一种机器视觉引导机器人跟踪的注油系统的制作方法

1.本发明涉及润滑装置技术领域，具体涉及一种机器视觉引导机器人跟踪的注油系统。


背景技术：

2.烧结机台车是烧结生产作业中的必备设备，在烧结作业中，烧结机台车车轮的轴承经受着高温、重载、冲击振动、粉尘和水冲淋等恶劣工况，因而，烧结机台车车轮需要频繁补充润滑油，以保证其能正常运行。
3.目前使用的烧结台车车轮数量多，人工加油操作劳动繁重。目前的润滑方式为三人分工：取下密封螺钉、使用油嘴注油以及拧紧密封螺钉，操作步骤多且烧结机台车在线人工加油操作难度大，存在安全隐患，且注油量无法保证均匀、充足。因此，提出一种机器视觉引导机器人跟踪的注油系统。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前人工注油存在的效率低、强度大、注油量无法保证等问题，提供了一种机器视觉引导机器人跟踪的注油系统，可完全取代传统的人工注油方式。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括注油模块、视觉识别模块、测速模块；所述注油模块包括多轴机器人、注油单元、控制单元(ms一体机)，所述注油单元与所述多轴机器人连接，所述多轴机器人所述注油单元运动，所述视觉识别模块包括相机，所述相机持续对烧结机台车的车轮是否需要注油进行识别；所述测速模块包括相连的编码器与编码器轮，所述编码器通过烧结机台车带动所述编码器轮旋转获取速度信息，所述多轴机器人、所述注油单元、所述相机、所述编码器均与所述控制单元通信连接。
6.更进一步地，所述机器视觉引导机器人跟踪的注油系统还包括基础架单元，所述基础架单元为安装架，所述注油模块、视觉识别模块、测速模块均设置在所述安装架上。
7.更进一步地，所述视觉识别模块还包括相机框，所述相机通过所述相机框与所述安装架连接。
8.更进一步地，所述注油单元包括注油头、油泵，所述注油头设置在所述多轴机器人的末端，所述注油头与所述油泵连通。
9.更进一步地，所述注油头、所述相机沿烧结机台车前进方向依次设置，所述注油头在前，所述相机在后。
10.更进一步地，所述注油单元还包括固定块，所述注油头通过所述固定块与所述多轴机器人的末端连接。
11.更进一步地，所述测速模块还包括气缸、安装板、编码器安装座，所述气缸通过所述安装板与所述安装架连接，所述编码器、编码器轮均与编码器安装座连接，所述编码器安装座与所述编码器、编码器轮之间的转轴之间设置有拉力弹簧，工作状态下所述编码器轮
通过所述拉力弹簧与烧结机台车侧平面紧贴在一起。
12.更进一步地，所述控制单元包括伺服驱动器、控制器，所述伺服驱动器与所述多轴机器人通信连接，所述注油单元、所述相机、所述编码器均与所述控制器通信连接。
13.更进一步地，所述视觉识别模块对车轮注油孔的目标定位过程包括以下步骤：
14.s1：对烧结机台车车轮图像进行预处理；
15.s2：对注油孔进行识别与定位；
16.s3：进行图像标定及坐标转换。
17.更进一步地，在所述步骤s3中，图像标定及坐标转换的具体过程为：世界坐标系与相机坐标系可以通过旋转和平移这两种转换方式实现重合，本发明选用的scara机器人(多轴机器人)以及相机都安装在同一安装架上，两者之间的安装高度不同，安装的平面相互平行；由于相机和机器人都是固定在安装架上，因此，相机和机器人的相对位置不变，所以都为定值；烧结机台车的车轮与镜头之间的距离不变，也为定值；要得到机器人世界坐标与像素坐标转换，可以通过一个空间向量的参数确定，即通过标定三个点的始末两组坐标得到空间向量的三个参数；
18.其中标定步骤如下：
19.步骤1：将标定杆安装在机器人末端法兰上，保证锥状工件(标定杆)的中心即为机器人法兰中心；
20.步骤2：将实心圆点标定纸均匀的贴在标定板上，实心圆点标定纸如图1所示；
21.步骤3：调整相机的参数，使捕捉到的图像清晰；
22.步骤4：点击ms一体机上程序的学习模版模块，记录3个非共线实心圆点中心的像素坐标，即图1中11、12、13点的坐标；
23.步骤5：操作scara机器人示教器，依次使标定杆末端针尖对准步骤4中图1中11、12、13点的圆点中心，并分别记录各点位的世界坐标。
24.本发明相比现有技术具有以下优点：该机器视觉引导机器人跟踪的注油系统，可完全取代传统的人工注油方式，很好地解决了目前人工注油存在的效率低、强度大、注油量无法保证等问题；并且采用间歇性测速方式，不会受到各个车节之间平面误差的影响，同时也减少了测速模块的磨损，增长了整个注油系统的使用寿命；每个车轮的注油过程相互独立，同时注油工作也不会受到车轮位置误差的影响，值得被推广使用。
附图说明
25.图1为实心圆点标定纸示意图；
26.图2是本发明实施例二中注油系统的整体结构示意图；
