一种电动牙刷外壳与按钮自动对准组装系统的制作方法

1.本发明属于智能机械自动化领域，尤其涉及一种电动牙刷外壳与按钮自动对准组装系统。


背景技术：

2.目前，电动牙刷的外壳与按钮的组装主要依靠人工进行，由于按钮尺寸较小，对准用的凸起结构位于按钮背面，组装时不易观察，人工组装时要同时依靠视觉和力觉两种感知方法，对组装工人的技术要求高，造成目前组装效率低且组装质量不稳定的问题。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种电动牙刷外壳与按钮自动对准组装系统。
4.本发明是这样实现的，一种电动牙刷外壳与按钮自动对准组装系统，该系统包括外壳振动料盘、外壳机械手、外壳视觉模块、外壳周向转动模块、周向定位视觉模块、按钮振动料盘、按钮机械手、按钮视觉模块、图像处理控制器；其中，所述外壳视觉模块获取外壳振动料盘中的外壳堆放图像，所述图像处理控制器对所述外壳堆放图像处理并生成指令控制外壳机械手抓取目标外壳至外壳周向转动模块上；
5.所述周向定位视觉模块获取外壳周向转动模块上的外壳位姿图像，所述图像处理控制器对外壳位姿图像处理并生成指令控制外壳周向转动模块转动使外壳呈预设位姿；
6.所述按钮视觉模块获取按钮振动料盘中的按钮堆放图像，所述图像处理控制器对所述按钮堆放图像处理并生成指令控制按钮机械手抓取按钮并安装在处于预设位姿的外壳上。
7.优选地，所述图像处理控制器包括图像处理器和运动控制器，所述图像处理器用于对外壳堆放图像、外壳位姿图像以及按钮堆放图像进行处理并生成指令，所述运动控制器根据所述指令控制相应的外壳机械手、外壳周向转动模块以及按钮机械手工作。
8.优选地，所述外壳视觉模块包括安装在外壳振动料盘上方的工业相机、外壳振动料盘下方以形成背光的光源；
9.所述周向定位视觉模块包括安装在外壳周向转动模块上方的工业相机以及线激光器；
10.所述按钮视觉模块包括安装在按钮振动料盘上方的工业相机，以及安装于工业相机与按钮之间以显示按钮背面凸起的边缘的低角度光源。
11.优选地，所述外壳堆放图像的处理包括：
12.外壳识别：对外壳堆放图像采用yolo算法进行外壳的目标检测，在判断外壳振动料盘锚框与其它外壳的锚框不重叠或重叠较少时，确定该外壳为可吸取的外壳；
13.外壳定位：取出锚框内的外壳，采用均值漂移法分割外壳，根据分割后的外壳两侧平行边缘线计算外壳的方向角度，以锚框的中心点作为外壳中心点。
14.优选地，所述外壳识别中，在判断外壳振动料盘锚框与其它外壳的锚框重叠超过阈值时，生成指令控制外壳振动料盘振荡。
15.优选地，所述按钮堆放图像的处理过程为：
16.按钮识别：采用yolo算法进行目标检测，检测出正面朝上、背面定位面朝下的按钮，当某个按钮的锚框与其它按钮的锚框没有重叠时确定为可吸取的按钮；
17.按钮定位：将锚框中的图像取出，采用均值漂移法分割按钮，通过最小二乘法或ransac算法拟合非圆形按钮的边缘曲线或圆形按钮的边缘曲线，计算非圆形或圆形的中心作为按钮的吸取点；
18.所述按钮方向调整：调节低角度光源，在图像中显示出按钮背面定位凸起的直线边缘，采用阈值法分割出直线，采用最小二乘法拟合直线并计算直线的方向角度。
19.优选地，在所述按钮识别中，在判断外壳振动料盘锚框与其它外壳的锚框重叠超过阈值时，生成指令控制按钮振动料盘振荡。
20.优选地，所述外壳位姿图像的处理过程为：提取线激光器在外壳上投射的激光线条纹图像的中心线，当激光线投射在按钮槽上时，由于按钮槽内凹，槽内的激光线与槽外的激光线不等高，从图像中提取的条纹中心线分为三段中心线，中间段的中心线即为槽内中心线，当槽内中心线最长时，则外壳上的按钮槽正面向上。
21.优选地，所述外壳周向转动模块包括转动电机、锥面定位头、滚动支架、伸缩气缸，其中，伸缩气缸与转动电机、锥面定位头的轴线同轴；当外壳机械手将外壳放置于外壳周向转动模块上时，所述图像处理控制器对外壳位姿图像处理并生成指令控制伸缩气缸伸出夹紧外壳，驱动转动电机转动以调整外壳的周向角度。
22.相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明对电动牙刷的外壳与按钮的组装全程自动化，精度高，准确率高、速度快，质量稳定。
