CN104647388A - 基于机器视觉的工业机器人智能控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端；(2)设置一功能控制装置；(3)设置基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人；功能控制装置将获取的图像信息，与预先设置的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置。本发明还公开了实施该方法的系统。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉定位领域，具体涉及基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，及实施该方法的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，利用摄像机来监控动态场景早已被广泛应用于社会各个领域，例如对安全性要求敏感的门禁系统、安全监控，工业生产。由于广泛的应用前景和潜在的经济价值，物体运动的视频定位是近年来备受关注的前沿课题，而利用生物识别技术辅助物体运动分析更是发展的趋势。利用摄像头对物体形态及动作进行识别也越来越多。
目前，在电子产品生产加工行业中，大部分的生产组装工序都依赖于人工。少数的工厂开始导入机器人自动化，但是限于机器人的灵活性和智能性不够，不能实施采集现场信号并做出相应的操作变化，导致无法真正替代人工实现智能生产。
因此，研发一种基于机器视觉的工业机器人智能控制方法及系统，根据生产现场的情况进行实时自动化控制，就变得较为迫切。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供对来料产品的智能识别和定位，快速引导机器人准确的拾取零部件，并进行准确的装配，且智能、稳定、可靠的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，及实施该方法的系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其包括以下步骤：
(1)基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；
(2)设置一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上集成有I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；
(3)设置基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；
(4)工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；
(5)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；
(6)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
所述步骤(5)还包括：功能控制装置根据获取的来料图像信息，与预先储存的来料图像进行对比，判断属于哪种来料，然后根据预先存储的位置信息，对工业机器人发出控制信息，从而实现不同来料的不同位置的装配。
所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
步骤(1)所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像。
步骤(3)所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
所述数据模块使用2个字节，包括4位的运动控制卡地址和3位工作方式；从站上的每个运动控制卡分配不同的地址，从站根据数据模块头中的地址信息寻址相应的运动控制卡，并根据工作方式控制运动控制卡的工作。从站运动控制卡可以工作在位置控制、速度控制、返回参考点以及读编码器计数值。
所述指令数据模块包括伺服使能控制、复位控制等伺服控制信息；指令数据使用6个字节，对应不同控制方式下的指令值；状态数据模块包括伺服使能状态及报警信息等反馈信息；状态数据使用6个字节，对应于不同控制方式下的反馈值，例如位置控制下的实际位置值和当前跟随误差，速度控制方式下的实际速度值等。
一种实施所述方法的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统，其包括基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上集成有I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像；所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
本发明的有益效果是：把基于GigE Vision的机器视觉系统和基于EtherCAT的机器人控制系统统一到一个嵌入式平台，都使用以太网来传输图像或控制指令。对来料产品的智能识别和定位，快速引导机器人准确的拾取零部件，并进行准确的装配，且智能、稳定、可靠。
运动控制软件通过EtherCAT总线以RJ45网线依次连接电脑端的网卡和伺服或IO设备端的总线接口，无需其它硬件，可以同时控制多达64轴。伺服控制周期最快可达0.5ms。简单的配置和通用的线缆，以及无需硬件板卡，使得这套系统在集成和维护上都十分的经济和简便。采用GigE Vision具有传输距离长(无中继时100米)、传输效率高并可向上升级到万兆网、通信控制方便、软硬件互换性强、可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明工作流程图。
具体实施方式
实施例：参见图1和图2，本实施例提供基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其包括以下步骤：
(1)基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；
(2)设置一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上集成有I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；
(3)设置基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；
(4)工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；