27.图3是本发明实施例二中注油系统的侧视结构示意图；
28.图4是本发明实施例二中测速模块的结构示意图。
29.图2～4中：1、注油头；2、注油头固定块；3、scara机器人；4、安装架；5、油泵；6、遮挡板；7、相机框；8、相机；9、气缸安装板；10、气缸固定板；11、气缸；12、气缸活塞；13、编码器安装座；14、拉力弹簧；15、编码器；16、编码器轮；17、车轮；18、烧结机台车。
具体实施方式
30.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.实施例一
32.本实施例提供一种技术方案：一种机器视觉引导机器人跟踪的注油系统，包括视觉识别模块、测速模块、scara机器人。注油工作由scara机器人携带注油头并通过视觉识别模块和测速模块的引导完成。scara机器人还包括配套的ms一体机(台达驱动控制一体机)，ms一体机将控制模块、驱动模块通过总线联合在一起，系统运算能力强，实时性良好，可以快速准确的处理位置指令，同时系统内部嵌入软plc可以进行简单的伺服控制，以及与周围视觉通过串口通讯或以太网通讯，实行数据交换。
33.在本实施例中，该ms一体机是将控制器以及4轴伺服驱动器整合于一身的工业机器人控制器，将注油、识别、测速等功能都整合在同一个控制核心中。
34.在本实施例中，scara机器人上设置有注油单元，注油单元主要包括注油头、油泵等组件，用于在scara机器人的驱动下完成向注油孔注油的工作。
35.在本实施例中，所述视觉识别模块包括相机以及相机框，相机会持续对烧结机台车的车轮进行识别，每识别到待注油车轮后将此车轮的位置信息发送至scara机器人的ms一体机中。因此，相对于传统的加油机构，每个车轮的注油过程相互独立，同时注油工作也不会受到车轮位置误差的影响。
36.本实施例中对车轮注油孔的视觉目标定位方法主要包括以下步骤：1、烧结机台车车轮图像的预处理；2、注油孔的识别与定位；3、图像标定及坐标转换。
37.机器视觉中图像的预处理是视觉系统中不可缺少的环节，即使在图像的采集过程中使用最好的硬件设施，也会有噪声的形成，这些噪声会对图像的处理和识别等方面造成影响。所述烧结机台车车轮图像的预处理包括以下内容：
38.1.1、图像滤波
39.在使用摄像头对图像采集和传输过程中，发热、发光等很多因素使得图像含有各种各样的噪声，降低了图像的质量，且干扰严重的情况下会导致图像无法识别。因此，需要给带有噪声的图像进行滤波处理。其中中值滤波法不仅可以消除噪声，也能够确保目标边缘信息，本发明需要进行圆孔(注油孔)检测，对边缘信息要求较高，因此选择中值滤波。
40.1.2、图像的二值化
41.二值化的目的是在一幅灰度图像中，把特征物从背景中提取出来。在本发明中为减少后续处理图像的数据量和提高识别烧结机机轮注油孔的时效性，需要对目标图像进行二值化处理。根据直方图特征对图像二值化进行分类，其中，固定阈值法由人工制定的一个阈值对背景与目标进行有效划分，该方法操作性较强，能够根据现场环境进行手动调整，从而确保自身可以适应当前场合。由于烧结机轮注油孔与周边色差较显著，且目标与背景之比较小，因此本发明选择固定阈值的二值化处理。
42.所述烧结机台车车轮注油孔的识别与定位包括以下内容：
43.2.1、图像的边缘检测
44.在边缘的处理上canny算子的效果较其它方法更好，因此，本发明选用canny算子
进行边缘检测。
45.使用canny算法进行边缘检测的步骤如下：
46.1)梯度幅值和方向的计算，分别得到边缘的强度、边缘的方向角；
47.2)非极大值抑制，进行非极大值抑制就是在局部梯度范围将梯度方向求得的梯度幅值最大值点保留下来，否则，将梯度幅值用0替代，从而达到非边缘点剔除的目的；
48.3)高低阈值检测及图像边缘连接，选择合理的高阈值和低阈值对上面处理的图片进行边缘检测和连接。
49.2.2、hough变换圆检测
50.对于机器人注油系统，需要通过视觉对烧结机轮注油孔进行识别，并将注油孔的坐标通过转换为机器人末端坐标发给scara机器人的ms一体机中。注油孔的外部形状近似为圆形，因此，本发明选用hough变换方法对圆孔进行检测，其原理是将经过边缘处理的图像的像素点转换为空间的圆锥面中点的峰值。
51.原始点图像中，在边缘像素任一坐标像素点，将其映射到hough空间中，平面中交于一条圆弧的多点，通过映射关系得到了各个点的空间圆弧相交于一点。它通过设置累加器对参数进行累积，初始化累加器为0，对图像空间的每一点，在其所满足参数方程对应的累加器上加1，其峰值对应的点就是所需要的信息。
52.所述图像标定及坐标转换包括以下内容：
