CN115043053B - 一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统。包括上位机、机器臂、末端剪切装置、PLC控制柜、双目视觉装置、传送装置、触发、重力感应装置。其中，传送装置为固定轨道传送，速度可调，可同时实现钢卷传送与钢卷角度调整；双目视觉装置安装于固定架上，包括第一、第二影像装置与投影仪，用于拍摄绑带和钢卷表面图像；触发、重力感应装置用于检测传送装置是否经过；上位机用于接收和处理双目视觉装置和其他装置发送的图像和状态信息等，并生成点云数据，计算绑带位置和深度；PLC控制柜用于传输数据，可实现无线通信；机械臂根据上位机指令自动进行钢卷拆捆。本系统识别准确率高、可大大提高生产效率，实现产线自动化，提高智能制造水平。
Description
技术领域
本发明涉及智能工厂智能装备领域，具体涉及一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统。
背景技术
要深入实施制造强国战略，推动制造业优化升级，深入实施智能制造，推动建设智能制造示范工厂，完善智能制造标准体系。近年来，机器人控制技术与视觉检测技术快速发展，为传统制造业转型走向智能化提供了巨大动力。
钢铁行业作为传统制造业，是国民经济发展支柱产业，其中钢卷拆捆作为产业里的重要一环，仍存在着严重依赖人工拆捆、自动化程度低、生产效率低等问题。目前国内已有针对相关领域的智能拆捆专利，但均存在设计方案不成熟，识别手段单一、实际识别准确率低的问题，且都是对单一工序的有限智能化，并未能真正解决生产效率低的问题，因此未能得到大规模普及与应用。本发明提供了一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，与现有解决方案相比，本发明进行一次图像采集就可得到包括周向和轴向绑带在内的所有绑带图像，识别准确率高，通过双目视觉系统，可准确分析出绑带搭接处，通过无线通信可控制钢卷传送装置辊子带动绑带搭接处转离最高处，避免了剪切装置直接剪切绑带搭接处，可保证剪切质量，保护剪切装置，保证剪切的完成度，同时双目视觉检测绑带位置和深度工序与调整钢卷角度工序均对传送装置进行不停机处理，大大缩短了工序时间，可大大提高生产效率，实现产线自动化，提高智能制造水平。
近年来，随着国家制造水平的不断提高和供应链的不断完善，以及计算机视觉技术的飞速发展，使得双目视觉系统的硬件与算法能以较低的生产成本进入工业生产，为先进检测技术和智能制造提供了新的方向。
发明内容
本发明旨在提供一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其中包括上位机、机器人本体、末端剪切装置、PLC控制柜、双目视觉装置、钢卷传送装置、触发感应装置和重力感应装置。
所述钢卷传送装置为固定轨道传送，采用伺服电机驱动，齿轮齿条传动，可实现速度均匀可调，可同时实现钢卷传送与钢卷角度调整。
所述双目视觉装置，安装于现场固定架上，包括第一影像装置、第二影像装置和投影仪，用于拍摄钢卷绑带图像和钢卷表面图像，为标定简便与机器人定位的准确，须保证双目视觉装置相对于机器人本体在x轴、y轴、z轴的距离不变，同时保证钢卷整体在双目视觉系统视野范围内。
所述末端剪切装置，由法兰盘与机器人本体相连，用于夹紧、剪切与抽取绑带；
所述触发感应装置安装于固定轨道下方、双目视觉检测工序前方，用于检测钢卷传送装置是否经过，若经过，启动双目视觉系统，开始进行图像采集；
所述重力感应装置用于识别钢卷传送装置的状态，判断钢卷是否装载，若未装载，加速尽快装载，若已装载且已完成拆捆，则减速进行卸载；
所述上位机，用于接收和处理双目视觉装置发送的钢卷绑带图像，并生成点云数据，计算绑带位置和深度，接收钢卷传送装置的位置与是否装载的状态信息，并通过PLC控制柜控制机器人本体调整位姿使末端剪切装置进行剪切和控制双目视觉装置对绑带进行图像采集;
所述PLC控制柜，其中包括无线通信模块，主要用于各传感器与上位机，上位机与其他装置之间的通信。
本发明提供的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，包括如下步骤。
1.机器人在拆捆之前需进行双目标定。
2.钢卷传送装置经过轨道前方重力感应装置，进行钢卷装载工作，并减速进入拆捆区。
3.钢卷传送装置经过触发感应装置，双目视觉装置开始工作，采集钢卷绑带图像和钢卷表面图像。
4.上位机根据采集到的图像信息进行预处理后生成点云信息，并通过下式计算出绑带位置：
其中，表示绑带在世界坐标系下的坐标，R、T分别为外参矩阵的3x3旋转矩阵和3x1平移矩阵，/>、/>分别为图像的中心坐标，/>、/>分别为图像坐标系下任意坐标点，/>表示相机坐标的Z轴值，即目标到相机的距离；上位机通过双目视觉系统采集的图像信息计算出绑带的深度信息后，通过以下方式对绑带厚度进行计算：
其中，表示阈值，/>表示绑带厚度，/>表示绑带最高点的深度信息，/>表示钢卷最高点的深度信息，当绑带厚度超过阈值时，表示此处为绑带搭接处，不适合剪切，需进一步进行处理。
5.若为绑带搭接处，上位机发送指令控制钢卷传送装置辊子转动一定角度，使绑带搭接处转离最高点。
