台组成。其中控制系统由安装有图像处理软件的DSP (或者ARM处理器)和MCS-51单片机组成。DSP (或则ARM处理器)是整个机器人中的核心，负责处理机器人上下料过程中采集的信息。光源通过串口与DSP (或则ARM处理器)相连，DSP通过串口控制光源的打开和关闭；摄像机通过1394数据线与DSP (或则ARM处理器)相连，通过1394数据线传输摄像机采集的图像信息至DSP (或则ARM处理器)；摄像机还通过8脚的RJ45接口与DSP相连，DSP (或则ARM处理器)通过RJ45接口触发控制摄像机进行图像采集；示教盒是由MCS-51 单片机组成的，通过SPI接口与DSP (或则ARM处理器)连接；上料台放在中小型通用机器人的左边；下料台放在中小型通用机器人的前面，数控车床放在中小型通用机器人的右边； 摄像机放在上料台的正上方；光源放在摄像机的下方。摄像机分辨率达到1600X 1200像素，检测精度可以达到0. 02mm。完整的视觉系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统，图像数字化模块、数字图像处理模块，智能判断决策模块，零件库模块和机械执行模块。视觉系统需要对摄像机进行标定来确定摄像机的位置、内参和外参。上下料的过程如下
①在响应数控车床上料请求信号后，系统打开工业相机光源，工业CCD相机采集数字图像信号通过图像采集卡采集至DSP中；
②此时关闭工业相机光源，DSP内的视觉系统对采集的图像进行处理分析，包括去噪、 图像增强、中值滤波、canny算子边缘检测、图像分割和视觉匹配；
③通过和零件库中的零件进行比对，确定该零件的类型。视觉系统分辨率达到 1600X1200像素，检测精度可以达到0. 02mm ；
④图像处理分析过后，由DSP计算出距离机器人最近的那个棒料零件并确定抓取该零件。如果零件库中没有找到该类型的零件，则机器人请求进行人工示教，示教系统采用SPI 接口和DSP进行通信，并将人工示教的机械手的轨迹存在零件库中。示教盒采用MCS-51系列单片机完成控制信息的接受和发送以及数码管的显示。DSP可向单片机传送检测到的机器人各个轴当前位置数据。之后如果再次出现该类型的零件，DSP则自动从零件库中获取该零件的上下料方案，包括零件的抓取方式，上料时的空间轨迹，下料时的空间轨迹；
⑤分析上料台的棒料的空间位置及姿态，根据棒料的位置和姿态，机器人执行抓取方案和装夹方案，完成上料操作；
⑥当机床需要下料时，机床停止运行，打开数控车床挡门，DSP接收下料信号，根据机器人记录上料时的信息确定下料方案，机械手执行方案完成下料。本发明的有益效果是，结合了单目视觉系统，零件库及人工示教模式，与传统的上下料机器人相比，视觉系统增加了该机器人的对不同零件的识别能力；与双目视觉系统相比，单目视觉原理简单，结构简单，更容易实现，又降低了成本；人工示教模式又提高了系统的可靠性。由此，上下料机器人的智能化水平大幅提高，该机器人基本上实现了数控车床无人值守，数控机床加工和上下料的过程的连续性得到提高，该发明适合于数控车床棒料类零件的自动上下料。
图1为机器人上下料系统示意图。图2为机器人上料过程流程图。图3为机器人下料过程流程图。其中1一摄像机，2—上料台，3—数控车床，4一机器人，5—光源，6—下料台。
具体实施方式
本发明所述的光源是指的机器视觉专用的光源，用于在摄像机1采集图像时提供照明，摄像机1通过1394数据线连接图像采集卡，图像采集卡安装在DSP上。工业CXD摄像机1安装在上料台的上方，摄像机1周围是环形光源5。选用的DSP型号为TMS320DM642， 该类型的DSP具有强大的图像处理能力和运算能力。示教盒采用MCS-51系列单片机完成控制信号的接受和发送。DSP向单片机传送检测到的各轴当前位置数据，从单片机接收各轴运动的控制信号和示教信号。DSP作为控制系统的中枢，通过PCI总线集成六轴运动控制卡，六轴运动控制卡负责各个轴的运动控制和运动状态反馈。数控车床开始运行，发出上料指令，DSP响应并通过1394数据线向摄像机1发出图像采集指令，DSP根据采集到的图像和摄像机1标定的参数信息，确定工件的空间坐标位置和姿势，通过六轴运动控制卡控制机械手抓取棒料并执行上下料。