附图说明
23.图1是本发明系统的整体结构示意图；
24.图2是图1在仰视角度下的结构示意图；
25.图3是本发明系统中外壳机械手的结构示意图；
26.图4是本发明系统中外壳周向转动模块的结构示意图；
27.图5是本发明系统中图像处理控制器与其他模块的电路信号连接示意图；
28.图6是本发明系统的运行流程示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.本发明实施例公开了一种电动牙刷外壳与按钮自动对准组装系统，如图1～4示，该系统包括外壳振动料盘1、外壳机械手2、外壳视觉模块3、外壳周向转动模块4、周向定位视觉模块9、按钮振动料盘5、按钮机械手6、按钮视觉模块7、图像处理控制器8；其中，所述外壳视觉模块获取外壳振动料盘中的外壳堆放图像，所述图像处理控制器对所述外壳堆放图
像处理并生成指令控制外壳机械手抓取目标外壳至外壳周向转动模块上；
31.所述周向定位视觉模块获取外壳周向转动模块上的外壳位姿图像，所述图像处理控制器对外壳位姿图像处理并生成指令控制外壳周向转动模块转动使外壳呈预设位姿；
32.所述按钮视觉模块获取按钮振动料盘中的按钮堆放图像，所述图像处理控制器对所述按钮堆放图像处理并生成指令控制按钮机械手抓取按钮并安装在处于预设位姿的外壳上。
33.在本发明实施例中，外壳机械手2用于搬运外壳，采用直角坐标构型，具有xyz三个方向的平移自由度和绕z轴的转动自由度，平移自由度采用丝杠传动或同步带传动的结构，用于外壳的平移，转动自由度用于调整外壳的方向。所述外壳机械手2末端安装双吸盘，用于吸取外壳。
34.外壳视觉模块3用于外壳振动料盘1上外壳的位置与方向检测，外壳视觉模块3包括工业相机3-1和光源(图中省略视图)，工业相机3-1安装于外壳振动料盘1的上方，光源位于外壳振动料盘1的下方，形成背光源。
35.外壳周向转动模块4用于外壳的周向定位，使得外壳上的按钮槽向上，包括转动电机4-1、锥面定位头4-2、滚动支架4-3、伸缩气缸4-4，其中，伸缩气缸4-4与转动电机4-1、锥面定位头4-2的轴线同轴，当外壳机械手2将外壳放置于外壳周向转动模块4上时，所述图像处理控制器对外壳位姿图像处理并生成指令控制伸缩气缸4-4伸出夹紧外壳，驱动转动电机4-1转动以调整外壳的周向角度
36.周向定位视觉模块9，用于外壳在外壳周向转动模块4上的周向角度检测，包括工业相机9-1、线激光器9-2，安装于外壳周向转动模块4的上方，线激光器9-2发射的线激光平面为垂直面，且与外壳周向转动模块4的轴线同面。
37.按钮机械手6用于搬运按钮，采用直角坐标构型，具有xyz三个方向的平移自由度和绕z轴的转动自由度，平移自由度采用丝杠传动或同步带传动的结构，用于按钮的平移，转动自由度用于调整按钮的方向，使得按钮的方向与外壳的方向一致，所述按钮机械手6末端安装有单吸盘。本发明实施例所涉及机械手中，xyz三轴线性运动装置来源于东莞市东骏达自动化科技有限责任公司的龙门式机械手臂线性模组(http://www.djdkeji.com/cases/showcases-70.html)。
38.按钮视觉模块7包括振动料盘视觉子模块7-1和方向定位视觉子模块7-2，分别用于按钮振动料盘5上按钮的位置检测和按钮的方向检测，其中：振动料盘视觉子模块7-1包括工业相机7-1-1、光源(图中省略视图)，工业相机7-1-1安装在振动料盘5的上方，光源安装在振动料盘5盘面的下方，形成背光；方向定位视觉子模块7-2包括工业相机7-2-1和低角度光源7-2-2，工业相机7-2-1安装于按钮下方，镜头向上，低角度光源7-2-2安装于工业相机7-2-1与按钮之间，用于显示按钮背面凸起的边缘。
39.在本发明实施例中，图像处理控制器8包括图像处理器8-1和运动控制器8-2，所有工业相机采集的图像均传输至图像处理器8-1进行图像处理，所有电机及吸盘均由运动控制器8-2控制。从结构上来说，如图5示，图像处理器8-1与外壳视觉模块3、周向定位视觉模块9、按钮视觉模块7信号连接，用于对各视觉模块工业相机所获取的图像进行处理，处理后的信息生成指令给运动控制器8-2，运动控制器8-2与外壳机械手2、外壳周向转动模块4、按钮机械手6以及外壳振动料盘1和按钮振动料盘5中的振荡电机信号连接。
