專利名稱：高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化質(zhì)量檢測(cè)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上次品自動(dòng)分揀的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，在高速自動(dòng)化流水線上產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)中，如何將檢測(cè)出的次品從生產(chǎn)線上準(zhǔn)確、快速地分離，保證生產(chǎn)質(zhì)量，是一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的工作。目前在大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一直采用傳統(tǒng)的人工分揀處理方法。人工分揀的優(yōu)點(diǎn)在于靈活性高，工作人員稍加培訓(xùn)即可根據(jù)不同的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同產(chǎn)品的檢測(cè)。人工檢測(cè)的缺陷在于1)檢測(cè)速度慢、效率低，無法滿足高速自動(dòng)化流水生產(chǎn)線需要；2)檢測(cè)精度低，檢測(cè)質(zhì)量受人為因素影響，錯(cuò)檢、誤檢率較高，人工不斷地進(jìn)行著簡(jiǎn)單而重復(fù)性的工作，檢測(cè)人員的技術(shù)素質(zhì)和責(zé)任心均會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響；3)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境差，特別對(duì)于一些化學(xué)產(chǎn)品或者具有放射性的產(chǎn)品的檢測(cè)，會(huì)影響檢測(cè)者的身體健康；4)人力資源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本，無法滿足當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)代化管理要求。
傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法存在上述諸多缺陷，使自動(dòng)分揀方法及設(shè)備的研究和開發(fā)提上日程?？紤]到目前高速自動(dòng)化生產(chǎn)線的特性，相應(yīng)的自動(dòng)分揀設(shè)備必然要求1)高速度，高精度；2)要求分揀設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，無須對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線改造，直接即可投入使用；3)考慮到目前產(chǎn)品生產(chǎn)線上引入的自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在誤差，即存在一定的誤檢率，在所謂的次品中可能存在一定量的合格產(chǎn)品，有必要進(jìn)行二次檢測(cè)，所以對(duì)次品的分揀處理要求具有非破壞性，也符合環(huán)保要求；4)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本造價(jià)低，易于推廣使用。
現(xiàn)有的自動(dòng)分揀設(shè)備主要為次品直接擊出式分離設(shè)備，該類設(shè)備通常采用氣壓或者直接用機(jī)械作為動(dòng)力，通過擊出面與物品發(fā)生碰撞，將產(chǎn)品檢測(cè)生產(chǎn)線傳送帶上位于擊出面正前方的被傳送的物品從傳送帶上迅速、準(zhǔn)確、可靠地分離出來，送入另外的傳送線或特定的收集臺(tái)，或者直接擊碎處理。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擊出動(dòng)作平滑連貫，且機(jī)械磨損小，占用空間小，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了生產(chǎn)成本，改善了工人的工作條件，一定程度上提高了工業(yè)的自動(dòng)化管理水平。該類設(shè)備缺點(diǎn)在于擊出速度不是很快；安裝該設(shè)備，必須對(duì)現(xiàn)有傳送帶系統(tǒng)進(jìn)行二次改造，成本較高；直接擊出處理多為破壞性處理，容易擊碎次品，無法回收利用，且會(huì)造成環(huán)境污染。
通過上述分析可知，目前的次品分離方法和相關(guān)設(shè)備均存在不同程度上的缺陷，不能滿足當(dāng)前高速自動(dòng)化流水生產(chǎn)線上自動(dòng)次品分揀的需求，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)用和技術(shù)更新?lián)Q代。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，提供一種準(zhǔn)確性高、成本低廉、通用性強(qiáng)、可移植性好、不破碎次品、避免造成環(huán)境污染、可滿足多種高速流水生產(chǎn)線次品分揀需要的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法及設(shè)備。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。
本發(fā)明的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于它是在生產(chǎn)線次品分揀系統(tǒng)接收到次品分揀信號(hào)后，啟動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置，將與該3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置相連的機(jī)械手快速定位到次品的正上方，并與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶保持同速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手下降至預(yù)定高度位置，抓取次品，然后機(jī)械手提升次品至初始高度，并將次品釋放至指定位置，實(shí)現(xiàn)次品從產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶的自動(dòng)分揀處理，次品釋放后，通過3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置將機(jī)械手復(fù)位至初始位置，等待下一輪分揀抓取過程。
本發(fā)明可采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法，對(duì)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置進(jìn)行精密伺服運(yùn)動(dòng)控制；采用基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位；采用基于多傳感器信息的模糊推理方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取和釋放。
所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法包括如下過程(1)對(duì)模糊控制器的輸入變量誤差e，誤差變化率ec進(jìn)行模糊化處理a＝A∑(e)，b＝B∑(ec)i＝φ1(e)，j＝φ2(ec)其中A∑(e)和B∑(ec)分別為e，ec隸屬函數(shù)；φ1(e)和φ2(ec)為e，ec的分布函數(shù)；(2)進(jìn)行模糊推理k＝φ(i，j)＝<α*i+(1-α)*j>
