CN108117024A - 高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其步骤为：S1:在机械手每次到达一个固定位置时进行图像采集；S2：根据采集到的图像得出灌装针杆与瓶口中心的相对位置偏差；即：先确定针杆中心位置；再对瓶口区域进行检测，确定瓶口边缘位置，并根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置；最后结合针杆中心位置与瓶口的中心位置来得出所述相对位置偏差；S3：根据步骤S2得到的相对位置偏差，控制机械手的运行轨迹，完成纠偏。本发明具有原理简单、操作简便、实时性好、控制精度高等优点。

Description

高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法

技术领域

本发明主要涉及到制药、食品等灌装设备领域，特指一种适用于高速灌装设备的机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法。

背景技术

随着科学技术的进步，在制药、食品等灌装设备中机械手技术得到了充分地运用，它可以代替人工、智能化地完成传输、灌装等任务，从而大大解放了人类劳动力，使得生产效益大大提高。参见图1，如在高速西林瓶灌装加塞机智能测控系统中，就应用有一种二自由度的机械手，在水平与竖直方向上分别由两个独立伺服电机控制，伺服电机通过电子凸轮，实现与主带之间的伺服同步，进而完成准确灌装药液的任务。

上述灌装生产线在生产过程中，灌装速度最快可以达到600瓶/分，机械手往复运动一次，可以完成12个药瓶的灌装任务，因此，机械手的往复运动周期为1.2秒。随着生产运行时间的加长，机械手与主带之间的同步会出现偏差，导致灌针与药瓶的相对位置会发生变化，为了确保生产的安全进行，必须消除所产生的相对位置偏差。但是，在现有的机械手控制技术中，一般采用人为停下生产线，手动对机械手的轨迹偏移进行调整的方式，这种方法存在明显的缺陷：不智能、不能及时调节、操作麻烦、降低生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、实时性好、控制精度高的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其步骤为：

S1: 在机械手每次到达一个固定位置时进行图像采集；

S2：根据采集到的图像得出灌装针杆与瓶口中心的相对位置偏差；即：先确定针杆中心位置；再对瓶口区域进行检测，确定瓶口边缘位置，并根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置；最后结合针杆中心位置与瓶口的中心位置来得出所述相对位置偏差；

S3：根据步骤S2得到的相对位置偏差，控制机械手的运行轨迹，完成纠偏。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S2中确定针杆中心位置的方法为：先划分出针杆的感兴趣区域ROI，在确定针杆感兴趣区域ROI区域的基础上，利用投影法，根据像素点的统计特征确定针杆中心位置。

作为本发明的进一步改进：在确定针杆中心位置的过程中，对针杆的异常情况进行判断，在达到所预设的报警条件后，发出报警信号。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中在对瓶口区域进行检测时，采用分成有瓶和无瓶两种情况的方法：

a.有瓶情况下，利用瓶口边缘的像素点特征确定瓶口边缘位置；根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置，计算公式为：

瓶口中心位置=瓶口左边缘+(瓶口右边缘—瓶口左边缘)/2；

b.无瓶情况下，通过检测瓶子半圆卡槽的中心点确定瓶口中心；在得到清晰的卡槽边缘检测图的基础上，通过卡槽感兴趣区域区域在Y轴上的像素投影特征找到卡槽半圆直径位置，在此基础上再确定卡槽半圆的中心，即瓶口中心，瓶口中心的计算公式为：

瓶口中心位置=卡槽左边缘+(卡槽右边缘—卡槽左边缘)/2。

作为本发明的进一步改进：当针杆中心过分偏离瓶子卡槽中心，即针杆中心完全偏离卡槽半圆范围时，先检测出针杆所对着的相邻两卡槽半圆间的平台中心，并分析此时针杆所对准的平台中心是否包含缝隙；如果检测到的平台中心不包含缝隙，则通过将针杆往前补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心；如果检测到的平台中心包含缝隙，则通过将针杆往后补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心，计算公式为：

