积分器更新:机器人控制双吞吐量

Concept Systems解决了咖啡烘焙机的进料问题，通过新的机器人控制，3D视觉和特定应用效应器，使产量翻了一番。

通过迈克尔·格尼 2011年6月27日

瓶颈可能出现在制造过程的每个阶段，限制生产力并导致增加生产成本的问题。精明的生产经理知道，无论什么工艺，无论当前的生产速度如何，总有一个最薄弱的环节可以改进，以增加工厂对公司底线的贡献。在这方面，处理原料进料的设备与进行加工的机械一样重要。一种先进的视觉引导机器人进料系统，与其他方法相比，可以提高一倍的产量。例如，3D视觉系统已经帮助一家大型咖啡烘焙厂将绿豆进料率提高了100%，同时消除了安全和材料浪费问题，这一问题导致该公司每年损失10万磅咖啡豆。

咖啡烘焙机的机器人出了问题，机器人的工作是卸下装着生咖啡豆的150磅粗麻袋的托盘，然后把袋子一个一个地放在传送带上，最终送到烘焙机。机械臂末端的夹手笨拙地夹住袋子，导致袋子撕裂，咖啡豆喷溅在卸货区的地板上。机器人移动缓慢，依靠“感觉”和记忆，试图找到下一个要移动的袋子。由于该工厂每年要处理65万袋咖啡豆，机器人的失误导致的咖啡豆丢失和生产率下降的损失正在增加。地上的散豆引起了安全问题。考虑到这些因素，工厂经理决定升级豆袋处理系统，并获得了具有先进自动化系统专业知识的系统集成商的帮助，包括由机器视觉系统引导的智能机器人工作单元。所使用的控制系统将先进的3D视觉系统与基于高端pc的软件相结合，以构建进料机器人运行环境的3D模型。

对于咖啡烘焙机应用，该系统使用激光三角测量获得的距离测量，对每一托盘豆袋进行建模，每次一托盘。每托盘装20袋，共4层，每层5袋。为托盘上的每一层袋子建立一个新的计算机模型。然后，该模型通过一种先进的算法来识别袋子的独特特征，并确定每个袋子在该层中的精确位置和方向。然后使用位置和方向将机器人分派到每个包中进行取包。

两台摄像机，两台激光器

许多激光测距系统只使用一台激光器和摄像机。这一实现采用了两个摄像机和两个激光，建立了一个高度精确的视觉模型来优化机器人的运动。所使用的方法，称为激光三角测量，是一种高度精确的距离测量技术，当被扫描的表面基本上垂直于摄像机。

虽然市场上有多种激光三角测量系统，但很少允许定制三角形形状。大多数要求相机从焦点的相反方向(等腰三角形)对被摄对象的角度相同。通过研究馈给机器人通常处理的问题类型，相关工程师了解到，激光和摄像机的不同定位和角度可以提供更好的待处理材料表面轮廓模型，并将这种能力构建到3D视觉系统中。

对于咖啡豆烘焙机，摄像头位于托盘上方约7英尺处，并从不同角度指向托盘，提供53英寸的距离。-宽视场(+/- 30或40度)。这使得托盘的整个顶部表面，其最大尺寸为48平方英尺。在。，将被映射。

为了满足应用程序的精度要求，Concept Systems选择了一种每秒可以产生30,000个样本的工业摄像机，尽管对于这个特定的应用程序，每秒只采集690个样本。

激光三角测量，图像组装

当激光束扫描咖啡袋托盘时，当激光束经过咖啡袋表面轮廓时，在摄像机的视野中上下移动，摄像机与激光同步移动。如果光束描述的直线上的一点在相机的视场中向上移动，相对于扫描平面时光束的位置，这意味着被扫描表面上的点越来越接近相机。对于向下移动的激光点来说，情况正好相反。通过注意激光线出现在摄像机视野中的位置，将点转换为XYZ坐标并将其输入到3D模型中，可以构造托盘上顶部袋子的表面轮廓。

然而，使用两台摄像机对处理视频图像造成了挑战。从不同角度拍摄的两个相机图像需要“缝合”在一起，以提供咖啡袋和托盘的连续图像。但是每个镜头的边缘都有一些抛物线畸变，而且每个相机的视角都不一样。该系统软件的很大一部分用于处理扭曲的图像，以消除扭曲并将它们组合在一起。

另一个设计挑战是视野中的金属物体眩光，这可能会扭曲图像。引起眩光的原因有很多，但最常见的是由托盘钉子的激光反射引起的。放置在相机上的偏振光滤光片减弱了眩光的效果。滤光片在有效减少眩光的同时，也使激光变暗。

激光器是100兆瓦的单元，发射680纳米范围内的光。如果只是用肉眼短暂地观察，3a级激光通常不会造成伤害。虽然光束对人类是可见的，但更多的能量是在光谱的近红外部分传递的。(在可见光范围内，100兆瓦的激光和40兆瓦的激光差不多轻。)

系统集成商开发了一个3D建模程序，通过查看袋子的轮廓来确定咖啡豆袋在托盘上的方向。精度是必需的，因为袋子可能在托盘的每一层定向略有不同。以前的机器人控制在这方面有问题。

为了确定包上的最佳提货点，软件进入3D模型，将包的图像在南北和东西两个维度上分成两半，然后到达目标点。由于相机图像是在机器人坐标下校准的，机器人可以直接走到这个点，开始捡起袋子。随着每一层袋子被移除，托盘上的下一层袋子的3D模型被更新。当出现一个新的托盘或部分托盘上的全层袋子时，软件将机器人手臂引导到最高的袋子。当摄像头没有看到更多的袋子时，托盘一定是空的。PLC发出信号，弹出托盘并引入一个新的托盘。

更好地把握

每个加工进料系统在机器人获取和保持被移动的原材料的方法上是不同的，3D视觉系统可以定制，以与不同的机器人机构一起工作。

对于咖啡豆烘焙机的应用，系统集成商使用当地的工程公司设计了一个新的末端执行器(机械臂的“业务端”)。之前的系统使用了一对钳子状的夹持器，在袋子上只有两个接触点，但新的末端执行器提供了16个接触点。它刺穿袋子，用气动操作的尖刺刺穿袋子，然后向外旋转。当坚硬的尖刺穿透袋子时，它们会把粗麻线推开，而不会撕裂它们。选择气动是因为它是一种高度可靠的电源，使停机时间降至最低。气动软管具有坚硬的外表面，以避免磨损，并在必要时快速更换。

成本的理由

为这个系统买单的是:

1.从消除地板上的散豆提高安全性

2.减少了与清理泄漏相关的停机时间

3.减少豆子损失。

咖啡公司项目经理格伦·劳森表示:“更快的包处理速度是额外的奖励。以每分钟6袋的速度，是我们以前处理能力的两倍，我们实际上可以比工厂处理咖啡豆的速度更快地卸载咖啡豆。”

现在，进料瓶颈已经消除，咖啡烘焙工厂的经理可以转移到下一个领域以提高生产率。

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材料进料应用技术专长