其中α是加權(quán)因子，它反映了誤差和誤差變化率對(duì)輸出影響的程度；<>表示對(duì)其中的數(shù)值進(jìn)行取整；(3)計(jì)算模糊控制器的輸出β＝ab，u＝M(Ckβ)其中Ckβ表示Ck的β割集，M(Ckβ)表示Ckβ的中點(diǎn)；Ck表示輸出變量U的語言詞集；(4)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算控制規(guī)則加權(quán)因子的調(diào)整量ΔαΔα=y=Σiωi·exp{-[(e+ec)/2-ai]2bi2}]]>
其中ωi代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，ai、bi分別代表高斯基函數(shù)的分布系數(shù)和伸縮系數(shù)；(5)計(jì)算加權(quán)因子α(k+1)＝α(k)+Δα(k)；(6)采用基于變尺度優(yōu)化方法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)快速學(xué)習(xí)算法MDFP，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。
所述基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法包括以下幾個(gè)步驟(1)對(duì)次品圖像的采集和處理，包括次品圖像的實(shí)時(shí)采集、次品圖像的預(yù)處理、次品圖像特征檢測(cè)、次品圖像特征幾何中心位置計(jì)算；(2)計(jì)算次品圖像特征幾何中心位置的期望值和實(shí)際值的差值；(3)次品圖像特征幾何中心位置的期望值和實(shí)際值的差值對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制輸出量參數(shù)的映射表，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行離線學(xué)習(xí)；(4)基于卡爾曼濾波器模型，對(duì)擬進(jìn)行分揀的次品進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤控制，輸出控制指令到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器，控制3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位。
所述基于多傳感器信息的模糊推理方法，是通過對(duì)設(shè)置在機(jī)械手上的手指伺服電機(jī)的電機(jī)編碼器、壓力傳感器的反饋測(cè)量信息進(jìn)行模糊推理計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整組成機(jī)械手手爪的三個(gè)手指的手指伺服電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)次品的可靠高速抓取和釋放控制。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述方法所設(shè)計(jì)的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于它包括電氣控制部分和機(jī)械部分；所述機(jī)械部分包括3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和機(jī)械手；所述機(jī)械手包括機(jī)械手臂和機(jī)械手爪，所述機(jī)械手臂裝設(shè)于可驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿X、Y、Z方向作三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置上，機(jī)械手爪設(shè)于機(jī)械手臂下端，機(jī)械手爪的中心位置設(shè)置有攝像機(jī)，所述電氣控制部分分別與自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和機(jī)械手電連接。
所述機(jī)械手爪包括機(jī)械手爪控制箱和三個(gè)呈120度角分布的機(jī)械手手指，所述機(jī)械手爪控制箱包括箱體，箱體上連接有三件呈120度角分布的滑軌，所述滑軌的下端設(shè)有齒條，側(cè)面設(shè)有滑槽，每個(gè)機(jī)械手手指的上端設(shè)有一電機(jī)座，每個(gè)電機(jī)座上裝設(shè)有一帶電機(jī)編碼器的手指伺服電機(jī)，該手指伺服電機(jī)的輸出軸上裝設(shè)有一齒輪，齒輪與對(duì)應(yīng)的滑軌上所設(shè)齒條相嚙合，電機(jī)座的一側(cè)還設(shè)有與滑槽相對(duì)應(yīng)的滑塊，滑塊置于滑槽內(nèi)，兩者構(gòu)成一導(dǎo)軌副；所述位于機(jī)械手爪中心位置的攝像機(jī)固定于箱體上，手指內(nèi)側(cè)夾持面上設(shè)置有橡膠墊，夾持面與一個(gè)或多個(gè)橡膠墊之間設(shè)置有壓力傳感器。
所述3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置包括水平X方向自由度傳送部件、水平Y(jié)方向自由度傳送部件和垂直Z方向自由度傳送部件，所述水平X方向自由度傳送部件包括滑軌-X和控制滑軌-X運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-X，水平Y(jié)方向自由度傳送部件包括滑軌-Y和控制滑軌-Y運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Y，垂直Z方向自由度傳送部件包括滑軌-Z和控制滑軌-Z運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Z，所述水平Y(jié)方向自由度傳送部件安裝于滑軌-X上，所述垂直Z方向自由度傳送部件安裝于滑軌-Y上，所述機(jī)械手臂連接于滑軌-Z上。
所述電氣控制部分包括控制器和主控PC機(jī)，所述控制器由3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器、機(jī)械手視覺伺服定位控制器和機(jī)械手次品抓取和釋放控制器組成；主控PC機(jī)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與控制器連接；3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置通過RS-232總線相連，驅(qū)動(dòng)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置的電機(jī)-X、電機(jī)-Y和電機(jī)-Z運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手視覺伺服定位控制器直接與機(jī)械手上的攝像機(jī)相連，機(jī)械手次品抓取和釋放控制器通過RS-232總線與機(jī)械手相連，驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)的手指伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
所述設(shè)備還可設(shè)置次品傳送帶，所述次品傳送帶與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶并排設(shè)置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用機(jī)器視覺、智能控制、多傳感器融合檢測(cè)控制等技術(shù)，對(duì)高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品實(shí)現(xiàn)高速智能抓取分揀處理。其具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和機(jī)械手，按照預(yù)定動(dòng)作次序和要求，成功實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀。其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、易于控制、速度快、穩(wěn)定性高，可滿足多種高速流水生產(chǎn)線次品分揀需要。