瓶口中心位置=平台左边缘+(平台右边缘—平台左边缘)/2130。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S2中还包括对平台缝隙的检测流程，即：从原图中分割出包含缝隙的部分，进行边缘检测并使得边缘检测图清晰干净，在边缘检测图形的基础上，以针杆位置为基准，分别向左右两边进行像素点的搜索，在一定的范围内对像素进行累积遍历，通过比较左右两边像素点的多少，判断出缝隙与针杆的相对位置。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，先保存过去一段时间的偏差值，通过对这一段时间的偏差值取平均处理后，用来调整机械手的轨迹。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，搭建一个针对机械手带动的灌针与瓶口中心同步运动区域的图像采集系统，用来进行图像采集。

作为本发明的进一步改进：所述图像采集系统包括摄像头和光源，所述摄像头安装在机械手的支架上，对准第一个灌针，所述光源安装在摄像头的正对面。

作为本发明的进一步改进：在高速灌装机的PLC控制器发出一个电平信号之后，触发摄像头进行拍照；所述摄像头拍照后，将图片信息保存于所分配好的缓冲内存中以供下一步具体的图片处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，对于生产线在高速运作过程中所产生的灌针与瓶口的相对位置偏差，可以通过摄像头快速准确地获取实时图像加以分析而得到，且能自动地实现机械手在高速往复运动过程中其水平位移的偏移校准。本发明控制精度高、实时性强、易实现，操作简便且无需人工停下生产线进行手动的校准，大大提高了生产线的生产效率，保证了生产质量。

附图说明

图1是高速西林瓶灌装加塞机的灌装原理示意图。

图2是本发明方法的流程示意图。

图3是本发明在具体应用实例中搭建的图像采集系统的原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中无瓶情况下灌装示意图。

图5是本发明在具体应用实例中无瓶情况下边缘检测图。

图6是本发明在具体应用实例中有瓶情况下灌装示意图。

图7是本发明在具体应用实例中有瓶情况下边缘检测图。

图例说明：

1、灌针；2、机械手；3、药瓶；4、摄像头；5、光源。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其步骤为：

S1: 在机械手2每次到达一个固定位置时进行图像采集；

S2：根据采集到的图像得出灌装针杆与药瓶3的瓶口中心的相对位置偏差；即：先确定针杆中心位置；再对瓶口区域进行检测，确定瓶口边缘位置，并根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置；最后结合针杆中心位置与瓶口的中心位置来得出所述相对位置偏差；

S3：根据步骤S2得到的相对位置偏差，控制机械手2的运行轨迹，完成纠偏。即：将该相对位置偏差实时传送给机械手2伺服控制系统偏差矫正模块，控制器根据该偏差值驱动机械手2伺服电机，从而调整机械手2的轨迹，完成机械手2在水平方向上的位移纠偏。

在具体应用实例中，上述步骤S2中确定针杆中心位置可以采用以下的优化方法：先划分出针杆的ROI（感兴趣区域），在确定针杆ROI区域的基础上，利用投影法，根据像素点的统计特征确定针杆中心位置。在该方法的基础上，还可以进一步全面考虑生产过程中针杆可能出现的异常情况，例如针杆缺失或针杆歪斜，通过图像处理对其进行辨识并发出报警信号。也就是说，在确定针杆中心位置的过程中，可以对针杆的异常情况进行判断，在达到所预设的报警条件后，发出报警信号。

在具体应用实例中，上述步骤S2中在对瓶口区域进行检测时，可以采用分成有瓶和无瓶两种情况的优化方法：

a.有瓶情况下，利用瓶口边缘的像素点特征确定瓶口边缘位置。根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置，计算公式为：

瓶口中心位置=瓶口左边缘+(瓶口右边缘—瓶口左边缘)/2

b.无瓶情况下，通过检测瓶子半圆卡槽的中心点确定瓶口中心；在得到较清晰的卡槽边缘检测图的基础上，通过卡槽ROI区域在Y轴上的像素投影特征找到卡槽半圆直径位置，在此基础上再确定卡槽半圆的中心，即瓶口中心，瓶口中心的计算公式为：

瓶口中心位置=卡槽左边缘+(卡槽右边缘—卡槽左边缘)/2。

结合实际生产工艺流程，在具体应用时，12个灌针1应分别对准2个拨块所包含的12个卡槽，拨块与拨块之间存在一定的间隙，同一个拨块的卡槽之间是光滑无间隙的，为此作为较佳的实施例，还包括一个较少出现情况的处理流程，即当针杆中心过分偏离瓶子卡槽中心（针杆中心完全偏离卡槽半圆范围）时，先检测出针杆所对着的相邻两卡槽半圆间的平台中心，并分析此时针杆所对准的平台中心是否包含缝隙；如果检测到的平台中心不包含缝隙，则通过将针杆往前补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心；如果检测到的平台中心包含缝隙，则通过将针杆往后补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心，计算公式为：