40.所述图像处理器8-1内运行如下图像处理算法：料盘外壳识别定位算法、外壳周向定位算法、振动料盘按钮识别定位算法、按钮方向计算算法。
41.所述料盘外壳识别定位算法为：采用yolo算法(参考文献：严晨旭，邵海见，邓星，基于yolov3模型的高阶目标检测方法，山东大学学报，2022,57(03)：20-30.)进行外壳的目标检测，当某个外壳的锚框与其它外壳的锚框不重叠或重叠较少时，确定该外壳为可吸取的外壳，取出锚框内的外壳，采用均值漂移法(参考文献：王更，王光辉，杨化超，融合颜色-纹理模型的均值漂移分割算法，测绘科学，2015，40(08)：109-112)分割外壳，根据分割后的外壳两侧平行边缘线计算外壳的方向角度，以锚框的中心点作为外壳中心点。
42.所述外壳周向定位算法为：线激光器在外壳上投射激光线，工业相机采集激光线条纹图像，提取条纹中心线，当激光线投射在按钮槽上时，由于按钮槽内凹，槽内的激光线与槽外的激光线不等高，从图像中提取的条纹中心线分为三段中心线，中间段的中心线即为槽内中心线，当槽内中心线最长时，则外壳上的按钮槽正面向上。
43.所述振动料盘按钮识别定位算法为：采用yolo算法进行目标检测，检测出正面朝上、定位面(背面)朝下的按钮，当某个按钮的锚框与其它按钮的锚框没有重叠时确定为可吸取的按钮，将锚框中的图像取出，采用均值漂移法分割按钮，通过最小二乘法或ransac算法(封顶浩，张曦，张旭，褚尉卿，基于ransac的空间圆拟合算法及其在机械手运动检测中的应用，光学技术.2016,42(02)：156-160)拟合非圆形按钮的边缘曲线或圆形按钮的边缘曲线，计算非圆形或圆形的中心作为按钮的吸取点。
44.所述按钮方向计算算法为：调节低角度光源，在图像中显示出按钮背面定位凸起的直线边缘，采用阈值法分割出直线，采用最小二乘法拟合直线并计算直线的方向角度。
45.在本发明实施例中，为使系统自动化程度更高，外壳振动料盘1、按钮振动料盘5均为带有振荡电机的料盘设置，在执行外壳机械手或按钮机械手的抓取操作前，当图像处理器8-1判断外壳振动料盘锚框与其它外壳的锚框重叠超过阈值时，生成指令控制外壳振动料盘振荡，以及判断按钮振动料盘锚框与其它按钮的锚框重叠超过阈值时，生成指令控制按钮振动料盘振荡。外壳振动料盘1、按钮振动料盘5振荡处理后，使物料均匀排放。
46.在本发明的实际应用过程中，如图6所示，本发明的运行流程为：
47.s1：系统启动后，外壳的外壳视觉模块3和按钮的振动料盘视觉子模块7-1分别获取外壳和按钮图像；
48.s2：图像传输至图像处理器8-1，分割外壳和按钮，计算外壳的中心位置、方向角度和按钮的中心；
49.s3：图像处理器8-1确定待抓取的外壳，规划外壳机械手2的运动轨迹；确定待抓取的按钮，规划按钮机械手6的运动轨迹，发送给运动控制器8-2；
50.s4：运动控制器8-2根据轨迹产生控制指令，控制外壳机械手2将外壳吸取放置于外壳周向转动模块4上，伸缩气缸4-4伸出夹紧外壳；控制按钮机械手6将按钮吸取移动至方向定位视觉子模块7-2；
51.s5：运动控制器8-2控制外壳周向转动模块4的电机4-1转动，同时周向定位视觉模块9采集线激光条纹图像，当条纹图像的中间段中心线长度达到最大值时停止运动；图像处理器8-1收到方向定位视觉子模块7-2采集的按钮背面图像，计算按钮的方向角度；
52.s6：运动控制器8-2控制按钮机械手6转动一个方向角度，移动至外壳按扭槽的正
上方，使得按钮背面的定位凸起与外壳按钮槽中的定位凹陷对准并下压，将按钮装入按钮槽中；
53.s7：按钮与外壳组装完毕后，伸缩气缸4-4缩回，外壳机械手2将外壳吸取下料，进入下一个循环。
54.本发明对电动牙刷的外壳与按钮的组装全程自动化，精度高，准确率高、速度快，质量稳定。
55.本发明对电动牙刷的外壳与按钮的组装全程自动化，精度高，准确率高、速度快，质量稳定。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。