2)本發(fā)明設(shè)備在次品分揀過程中沒有對(duì)次品進(jìn)行破壞性處理，可進(jìn)一步作二次檢測(cè)，將其中誤揀的合格品回收重新投入使用，節(jié)約了成本，并且避免造成環(huán)境污染。
3)本發(fā)明設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，無需對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模改造，只需在現(xiàn)有生產(chǎn)線加入本發(fā)明的自動(dòng)分揀設(shè)備，具體布局可以因生產(chǎn)線需要和現(xiàn)有布局特點(diǎn)，靈活方便的調(diào)整。并大大減少了技術(shù)推廣更新所需費(fèi)用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本造價(jià)低，易于推廣使用。
4)本發(fā)明設(shè)備的機(jī)械部分由3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和機(jī)械手組成，機(jī)械部分各部件相對(duì)獨(dú)立?？筛鶕?jù)具體生產(chǎn)線和產(chǎn)品的不同，靈活調(diào)整3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置尺寸參數(shù)和機(jī)械手形狀等參數(shù)，便于推廣應(yīng)用。
5)設(shè)備各控制器之間、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用RS232或者CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信控制，嚴(yán)格保證了通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。
6)設(shè)備的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用高性能精密電機(jī)，配合設(shè)備精密的機(jī)械設(shè)計(jì)和高效的控制算法，嚴(yán)格保證了次品分揀的準(zhǔn)確性和可靠性。
7)在本發(fā)明中，3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法。該算法采用實(shí)時(shí)模糊推理算法計(jì)算各電機(jī)實(shí)時(shí)輸出，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的誤差變化在線修正模糊控制規(guī)則?；谠撍惴ǖ乃欧刂破骶哂泻芎玫膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，又具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，可滿足多種條件下的控制需要。
8)在本發(fā)明中，基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位。利用攝像機(jī)獲取次品圖像，通過運(yùn)算處理獲取次品幾何特征位置與期望位置的差值，反復(fù)調(diào)整機(jī)械手的位置，直至滿足要求。采用圖像特征進(jìn)行定位處理，定位精度高，適用范圍廣。
9)在本發(fā)明中，基于多傳感器信息的模糊推理方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)次品的可靠抓取和釋放控制。該方法利用設(shè)置在機(jī)械手上的電機(jī)編碼器、壓力傳感器的反饋測(cè)量信息進(jìn)行模糊推理計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)械手爪的三個(gè)手指的手指伺服電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)次品的可靠高速抓取和釋放控制，具有定位精度高、抓取可靠穩(wěn)固、速度快等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明設(shè)備機(jī)械部分的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明設(shè)備機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意主視圖；圖4為本發(fā)明設(shè)備機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意俯視圖；圖5為本發(fā)明設(shè)備機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意左視圖；圖6為本發(fā)明機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意主視圖；圖7為圖6的A-A剖視放大圖；圖8為圖6的B-B剖視放大圖；圖9為本發(fā)明3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器的電氣控制結(jié)構(gòu)圖；圖10為本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法原理圖；圖11為本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法采用的雙輸入單輸出高斯基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GPFN)結(jié)構(gòu)圖；圖12為本發(fā)明機(jī)械手視覺伺服定位控制器電氣控制結(jié)構(gòu)圖；圖13為本發(fā)明視覺伺服定位控制器主控制器電路圖；圖14為本發(fā)明視覺伺服定位控制器視頻解碼電路圖；圖15為本發(fā)明視覺伺服定位控制器幀存儲(chǔ)器電路圖；圖16為本發(fā)明視覺伺服定位控制器外部存儲(chǔ)器EEPROM電路圖；圖17為本發(fā)明基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法原理圖；圖18為本發(fā)明機(jī)械手次品抓取和釋放控制器的電氣控制結(jié)構(gòu)圖；圖19為本發(fā)明基于多傳感器信息的模糊推理方法原理圖；
圖20為本發(fā)明作業(yè)流程圖；圖21為本發(fā)明設(shè)備機(jī)械部分為兩套時(shí)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置 11、水平X方向自由度傳送部件111、滑軌-X112、電機(jī)-X12、水平Y(jié)方向自由度傳送部件121、滑軌-Y122、電機(jī)-Y13、垂直Z方向自由度傳送部件131、滑軌-Z132、電機(jī)-Z2、機(jī)械手 21、機(jī)械手臂22、攝像機(jī) 23、機(jī)械手爪231、機(jī)械手爪控制箱2311、箱體2312、滑軌 23121、齒條23122、滑槽232、手指2321、夾持面 233、電機(jī)座2331、滑塊 234、手指伺服電機(jī)235、齒輪 236、橡膠墊237、壓力傳感器3、產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶4、次品傳送帶 5、待檢產(chǎn)品6、次品7、主控PC機(jī)8、控制器 81、3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器82、機(jī)械手視覺伺服定位控制器 83、機(jī)械手次品抓取和釋放控制器具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明基于機(jī)器視覺、智能控制、多傳感器融合檢測(cè)控制等技術(shù)，提出了高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法和設(shè)備，對(duì)高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品實(shí)現(xiàn)高速智能抓取分揀處理。