(5)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；
(6)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
所述步骤(5)还包括：功能控制装置根据获取的来料图像信息，与预先储存的来料图像进行对比，判断属于哪种来料，然后根据预先存储的位置信息，对工业机器人发出控制信息，从而实现不同来料的不同位置的装配。
所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
步骤(1)所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像。
步骤(3)所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
所述数据模块使用2个字节，包括4位的运动控制卡地址和3位工作方式；从站上的每个运动控制卡分配不同的地址，从站根据数据模块头中的地址信息寻址相应的运动控制卡，并根据工作方式控制运动控制卡的工作。从站运动控制卡可以工作在位置控制、速度控制、返回参考点以及读编码器计数值。
所述指令数据模块包括伺服使能控制、复位控制等伺服控制信息；指令数据使用6个字节，对应不同控制方式下的指令值；状态数据模块包括伺服使能状态及报警信息等反馈信息；状态数据使用6个字节，对应于不同控制方式下的反馈值，例如位置控制下的实际位置值和当前跟随误差，速度控制方式下的实际速度值等。
一种实施所述方法的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统，其包括基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上集成有I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像；所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；
(2)设置一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；
(3)设置基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；
(4)工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；
(5)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；
(6)功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，所述步骤(5)还包括：功能控制装置根据获取的来料图像信息，与预先储存的来料图像进行对比，判断属于哪种来料，然后根据预先存储的位置信息，对工业机器人发出控制信息，从而实现不同来料的不同位置的装配。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，步骤(3)所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，所述数据模块使用2个字节，包括4位的运动控制卡地址和3位工作方式；从站上的每个运动控制卡分配不同的地址，从站根据数据模块头中的地址信息寻址相应的运动控制卡，并根据工作方式控制运动控制卡的工作。从站运动控制卡可以工作在位置控制、速度控制、返回参考点以及读编码器计数值。
7.根据权利要求5所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制方法，其特征在于，所述指令数据模块包括伺服使能控制、复位控制等伺服控制信息；指令数据使用6个字节，对应不同控制方式下的指令值；状态数据模块包括伺服使能状态及报警信息等反馈信息；状态数据使用6个字节，对应于不同控制方式下的反馈值，例如位置控制下的实际位置值和当前跟随误差，速度控制方式下的实际速度值等。
8.一种实施权利要求1～7之一所述方法的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统，其特征在于，其包括基于GigE Vision千兆以太网图像传输，设置图像信息采集端，其包括至少一个摄像头及其控制电路，对信息源进行采集；一功能控制装置，该装置内设置有集成电路板，在该电路板上集成有I/O功能模块、数据存储功能模块、中央处理模块、数据运算模块以及无线发射功能模块；基于EtherCAT现场总线系统的工业机器人，其包括机械手臂及驱动单元；工作时，当来料进入摄像头拍摄范围内时，图像信息采集端将抓拍到的来料图像信号传入模数转换模块，模数转换模块将该图像信号转换成数字信号，然后通过以太网，传输给功能控制装置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若符合抓取条件，则判断来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度，获取来料的位置、角度、运动轨迹和运动速度的数据信息，并通过中央处理模块进行数据处理后，经以太网，向工业机器人发送控制信息，由驱动单元驱动机械手各轴运动，机械手运动到来料位置，将来料抓取，完成动作后，运行到初始位置；功能控制装置将获取的图像信息，与预先存储的模板进行对比，若不符合抓取条件，则继续获取下一个来料图像信息。
9.根据权利要求8所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统，其特征在于，所述数据运算模块中，嵌入高精度、高效数据运算算法，首先采用增量型PID算法，对数据进行预处理，然后采用逆运动学方程，对机械手臂的运动轨迹进行数学建模，再依次采用三次多项式插值算法、空间直线插补算法和空间圆弧插补算法，对机械手臂实时运动轨迹进行计算，得出计算结果，并将结果传输至中央处理模块，实现对机械手的运动轨迹及运行位置进行精确定位。
10.根据权利要求8所述的基于机器视觉的工业机器人智能控制系统，其特征在于，所述的GigE Vision千兆以太网图像传输，将UDP传输协议、GVCP传输协议和GVSP传输协议相结合，传输高可靠性的来料图像；所述的EtherCAT现场总线系统，数据模块包括指令数据模块和状态数据模块，其中，指令数据模块由主站写给从站，控制伺服运动；状态数据模块，主站从从站读取，表示伺服轴状态反馈；一个运动控制卡使用一个指令数据模块和一个状态数据模块，每个EtherCAT子报文由从站上的所有运动控制卡的数据模块组成。
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