权利要求
1.一种数控车床单目视觉上下料机器人系统，其特征在于，包括控制系统、中小型通用机器人(4)、摄像机(1)、光源(5)、示教盒(7)、上料台(2)和下料台(6)；所述控制系统由安装有图像处理软件的DSP和MCS-51单片机；DSP处理机器人上下料过程中采集的信息；所述光源(5)通过串口与DSP相连，DSP通过串口控制光源(5)的打开和关闭；摄像机(1)通过1394数据线与DSP相连，通过1394数据线传输摄像机采集的图像信息至DSP ；摄像机(1) 还通过8脚的RJ45接口与DSP相连，DSP通过RJ45接口触发控制摄像机(1)进行图像采集；示教盒(7)是由MCS-51单片机组成的，通过SPI接口与DSP (或则ARM处理器)连接；上料台放在中小型通用机器人(4)的左边；下料台(6)放在中小型通用机器人(4)的前面，数控车床放在中小型通用机器人(4)的右边；摄像机(1)放在上料台(2)的正上方；光源(5) 放在摄像机(1)的下方；所述系统在数控车床需要上下料时，响应数控车床的请求，摄像机 (1)开始采集上料台信息，对采集的图像信息处理获得工件的空间位置姿态和尺寸参数，把外形和尺寸参数与零件库中的数据进行比对，如果零件库中有该零件的上下料信息，则根据该信息执行上下料动作；如果零件库中没有该零件的信息，则系统请求人工示教，并把人工示教时机械手的抓取方案和空间轨迹记录在零件库中。
2.据权利要求1所述的单目视觉上下料机器人，其特征在于，所述图像处理软件的DSP 用ARM处理器代替。
3.根据权利要求1所述的单目视觉上下料机器人，其特征在于，所述摄像机(1)采用单目二维视觉测量的摄像机标定，不考虑镜头的畸变；摄像机上部安装光源。
4.根据权利要求1所述的单目视觉上下料机器人，其特征在于，所述摄像机(1)分辨率达到1600X 1200像素。
5.利用权利要求1所述的单目视觉上下料机器人的上下料方法，其特征在于，具体步骤为A)在响应数控车床上料请求信号后，系统打开工业摄像机(1)光源，工业CXD摄像机 (1)采集数字图像信号通过图像采集卡采集至DSP中；B)此时关闭工业摄像机(1)光源，DSP内的视觉系统对采集的图像进行处理分析，包括去噪、图像增强、中值滤波、canny算子边缘检测、图像分割和视觉匹配；C)通过和零件库中的零件进行比对，确定该零件的类型；D)图像处理分析过后，由DSP计算出距离机器人最近的那个棒料零件并确定抓取该零件；如果零件库中没有找到该类型的零件，则机器人请求进行人工示教，示教系统采用SPI 接口和DSP进行通信，并将人工示教的机械手的轨迹存在零件库中；DSP向单片机传送检测到的机器人各个轴当前位置数据；之后如果再次出现该类型的零件，DSP则自动从零件库中获取该零件的上下料方案，包括零件的抓取方式，上料时的空间轨迹，下料时的空间轨迹；E)分析上料台的棒料的空间位置及姿态，根据棒料的位置和姿态，机器人执行抓取方案和装夹方案，完成上料操作；F)当机床需要下料时，机床停止运行，打开数控车床挡门，DSP接收下料信号，根据机器人记录上料时的信息确定下料方案，机械手执行方案完成下料。
全文摘要
一种数控车床单目视觉上下料机器人系统和方法，利用传统的机床上下料机器人在料箱上部安装工业相机，将采集的图像信号传输至DSP，DSP通过对采集图像的处理确定车床棒料的尺寸特征。根据尺寸特征与工控机中零件库中的数据比对，确定零件的抓取方案。每一种类型的棒料第一次上下料需要人工示教，若再次出现该类型的棒料，DSP通过和零件库中采集的图像对比，调出该类型的棒料的上下料方案和智能识别抓取方案，将方案发送至机器人，机器人执行方案，最终实现机器人智能上下料。
文档编号B25J13/08GK102514002SQ20111044873
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者丁卫, 关号兵, 吴倩, 徐军霞, 樊帆, 沈巍, 陈四杰, 陈艳, 顾寄南 申请人:江苏大学