本發(fā)明的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，是在生產(chǎn)線次品分揀系統(tǒng)接收到次品分揀信號(hào)后，啟動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置將機(jī)械手快速定位到次品的正上方，與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶保持同速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手下降至預(yù)定高度位置抓取次品，然后機(jī)械手提升次品至初始高度，并將次品釋放至指定位置，實(shí)現(xiàn)次品從產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶的自動(dòng)分揀處理，次品釋放后，通過3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置將機(jī)械手復(fù)位至初始位置，等待下一輪抓取過程。該方法采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法，對(duì)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置進(jìn)行精密伺服運(yùn)動(dòng)控制；采用基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位；采用基于多傳感器信息的模糊推理方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取和釋放。
如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)上述方法而設(shè)計(jì)的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，由機(jī)械部分和電氣控制部分組成。如圖2～6所示，機(jī)械部分包括3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1(X、Y、Z三個(gè)自由度方向)和機(jī)械手2。機(jī)械手2包括機(jī)械手臂21和機(jī)械手爪23，機(jī)械手臂21裝設(shè)于可驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿X、Y、Z方向作三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1上，機(jī)械手爪23設(shè)于機(jī)械手臂21下端，機(jī)械手爪23的中心位置設(shè)置有攝像機(jī)22，電氣控制部分分別與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1和機(jī)械手2電連接。其中，3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1可以裝載機(jī)械手2沿X、Y、Z方向做3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，它包括水平X方向自由度傳送部件11、水平Y(jié)方向自由度傳送部件12和垂直Z方向自由度傳送部件13，水平X方向自由度傳送部件11包括滑軌-X111和控制滑軌-X運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-X112，水平Y(jié)方向自由度傳送部件12包括滑軌-Y121和控制滑軌-Y運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Y122，垂直Z方向自由度傳送部件13包括滑軌-Z131和控制滑軌-Z運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Z132，水平Y(jié)方向自由度傳送部件12安裝于滑軌-X111上，垂直Z方向自由度傳送部件13安裝于滑軌-Y121上，機(jī)械手2的機(jī)械手臂21連接于滑軌-Z131上。
如圖6～8所示，機(jī)械手爪23包括機(jī)械手爪控制箱231和三個(gè)呈120度角分布的機(jī)械手手指232，機(jī)械手爪控制箱231包括箱體2311，箱體2311上連接有三件呈120度角分布的滑軌2312，滑軌2312的下端設(shè)有齒條23121，側(cè)面設(shè)有滑槽23122，每個(gè)機(jī)械手手指232的上端設(shè)有一電機(jī)座233，每個(gè)電機(jī)座233上裝設(shè)有一帶電機(jī)編碼器的手指伺服電機(jī)234，各機(jī)械手手指232分別受三個(gè)獨(dú)立的手指伺服電機(jī)234控制。該手指伺服電機(jī)234的輸出軸上通過鍵連接裝設(shè)有一齒輪235，齒輪235與對(duì)應(yīng)的滑軌2312上所設(shè)齒條23121相嚙合，電機(jī)座233的一側(cè)還設(shè)有與滑槽23122相對(duì)應(yīng)的滑塊2331，滑塊2331置于滑槽23122內(nèi)，兩者構(gòu)成一導(dǎo)軌副；手指伺服電機(jī)234的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)其輸出軸上的齒輪235與齒條23121嚙合并沿齒條23121做往返相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)手指伺服電機(jī)234、電機(jī)座233及與電機(jī)座233相連的機(jī)械手手指232沿齒條23121做朝向或背離機(jī)械手爪23中心的往返相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并由滑塊2331和滑槽23122組成的導(dǎo)軌副導(dǎo)向，即三個(gè)手指伺服電機(jī)234分別帶動(dòng)機(jī)械手爪23的三個(gè)手指232做開合運(yùn)動(dòng)，并由手指伺服電機(jī)234所帶電機(jī)編碼器計(jì)算檢測(cè)機(jī)械手爪23的開閉距離。機(jī)械手爪23的形狀可以根據(jù)不同的抓取對(duì)象進(jìn)行調(diào)整，并不局限于圖中形狀。位于機(jī)械手爪23中心位置的攝像機(jī)22固定于箱體2311上，可根據(jù)待抓取次品圖像幾何特征位置信息，通過電氣控制部分的控制器完成機(jī)械手2在次品6抓取之前的定位，保證機(jī)械手2停留在待抓取次品6的正上方。手指232內(nèi)側(cè)夾持面2321上設(shè)置有多個(gè)橡膠墊236，以增大手指232內(nèi)側(cè)夾持面2321和抓取對(duì)象之間的摩擦力，防止抓取對(duì)象下滑，同時(shí)防止手指232和抓取對(duì)象的硬接觸，保護(hù)抓取對(duì)象免除破損。夾持面2321與一個(gè)或多個(gè)橡膠墊236之間設(shè)置有壓力傳感器237，每個(gè)手指232上的壓力傳感器237可在一個(gè)橡膠墊236內(nèi)設(shè)置，也可在幾個(gè)橡膠墊236內(nèi)設(shè)置，或每個(gè)橡膠墊236內(nèi)均設(shè)置。壓力傳感器237可檢測(cè)沿機(jī)械手爪23內(nèi)側(cè)夾持面2321法線方向的接觸力，以控制機(jī)械手爪23的抓取力度，保證抓取過程中不對(duì)待抓次品6造成損傷。當(dāng)壓力傳感器237檢測(cè)到壓力一定時(shí)，機(jī)械手爪23停止閉合。當(dāng)手指伺服電機(jī)234接受控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手爪23的三個(gè)手指232分別相向運(yùn)動(dòng)(抓緊動(dòng)作)或相離運(yùn)動(dòng)(釋放動(dòng)作)。