6.上位机端经图像处理与坐标转换后，计算得出绑带在机器人坐标系下的三维坐标，上位机发送指令控制机器人调整位姿，使末端剪切装置进行剪切动作。
7.完成绑带剪切后，钢卷传送装置经过剪切工序后方的重力感应装置，进行钢卷卸载工作，卸载之后加速尽快进行钢卷装载。
与现有技术相比，本发明具有以下增益效果。
1. 在双目视觉检测工序之前安装触发感应装置，在钢卷传送装置经过触发感应装置时，双目视觉装置才开始工作，进行图像采集，其他时间处于休眠模式，最大限度降低了该系统的功耗，同时，钢卷传送装置会降低其传送速度，保证双目视觉装置的识别精度，。
2. 与现有解决方案相比，双目视觉装置的视野范围可以将钢卷整体均包含在内，进行一次图像采集就可得到包括周向和轴向绑带在内的所有绑带图像，识别准确率高，解决了目前拆捆系统只能识别单一方向绑带的缺陷。
3. 与现有解决方案相比，通过双目视觉系统，可准确分析出绑带搭接处，通过无线通信可控制钢卷传送装置辊子带动绑带搭接处转离最高处，避免了剪切装置直接剪切绑带搭接处，可保证剪切质量，保护剪切装置，保证剪切的完成度。
4. 双目视觉检测绑带位置和深度工序与调整钢卷角度工序均对传送装置进行不停机处理，大大缩短了工序时间，可大大提高生产效率，实现产线自动化，提高智能制造水平。
5.钢卷传送装置在完成拆捆后会降低传送速度进行钢卷卸载，完成钢卷卸载之后传送装置会提高传送速度，尽快进行钢卷装载，提高了自动化水平和生产效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中。
图1为本发明基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统的系统流程框图。
图2为本发明基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统的系统工作总装图。
图3为本发明基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统的双目视觉装置局部图。
图4为本发明基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统的传送装置局部图。
其中100为双目视觉装置，101为第一影像装置，102为第二影像装置，103为投影仪，104为双目视觉装置保护罩；200为钢卷传送装置，201为辊子，202为直流减速电机，203为齿轮传动装置，204为钢卷传送装置支重轮，205为钢卷，206为绑带；300为六轴机械臂；400为末端剪切装置；500为固定导轨。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，本说明的目的与意义在于帮助相关领域的技术人员充分理解本发明，但不限于以下公开的示范性实例。在不脱离本发明主体结构的任何实施例均在本发明的保护范围内。
一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统。其特征在于，所述系统包括上位机、机器人本体300、末端剪切装置400、PLC控制柜、双目视觉装置100、钢卷传送装置200、触发感应装置和重力感应装置。
所述钢卷传送装置200为固定轨道500传送，采用高精度伺服电机驱动，齿轮齿条传动，其辊子采用直流减速电机202驱动。可实现速度均匀可调，用于传送钢卷与调整钢卷角度；
所述双目视觉装置100，安装于现场固定架上，包括第一影像装置101、第二影像装置102和投影仪103，用于拍摄钢卷绑带图像和钢卷表面图像，为标定简便与机器人定位的准确，须保证双目视觉装置200相对于机器人本体在x轴、y轴、z轴的距离不变，保证双目视觉装置200的视野范围永远将整个钢卷包括在内。
所述末端剪切装置400，由法兰盘与机器人本体300相连，用于夹紧、剪切与抽取绑带；
触发感应装置安装于固定轨道500下方、双目视觉检测工序前方，用于检测钢卷传送装置200是否经过，若经过，启动双目视觉系统，开始进行图像采集。
所述重力感应装置用于识别钢卷传送装置200的状态，判断钢卷是否装载，若未装载，加速尽快进行装载，若已装载且已完成拆捆，则减速进行卸载。
所述上位机，用于接收和处理双目视觉装置100发送的钢卷绑带图像，并生成点云数据，计算绑带位置和深度，接收钢卷传送装置200的位置与是否装载的状态信息，并通过PLC控制柜控制机器人本体300调整位姿使末端剪切装置400进行剪切和控制双目视觉装置100对绑带与钢卷进行图像采集。
所述PLC控制柜，其中包括无线通信模块，主要用于各传感器与上位机，上位机与其他装置之间的通信。
本发明的具体实施步骤为。
1. 机器人在拆捆之前需进行双目相机与投影仪标定。在双目相机与投影仪标定环节，获取第一影像101装置与第二影像装置102的内参、外参以及投影仪103的内参。
2. 钢卷传送装置200经过钢卷装载区时，即通过第一个重力感应装置时，进行钢卷205装载工作，装载完成后，钢卷传送装置200降低速度，保证图像采集与剪切等后续工作顺利进行。
3. 钢卷传送装置200在进行图像采集之前会首先经过触发感应装置，触发感应装置将信号发送给上位机，上位机控制双目视觉装置100开始工作。