瓶口中心位置=平台左边缘+(平台右边缘—平台左边缘)/2130。

作为较佳的实施例，优选的本发明进一步还包括对平台缝隙的检测流程，即：从原图中分割出包含缝隙的部分，进行边缘检测并使得边缘检测图清晰干净，在边缘检测图形的基础上，以针杆位置为基准，分别向左右两边进行像素点的搜索，在一定的范围内，对像素进行累积遍历，通过比较左右两边像素点的多少，判断出缝隙与针杆的相对位置。

作为较佳的实施例，所述步骤S3中，在偏差值的基础上消除机械手2抖动所引起的误差的方法为：利用偏差矫正模块保存过去一段时间的偏差值，通过对这一段时间的偏差值取平均处理后，即可消除由机械手2抖动所引起的随机误差。PLC控制器根据得到的偏差值驱动机械手2，从而调整机械手2的轨迹，完成机械手2在水平方向上的位移纠偏。

参见图3，在步骤S1中，先搭建一个针对高速西林瓶灌装加塞机灌装过程中、机械手2带动的灌针1与主同步带上西林瓶瓶口中心同步运动区域的合适的图像采集系统。在高速西林瓶灌装加塞机灌装过程中，摄像头4会在机械手2每次到达一个固定位置时进行拍照。作为较佳的实施例，搭建方式及工作原理为：

S101：将摄像头4稳固安装在机械手2的支架上，使其对准第一个灌针1，并把光源5安装在摄像头4的正对面，给光源5及摄像头4提供电源，并接通摄像头4的网线，使工控机与摄像头4处于同一局域网内。

S102：根据实际情况对摄像头4的参数进行设置，例如图像宽度，图像高度，摄像头4快门，图像宽度偏移和图像高度偏移，数值大小以实际拍摄结果最佳为准。摄像头4有两种触发拍照模式：硬件触发与软件触发，应将摄像头4设置为硬件触发模式。摄像头4拍照后，将图片信息保存于所分配好的缓冲内存中以供下一步具体的图片处理。

S103：在高速西林瓶灌装加塞机灌装过程中，PLC控制器在特定的时刻发出一个电平信号，触发摄像头4进行拍照。

参见图4～图7所示，为本发明的一个具体应用实例。本发明对图像的分析都是以像素点为单位。图4为无瓶情况下，摄像头4拍摄到的机械手2在运作过程中第一根针杆所对应图片的示意图，原图像宽度为380，高度为300。对图4进行边缘检测，首先划分出针杆的ROI区域，利用针杆在X轴上的像素投影，分别找出针杆的左右边缘，进而找出针杆的中心，针杆中心=针杆左边缘+(针杆右边缘—针杆左边缘)/2。找出针杆中心后，利用两点法确定针杆的斜率，若斜率太大，表明针杆倾斜厉害，进行报警提示。然后再划分出卡槽的ROI区域，利用像素投影法根据像素点的分布特征分别找出卡槽的左右边缘，进而找出卡槽中心，也即瓶口中心。图5为图4在进行了图像处理之后得出的、实际的效果图。通过图5，可以得出针杆中心位置为192.5，斜率为0.5，瓶口右边缘为252，瓶口左边缘为86，瓶口中心为169，则针杆中心与瓶口中心位置偏差为23.5。在边缘检测图中，一个完整的卡槽长度以像素点为单位为260，以生产线为单位计算出的一个完整卡槽长度为30，将像素点单位转换成生产线计算单位，得到偏差实际值为2.71毫米。

图6为在有瓶情况下，摄像头4拍摄到的机械手2在运作过程中第一根针杆所对应图片的示意图，其中，对针杆的处理与无瓶情况时候一样，但在进行瓶口中心的确定时，则是以瓶子本身为标准来计算。首先，划分出瓶口的ROI区域，利用像素投影法，根据像素点分布特征分别找出瓶子的左右边缘，从而计算出瓶口的中心位置，如图7所示。通过图7，可以得出针杆中心位置为192.5，斜率为0.5，瓶口右边缘为269，瓶口左边缘为93，瓶口中心为181，则针杆中心与瓶口中心位置偏差为11.5。将其换算成以生产线计算单位为准，偏差实际值为1.32毫米。