如圖2～5所示，本發(fā)明的3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1以某一高度固定于產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3的正上方；為了方便回收次品，可在產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3一側(cè)設(shè)置次品傳送帶4，該次品傳送帶4與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3并排平行設(shè)置，產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3、次品傳送帶4相平行，間距固定，速度設(shè)置相同。如圖2所示，3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1的三個(gè)自由度分別對(duì)應(yīng)如下水平X方向自由度對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3水平運(yùn)動(dòng)方向；水平Y(jié)方向自由度對(duì)應(yīng)于垂直于產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3指向次品傳送帶方向；垂直Z方向自由度對(duì)應(yīng)于垂直水平X方向和水平Y(jié)方向運(yùn)動(dòng)。固定安裝于Z方向自由度傳送部件13的滑軌-Z131上的機(jī)械手2可借助3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1在X、Y、Z自由度運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)自由連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
如圖1所示，本發(fā)明的電氣控制部分包括控制器8和主控PC機(jī)7。其中控制器8包括3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81、機(jī)械手視覺伺服定位控制器82和機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83；主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與控制器8連接；3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1通過RS-232總線相連，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法驅(qū)動(dòng)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1中電機(jī)-X112、電機(jī)-Y122和電機(jī)-Z132運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手視覺伺服定位控制器82直接與機(jī)械手2上的攝像機(jī)22相連，采用基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法控制機(jī)械手2對(duì)次品的抓取定位；機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83通過RS-232總線與機(jī)械手2相連，采用基于多傳感器信息的模糊推理方法驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械手爪23的手指232運(yùn)動(dòng)的手指伺服電機(jī)234運(yùn)動(dòng)。
如圖9所示，3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81通過控制3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1，使機(jī)械手2實(shí)現(xiàn)3個(gè)獨(dú)立自由度(X，Y，Z)方向的并行精密伺服運(yùn)動(dòng)，其中3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81與電機(jī)-X112、電機(jī)-Y122、電機(jī)-Z132及上述各電機(jī)上設(shè)置的電機(jī)編碼器組成反饋閉環(huán)控制回路。具體工作過程如下1)主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81；2)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81根據(jù)主控PC機(jī)7的控制指令對(duì)應(yīng)的期望信息和各電機(jī)編碼器的實(shí)時(shí)反饋信息，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，不斷調(diào)整控制輸出電機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)各自由度電機(jī)(電機(jī)-X112、電機(jī)-Y122、電機(jī)-Z132)的精密伺服運(yùn)動(dòng)控制，最終實(shí)現(xiàn)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1的運(yùn)動(dòng)控制。
如圖12～16所示，在機(jī)械手視覺伺服定位控制器82中，核心處理器采用ADSP-BF533芯片；幀存儲(chǔ)器采用MT48LC16M16A芯片，是通過EBIU總線擴(kuò)展接口與ADSP-BF533連接的SDRAM，用于存儲(chǔ)采集的原始圖像以及算法處理的中間結(jié)果；外部存儲(chǔ)器EEPROM采用AT25HP512，其通過SPI接口與ADSP-BF533連接，用于引導(dǎo)程序裝載和參數(shù)保存；視頻解碼器采用SAA7113，主要完成A/D轉(zhuǎn)換、圖像預(yù)處理等功能，是模擬視頻信號(hào)的輸入端，其直接與攝像機(jī)22相連；RS-485收發(fā)器采用MAX3485芯片，是攝像機(jī)22控制信號(hào)的輸出口，實(shí)現(xiàn)核心處理器ADSP-BF533的UART串口與攝像機(jī)22的控制信號(hào)接口之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)22的焦距、光圈和聚焦的調(diào)整控制；CAN總線接口通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與主控PC機(jī)7相連，實(shí)現(xiàn)雙方控制信號(hào)的通信；ADP3339和TPS62003是兩個(gè)電源模塊，分別提供3.3V，1.2V的電源；機(jī)械手視覺伺服定位控制器82外部還有復(fù)位、27M晶振、JTAG等接口電路。
機(jī)械手視覺伺服定位控制器82的工作過程為上電或復(fù)位后，自動(dòng)將EEPROM中的程序下載到ADSP-BF533中，然后開始執(zhí)行程序。程序首先對(duì)SAA7113視頻解碼器進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)定，然后由ADSP-BF533的PPI視頻接口，通過DMA方式將圖像數(shù)據(jù)存入到幀存儲(chǔ)器MT48LC16M16A中，同時(shí)核心處理器ADSP-BF533根據(jù)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法對(duì)幀存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送至主控PC機(jī)7，主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)次品的精確跟蹤和定位。