53.相机和scara机器人都是固定在机器人安装架上，因此，相机和scara机器人的相对位置不变，均为定值。烧结机台车、视觉识别模块和scara机器人位置关系的标定可以得出烧结机台车坐标系与世界坐标系的变换矩阵。具体的操作为：首先将车轮停在机器人可以到达的范围内，操作机器人末端到车轮注油孔，记录第一坐标位置，再开启烧结机台车运行一段距离，停止运行烧结机台车，保证机器人的末端可以到达，同样操作末端到达车轮注油孔，记录第二坐标位置，烧结机台车坐标系与世界坐标系的变换矩阵即可求得。通过变换矩阵和参数调节将静态视觉中通过对采集到的图片进行预处理、算法识别后，最后得到的位置信息传送给控制系统(ms一体机)实现机器人跟踪注油。
54.所述测速模块包括安装板、气缸、编码器、编码器轮等，其中编码器通过烧结机台车带动编码器轮旋转进而将获取的速度信息发送至scara机器人的ms一体机中。气缸、编码器和编码器轮由安装板固定在靠近烧结机台车外壁，当相机识别到待注油孔时(识别到注油孔即表示当前车轮需要注油，scara机器人将注油头伸进注油孔里开始注油)，控制气缸的电磁阀作用，将编码器以及编码器轮伸出，使烧结机台车带动编码器轮。注油工作结束后气缸收回，等待下一次注油。因此，相对于传统测速，本发明中的间歇性测速不会受到各个车节之间平面误差的影响，同时也减少了测速模块的磨损，增长了整个注油系统的使用寿命。
55.实施例二
56.如图2～4所示，本实施例中的注油系统包括scara机器人、视觉识别模块、测速模块；
57.scara机器人3固定在安装架4的横梁上；scara机器人3末端设置有注油头固定块2；注油头固定块2前端安装了注油头1；注油头1由黄油管通过注油头固定块2连接油泵5。
58.视觉识别模块包括相机8等；相机8通过相机框7固定在安装架4左侧；相机框7的
上、下、左、后侧设置有遮挡板6。
59.测速模块包括气缸安装板9等；气缸安装板9安装在安装架4横梁最左端，其最前端设置有气缸11；编码器安装座13安装在气缸11的活塞杆末端；编码器轮16固定在编码器安装座13上，编码器轮16工作状态下与烧结机台车18紧贴在一起。
60.工作原理：将本系统设置在烧结机台车18车轮17的运行轨道的一侧，使得安装架4的横梁与烧结机台车18的运行轨道平行；当烧结机台车18运行时，车轮17在对应的导轨上移动；同时通过ms一体机控制scara机器人上的注油设备(即注油单元)启动，控制气缸11的电磁阀打开，并将测速模块伸出，使编码器轮16依靠拉力弹簧14的拉力紧贴烧结机台车18的侧平面并获取烧结机台车18的移动速度；车轮17通过视觉识别模块时，相机8的摄像头通过拍照识别并获取注油孔的像素坐标，同时通过scara机器人3的ms一体机将像素坐标转换为实际坐标(世界坐标)；延迟一定时间后车轮17到达注油头1(即scara机器人3初始位置)前方，注油头1通过scara机器人3快速移动到获取的坐标点并将注油头1伸进车轮17上注油口，以测速模块获取的速度保持直线跟踪；当注油头1伸进注油口短暂延时后，scara机器人3的ms一体机控制油泵5的继电器线圈作用使油泵5开始泵油，一定时间后停止泵油并经过短暂延时收回注油头1，随后scara机器人3回到初始位置。待下一个待加油车轮17运动到位，以此往复，最终实现所有车轮17的自动加油润滑。
61.在本实施例中，将注油孔的像素坐标转换到世界坐标的过程主要包括以下两步：
62.第一步，将像素坐标变换到相机坐标系；
63.第二步，从相机坐标系变换到世界坐标系。
64.相机拍照是小孔成像的过程，其中涉及了4个坐标系：
65.世界坐标系：其坐标原点可视情况而定，可以表示空间的物体；
66.相机坐标系：以摄像机光心为原点(在针孔模型中也就是针孔为中心)，z轴与光轴重合，也就是z轴指向相机的前方(与成像平面垂直)，x轴与y轴的正方向与世界坐标系平行，单位为长度单位；
67.图像物理坐标系(也叫成像平面坐标系)：用物理长度单位表示像素的位置，坐标原点为摄像机光轴与图像物理坐标系的交点位置；
68.像素坐标系：坐标原点在左上角，以像素为单位，有明显的范围限制，即用于表示全画面的像素长和像素长宽；
69.要求得像素坐标系中某像素点对应在世界坐标系中的位置，需要知道相机的内参、外参，相机的内参可以通过标定获得，外参可以人为设定。
70.综上所述，上述实施例的机器视觉引导机器人跟踪的注油系统，可完全取代传统的人工注油方式，很好地解决了目前人工注油存在的效率低、强度大、注油量无法保证等问题；并且采用间歇性测速方式，不会受到各个车节之间平面误差的影响，同时也减少了测速模块的磨损，增长了整个注油系统的使用寿命；每个车轮的注油过程相互独立，同时注油工作也不会受到车轮位置误差的影响，值得被推广使用。
71.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。