经过对多次的实时图片处理之后，将得到的多个偏差值进行取平均处理，并将结果送到机械手2水平跟随伺服控制器，随即调整机械手2水平方向上的位移以消除偏差。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，步骤为：

S1: 在机械手每次到达一个固定位置时进行图像采集；

S2：根据采集到的图像得出灌装针杆与瓶口中心的相对位置偏差；即：先确定针杆中心位置；再对瓶口区域进行检测，确定瓶口边缘位置，并根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置；最后结合针杆中心位置与瓶口的中心位置来得出所述相对位置偏差；

S3：根据步骤S2得到的相对位置偏差，控制机械手的运行轨迹，完成纠偏。

2.根据权利要求1所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，在所述步骤S2中确定针杆中心位置的方法为：先划分出针杆的感兴趣区域ROI，在确定针杆感兴趣区域ROI区域的基础上，利用投影法，根据像素点的统计特征确定针杆中心位置。

3.根据权利要求2所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，在确定针杆中心位置的过程中，对针杆的异常情况进行判断，在达到所预设的报警条件后，发出报警信号。

4.根据权利要求2或3所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，所述步骤S2中在对瓶口区域进行检测时，采用分成有瓶和无瓶两种情况的方法：

a.有瓶情况下，利用瓶口边缘的像素点特征确定瓶口边缘位置；根据瓶口左右边缘位置计算出瓶口的中心位置，计算公式为：

瓶口中心位置=瓶口左边缘+(瓶口右边缘—瓶口左边缘)/2；

b.无瓶情况下，通过检测瓶子半圆卡槽的中心点确定瓶口中心；在得到清晰的卡槽边缘检测图的基础上，通过卡槽感兴趣区域区域在Y轴上的像素投影特征找到卡槽半圆直径位置，在此基础上再确定卡槽半圆的中心，即瓶口中心，瓶口中心的计算公式为：

瓶口中心位置=卡槽左边缘+(卡槽右边缘—卡槽左边缘)/2。

5.根据权利要求4所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，当针杆中心过分偏离瓶子卡槽中心，即针杆中心完全偏离卡槽半圆范围时，先检测出针杆所对着的相邻两卡槽半圆间的平台中心，并分析此时针杆所对准的平台中心是否包含缝隙；如果检测到的平台中心不包含缝隙，则通过将针杆往前补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心；如果检测到的平台中心包含缝隙，则通过将针杆往后补偿半个卡槽的位置的方式找到卡槽半圆中心，即瓶口中心，计算公式为：

瓶口中心位置=平台左边缘+(平台右边缘—平台左边缘)/2130。

6.根据权利要求4所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，在所述步骤S2中还包括对平台缝隙的检测流程，即：从原图中分割出包含缝隙的部分，进行边缘检测并使得边缘检测图清晰干净，在边缘检测图形的基础上，以针杆位置为基准，分别向左右两边进行像素点的搜索，在一定的范围内对像素进行累积遍历，通过比较左右两边像素点的多少，判断出缝隙与针杆的相对位置。

7.根据权利要求1或2或3所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，所述步骤S3中，先保存过去一段时间的偏差值，通过对这一段时间的偏差值取平均处理后，用来调整机械手的轨迹。

8.根据权利要求1或2或3所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，所述步骤S1中，搭建一个针对机械手带动的灌针与瓶口中心同步运动区域的图像采集系统，用来进行图像采集。

9.根据权利要求8所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，所述图像采集系统包括摄像头和光源，所述摄像头安装在机械手的支架上，对准第一个灌针，所述光源安装在摄像头的正对面。

10.根据权利要求8所述的高速灌装机械手跟踪定位偏差在线识别与纠偏方法，其特征在于，在高速灌装机的PLC控制器发出一个电平信号之后，触发摄像头进行拍照；所述摄像头拍照后，将图片信息保存于所分配好的缓冲内存中以供下一步具体的图片处理。