如圖18所示，機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83負(fù)責(zé)機(jī)械手爪23的三個(gè)手指232的開合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)次品6的抓取和釋放控制。機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83與手指伺服電機(jī)234和手指伺服電機(jī)234上的電機(jī)編碼器組成內(nèi)層閉環(huán)控制，手指伺服電機(jī)234上的電機(jī)編碼器的讀數(shù)可用于計(jì)算手指伺服電機(jī)234的實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪23的開合距離的檢測(cè)；機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83與手指伺服電機(jī)234和設(shè)于三個(gè)手指232內(nèi)側(cè)夾持面2321上的壓力傳感器237組成外層閉環(huán)控制，其中壓力傳感器237的測(cè)量信息提供機(jī)械手爪23內(nèi)側(cè)夾持面2321法線方向的接觸力。機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83的工作過程如下1)主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)械手爪23的控制指令進(jìn)行打包處理后，發(fā)送到該機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83；2)機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83根據(jù)接收到的控制指令、壓力傳感器237的測(cè)量信息和手指伺服電機(jī)234上的電機(jī)編碼器的讀數(shù)，基于多傳感器信息的模糊推理方法實(shí)時(shí)調(diào)整輸出手指伺服電機(jī)234的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪23三個(gè)手指232的手指伺服電機(jī)234的精密伺服運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪23開合的距離和速度精確高速控制。
需要說明的是，機(jī)械手2執(zhí)行自動(dòng)次品分揀處理，需要一定的執(zhí)行時(shí)間，單個(gè)次品自動(dòng)分揀設(shè)備在一次工作過程只能抓取單個(gè)次品(一個(gè)工作周期內(nèi))，如果生產(chǎn)線上連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)次品時(shí)，單個(gè)機(jī)械手分揀裝置難以滿足需要，必然造成次品的漏揀。需根據(jù)產(chǎn)品傳送帶運(yùn)動(dòng)速度、次品檢測(cè)速度和機(jī)械手執(zhí)行次品抓取分揀的時(shí)間、計(jì)算決定使用多臺(tái)機(jī)械手(因?yàn)樵O(shè)備相對(duì)獨(dú)立，可以增加至多個(gè))，以滿足實(shí)際檢測(cè)處理需要。此時(shí)需要主控PC機(jī)7負(fù)責(zé)多機(jī)械手次品分揀設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分揀設(shè)備的協(xié)調(diào)有序高效可靠運(yùn)行，滿足高速生產(chǎn)線次品分揀需要。如圖21所示，本實(shí)施例中設(shè)置有兩套3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1、機(jī)械手2以及與其相應(yīng)的控制器8，可分別抓取兩個(gè)次品。
如圖20所示，本發(fā)明的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備的工作流程如下1)在產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶3正上方固定機(jī)械手2，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)待檢產(chǎn)品5中有次品6時(shí)，電氣控制部分的控制器8啟動(dòng)與機(jī)械手2相連的3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1，帶動(dòng)機(jī)械手2沿生產(chǎn)線傳送帶3運(yùn)動(dòng)方向(X方向)運(yùn)動(dòng)至次品6的正上方，并與次品6保持相對(duì)靜止運(yùn)動(dòng)，此后機(jī)械手X自由度方向速度保持不變直到步驟5)結(jié)束；2)當(dāng)機(jī)械手2與次品6保持同速運(yùn)動(dòng)并位于次品6正上方時(shí)，打開機(jī)械手2的機(jī)械手爪23，控制機(jī)械手2垂直降落(Z方向)至預(yù)定位置后，啟動(dòng)對(duì)所確定次品6的實(shí)時(shí)高速穩(wěn)定抓取動(dòng)作；3)機(jī)械手2將次品6抓穩(wěn)后，由3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1帶動(dòng)機(jī)械手2向上運(yùn)動(dòng)(Z方向)，回升到初始高度；4)控制器8控制3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1帶動(dòng)抓有次品6的機(jī)械手2沿著Y方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)次品傳送帶4正上方后停止Y方向運(yùn)動(dòng)；5)由3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1帶動(dòng)機(jī)械手2向下(Z方向)運(yùn)動(dòng)，即下降機(jī)械手2將次品6放至次品傳送帶4，打開機(jī)械手2釋放次品6，然后將機(jī)械手2回升至預(yù)定高度(Z方向)；6)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1將機(jī)械手2復(fù)位，返回至初始位置和狀態(tài)，即機(jī)械手2沿X、Y負(fù)方向運(yùn)動(dòng)至初始位置，準(zhǔn)備對(duì)下一次品6的抓取。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)線檢測(cè)速度需要，以及本設(shè)備的單個(gè)工作周期所占用的時(shí)間，可以靈活設(shè)置多個(gè)次品自動(dòng)分揀裝置，利用主控PC機(jī)7進(jìn)行多機(jī)械手協(xié)調(diào)調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分揀裝置的協(xié)調(diào)有序高效可靠運(yùn)行，進(jìn)行同時(shí)連續(xù)多個(gè)次品的抓取，滿足高速生產(chǎn)線次品分揀需要。
對(duì)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法、機(jī)械手視覺伺服定位控制器82的基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法、及機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83的基于多傳感器信息的模糊推理方法詳述如下(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法如上所述，本發(fā)明中3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法，對(duì)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1進(jìn)行精密伺服運(yùn)動(dòng)控制。如圖10所示，該算法采用實(shí)時(shí)模糊推理算法計(jì)算3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1的電機(jī)-X112、電機(jī)-Y122、電機(jī)-Z132的實(shí)時(shí)輸出，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差變化在線修正模糊控制規(guī)則。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法具體如下1)改進(jìn)Fuzzy推理算法設(shè)模糊控制器的輸入變量為輸入變量誤差e和誤差變化率ec，輸出變量為u。Ai、Bj、Ck分別表示輸入變量誤差e，誤差變化率ec，和輸出變量u的語言詞集。