4. 双目视觉装置100接收信号后开始采集钢卷绑带206与钢卷表面图像，并将图像信息通过PLC发送给上位机。
5. 上位机接收到绑带与钢卷的图像之后，对图像进行预处理。根据双目标定得到的畸变参数，对采集到的图像进行去畸变。
6. 根据测试图像数据特征对去畸变后的图像做增强、滤波等，使图像更便于后续特征检测。
7. 对图像进行特征点匹配，对第一影像装置101和第二影像装置102的图像进行特征点检测，经检测后的特征点根据匹配算法做匹配，记录匹配后的特征点对。
8. 根据匹配后的特征点对计算视差，根据双目视觉测距原理得到匹配点对对应双目视觉装置下的三维坐标。上位机根据采集到的图像信息经预处理后生成点云信息，并通过下式计算出绑带位置：
其中，表示绑带在世界坐标系下的坐标，R、T分别为外参矩阵的3x3旋转矩阵和3x1平移矩阵，/>、/>分别为图像的中心坐标，/>、/>分别为图像坐标系下任意坐标点，/>表示相机坐标的Z轴值，即目标到相机的距离。
上位机通过双目视觉装置100采集的图像信息计算出绑带206的深度信息后，通过以下方式对绑带厚度进行计算：
其中表示阈值，/>表示绑带厚度，/>表示绑带最高点的深度信息，/>表示钢卷最高点的深度信息，当绑带厚度超过阈值时，表示此处为绑带搭接处，不适合剪切，需进一步进行处理。
9. 若为绑带搭接处，上位机发送指令控制钢卷传送装置的辊子201转动一定角度，使绑带搭接处转离最高点。
10. 上位机根据转换后的三维坐标，发送指令驱动末端剪切装置400到达指定位置，即当末端剪切装置400的位姿与绑带206的位置重合时，上位机发送指令机械臂执行剪切动作，并将剪切后的绑带抽取回收。
11. 完成绑带剪切后，钢卷传送装置200经过剪切工序后方的重力感应装置，降低速度停机，进行钢卷卸载工作。
12.完成钢卷卸载之后，钢卷传送装置200提高速度，尽快进行钢卷装载，完成循环。
以上为本发明较佳的具体实施方式，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，所述系统包括上位机、机器人本体、末端剪切装置、PLC控制柜、双目视觉装置、钢卷传送装置、触发感应装置和重力感应装置；本发明能实现钢卷绑带位置与数量的识别，完成自动拆捆；拆捆过程中，可实现绑带搭接处识别，避免直接剪切绑带搭接处，从而实现保证剪切质量、保护剪切装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，为标定简便与机器人定位的准确，须保证双目视觉装置相对于机器人本体在x轴、y轴、z轴的距离不变，同时保证钢卷整体在双目视觉系统视野范围内。
3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，上位机根据采集的图像信息进行预处理后生成点云信息，并通过下式计算出绑带位置：
其中，表示绑带在世界坐标系下的坐标，R、T分别为外参矩阵的3x3旋转矩阵和3x1平移矩阵，/>、/>分别为图像的中心坐标，/>、/>分别为图像坐标系下任意坐标点，/>表示相机坐标的Z轴值，即目标到相机的距离；上位机通过双目视觉系统采集的图像信息计算出绑带的深度信息后，通过以下方式对绑带厚度进行计算：
其中，表示阈值，/>表示绑带厚度，/>表示绑带最高点的深度信息，/>表示钢卷最高点的深度信息，当绑带厚度超过阈值时，表示此处为绑带搭接处，不适合剪切，需进一步进行处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，当上位机检测到绑带搭接处时，通过PLC无线通信模块与钢卷传送装置建立连接，发送指令控制钢卷传送装置辊子转动一定角度，使绑带搭接处转离最高点。
5.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，双目视觉检测绑带位置和深度工序与调整钢卷角度工序均对传送装置进行不停机处理，大大缩短了工序时间，可大大提高生产效率，实现产线自动化，提高智能制造水平。
6.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，上位机经图像处理与坐标转换后，计算出绑带在机器人坐标系下的三维坐标，上位机发送指令控制机器人调整位姿，使末端剪切装置进行剪切动作。
7.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，重力感应装置分别安装于机械臂拆捆工序前后的固定轨道上，用于监测钢卷传送装置的位置与是否装载的状态，若已完成钢卷卸载，钢卷传送装置会提高其速度，若已完成钢卷装载，钢卷传送装置会降低其传送速度；前后工序紧密相连，自动化程度高，生产效率高。
8.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的钢卷智能拆捆系统，其特征在于，钢卷传送装置由高精度伺服电机驱动，齿轮齿条传动，可实现钢卷传送装置在装载、拆捆、卸载时的准确定位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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