定義e、ec、u，的語言值為{NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}。
定義a=AΣ(e)=∪i∈IAi(e),AΣ(e)=maxi∈IAi(e)]]>b=BΣ(ec)=∪j∈JBj(ec),BΣ(ec)=maxj∈JBj(ec)]]>其中Ai代表E的第i個(gè)語言值，Bj代表EC的第j個(gè)語言值，A∑(e)和B∑(ec)表示為隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)采用高斯基函數(shù) ai、bi分別代表高斯基函數(shù)的分布系數(shù)和伸縮系數(shù)。
2)進(jìn)行模糊推理定義分布函數(shù)φ1(e)和φ2(ec)為φ1(e)=i,e∈[ri-1′,ri′],]]>φ2(ec)=j,ec∈[rj-1′′,rj′′]]]>其中ri′表示Ai(e)與Ai+1(e)的交點(diǎn)，rj″表示Bj(ec)與Bj+1(ec)的交點(diǎn)。
模糊控制規(guī)則表示為Riif E is Aiand EC is Bjthen U is Ck，(i∈I，j∈J，k＝φ(i，j)∈(K)每個(gè)輸出與輸入可以用一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系來表示k＝φ(i，j)＝<α*i+(1-α)*j>，α∈
式中α是加權(quán)因子，它反映了誤差和誤差變化率對(duì)輸出影響的程度。<>表示對(duì)其中的數(shù)值進(jìn)行取整。通過調(diào)整α的值，就可以根據(jù)不同對(duì)象、不同時(shí)刻的誤差和誤差變化率各自對(duì)輸出的影響程度來調(diào)整控制規(guī)則。當(dāng)被控對(duì)象階次較低或誤差較大時(shí)，誤差對(duì)輸出的影響應(yīng)超過誤差變化率的影響，α的值應(yīng)取得較大；當(dāng)被控對(duì)象階次較高或誤差較小時(shí)，誤差變化率對(duì)輸出的影響則更大些，α的值就應(yīng)取得小些。在本發(fā)明中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法就是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整α值進(jìn)行控制規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整。
3)計(jì)算輸出變量u對(duì)u∈{Ck}，k∈K，定義如下去模糊化方法u＝M(Ckβ)，β＝ab＝min(a，b)Ckβ＝{u|Ck≥β}Gkβ表示Ck的β割集。M(Ckβ)表示Ckβ的中點(diǎn)，Ck表示輸出變量u的語言詞集4)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算控制規(guī)則加權(quán)因子的調(diào)整量Δα高斯基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GPFN)是一類非常有效的前饋網(wǎng)絡(luò)，它同多層感知器一樣，能夠?qū)θ我膺B續(xù)非線性映射形成任意精度上的逼近。兩者的不同之處在于基函數(shù)的特征，多層感知器中Sigmoid的基函數(shù)在輸入空間的有限范圍內(nèi)是非零的，而在GPFN網(wǎng)絡(luò)中的基函數(shù)僅在一微小局部范圍內(nèi)是非零的，只有當(dāng)輸入落入該微小范圍時(shí)，基函數(shù)才產(chǎn)生一有效的非零響應(yīng)。GPFN的這種局部特征在學(xué)習(xí)過程中可獲得高速化。
該算法采用高斯基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GPFN)來調(diào)整加權(quán)因子α的值，從而達(dá)到調(diào)整控制規(guī)則的目的。如圖11所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)采用的GPFN為三層前饋結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量，輸入變量為誤差x1和誤差變化率x2，輸出變量為Δα。
網(wǎng)絡(luò)各層的輸入輸出關(guān)系如下(1)層oi(1)=ui(1)=xi,(i=1,2).]]>(2)層ui(2)=x1+x22,]]>oi(2)=exp[-(ui(2)-ai)2bi2],(i=1,2,3).]]>(3)層u(3)=Σoi(2)wi,(i=1,2,3)]]>y＝0(3)＝u(3)。
從而網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系可描述為Δα=y=Σiωi·exp{-[(e+ec)/2-ai]2bi2}]]>其中ωi代表網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，ai、bi分別代表高斯基函數(shù)的分布系數(shù)和伸縮系數(shù)。
5)計(jì)算加權(quán)因子α(k+1)＝α(k)+Δα(k)6)采用基于變尺度優(yōu)化方法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速學(xué)習(xí)算法(MDFP)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練采用基于變尺度優(yōu)化方法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)快速學(xué)習(xí)算法(MDFP)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GPFN，要訓(xùn)練的參數(shù)θ＝{ωi，ai，bi}。定義訓(xùn)練的目標(biāo)函數(shù)為J=ΣEk=Σ12[yd(k)-y(k)]2]]>其中yd(k)為網(wǎng)絡(luò)期望輸出，y(k)為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出。
i)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值ωi的訓(xùn)練；▿Ek(ωi)=∂Ek∂ωi(k)=∂Ek∂y(k)·∂y(k)∂ωi(k)=-[yd(k)-y(k)]·oi(2)(k)]]>寫成矩陣的形式為Ek(W)＝-[yd(k)-y(k)]·o(2)(k)式中W=(ω1,ω2,ω3)T,]]>O(2)=(o1(2),o2(2),o3(2))T.]]>根據(jù)MDFP有H1(W)＝I；Hk+1(W)=λ-1[Hk(W)-Hk(W)2▿Ek(W)2βk(W)];]]>Wk+1=Wk-Hk(W)Ek▿Ek(W)βk(W),]]>式中0＜λ＜1，為遺忘因子。
ii)高斯基函數(shù)的參數(shù)ai，bi的訓(xùn)練；▿Ek(ai)=∂Ek∂ai(k)=∂Ek∂y(k)·∂y(k)∂oi(2)(k)·∂oi(2)(k)∂ai(k)=-[yd(k)-y(k)]·oi(2)·ωi(k)·ui(2)(k)-ai(k)bi(k)2]]>由上式可得出ai的迭代公式為H1(ai)＝1；βk(ai)＝λ+Ek(ai)2Hk(ai)；Hk+1(ai)=λ-1[Hk(ai)-Hk(ai)2▿Ek(ai)2βk(ai)];]]>ai(k+1)=ai(k)-Hk(ai)Ek▿Ekβk(ai).]]>同理可得出bi的迭代公式。
(2)基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法如上所述，本發(fā)明中機(jī)械手視覺伺服定位控制器82采用基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法控制機(jī)械手2對(duì)次品6的抓取定位。該方法的基本原理是，在進(jìn)行次品6抓取動(dòng)作時(shí)，機(jī)械手2水平X方向期望狀態(tài)是機(jī)械手2處于次品6的正上方并與次品6保持相對(duì)靜止運(yùn)動(dòng)。因此在期望狀態(tài)下，次品6在機(jī)械手2中部的攝像機(jī)22中的成像必處于圖像中心位置，即次品6特征的幾何中心應(yīng)該也對(duì)應(yīng)于圖像中心位置。以啤酒瓶灌裝生產(chǎn)線為例，期望狀態(tài)下啤酒瓶的圖像，啤酒瓶口的中心位置必定要求處于整幅圖像位置的中心坐標(biāo)位置。基于這一原理，利用期望圖像特征幾何位置中心與實(shí)際圖像幾何特征中心位置中間的差值，生成相應(yīng)的控制指令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送至主控PC機(jī)7，主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手2的精確定位和次品跟蹤。
如圖17所示，基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法包括以下幾個(gè)步驟1)次品圖像的處理，包括圖像預(yù)處理、次品幾何特征檢測(cè)、特征幾何中心位置計(jì)算等部分；2)根據(jù)期望次品特征中心位置，計(jì)算期望值與實(shí)際值差值；3)期望圖像幾何位置與實(shí)際幾何位置差值對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制輸出參數(shù)的映射變換，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線學(xué)習(xí)模型進(jìn)行離線學(xué)習(xí)；4)基于Kalman濾波器模型，對(duì)次品運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行跟蹤預(yù)測(cè)控制，輸出控制指令通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送至主控PC機(jī)7，主控PC機(jī)7通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器81，控制3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置1實(shí)現(xiàn)機(jī)械手2對(duì)次品6的抓取定位。
(3)基于多傳感器信息的模糊推理方法如上所述，機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83采用基于多傳感器信息的模糊推理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的抓取和釋放控制。其控制原理如下在壓力傳感器237的獲取壓力值為零時(shí)，利用機(jī)械手次品抓取和釋放控制器83和手指伺服電機(jī)234上的電機(jī)編碼器組成內(nèi)層閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手2的快速閉合和松開，當(dāng)壓力傳感器237的檢測(cè)值非零并逐步增大時(shí)，逐步減緩閉合速度；當(dāng)手指伺服電機(jī)234上的電機(jī)編碼器檢測(cè)到手指伺服電機(jī)234的運(yùn)動(dòng)行程到達(dá)設(shè)定期望行程，并且當(dāng)壓力傳感器237獲取的壓力值到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)，停止機(jī)械手2閉合，認(rèn)為此狀態(tài)下已經(jīng)抓緊次品6。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明采用基于多傳感器信息的模糊推理方法實(shí)現(xiàn)這一控制。
基于多傳感器信息的模糊推理方法的結(jié)構(gòu)如圖19所示，包括模糊化、規(guī)則庫(kù)、推理算法和去模糊化四個(gè)部分組成，輸入量為壓力傳感器237獲取的壓力P和手指伺服電機(jī)234上的編碼器檢測(cè)到手指伺服電機(jī)234的實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程和期望行程的差值T，輸出量為手指伺服電機(jī)234的速度控制量U。
1)模糊化在算法中，輸入量實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程和期望行程的差值T和輸出量U的論域都定義為[-6，6]，輸入量壓力P的論域
。對(duì)于輸入量壓力P的論域，定義3個(gè)語言詞集，{“正大”，“正小”，“零”}＝{PB，PS，ZO}，表示機(jī)械手爪內(nèi)側(cè)夾持面與次品之間的壓力P的大?。粚?duì)于輸入量T的論域，定義5個(gè)語言詞集，{“正大”，“正小”，“零”，“負(fù)小”，“負(fù)大”}＝{PB，PS，ZO，NS，NB}，表示實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程與期望行程的差值，期望行程大于實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程時(shí)為正方向，期望行程小于實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程時(shí)為負(fù)方向。對(duì)于輸出量U的論域，定義5個(gè)語言詞集，{“正大”，“正小”，“零”，“負(fù)小”，“負(fù)大”}＝{PB，PS，ZO，NS，NB}，即控制機(jī)械手爪的三個(gè)手指的手指伺服電機(jī)速度，向手抓閉合方向?yàn)檎?，松開方向?yàn)樨?fù)。
2)規(guī)則庫(kù)規(guī)則庫(kù)由若干條控制規(guī)則組成，根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)制定出如表1所示的模糊控制規(guī)則R。其中P′、T′是對(duì)應(yīng)于P、T模糊化后的輸入；U′是去模糊化之前的輸出。
表1 模糊控制規(guī)則表

3)推理算法本發(fā)明采用最常用Max-min合成法作為推理算法，具體說明如下當(dāng)把規(guī)則庫(kù)中的Ai，Bi，Ci分別看作P′、T′、U′論域上的詞集時(shí)，可以得到每條控制規(guī)則Ri的關(guān)系Ri＝(Ai×Bi)×Ci。Ri的隸屬函數(shù)為

ti′∈T′，ui′∈U′。全部模糊規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系，用取并的方法得到，即R=∪i=1nRi.]]>R的隸屬函數(shù)為

當(dāng)輸入變量P′、T′分別取模糊集A，B時(shí)，模糊推理得出的控制量U′＝(A×B)οR。U′的隸屬函數(shù)為

4)去模糊化去模糊化就是根據(jù)一定的算法將模糊推理得到的模糊輸出轉(zhuǎn)化為可以直接控制對(duì)象的精確輸出。本發(fā)明采用隸屬度函數(shù)加權(quán)平均判決法，即
u=Σi=1nμ(Ui′)·Ui′Σi=1nμ(Ui′).]]>根據(jù)推理算法、去模糊化和模糊規(guī)則表(表1)，可以計(jì)算出模糊數(shù)值判決表，見表2。在控制過程中，可根據(jù)P′、T′的值由表2查處相應(yīng)的輸出值U。
表2 模糊數(shù)值判決表

(4)高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備所需數(shù)量的計(jì)算因?yàn)榇纹纷詣?dòng)分揀設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)抓取分揀次品處理，需要一定的執(zhí)行時(shí)間，因此如果產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶上連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)次品的情況時(shí)，單個(gè)次品分揀設(shè)備難以滿足需要，必然造成次品的漏揀。因此可根據(jù)檢測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)動(dòng)速度、次品檢測(cè)速度和機(jī)械手執(zhí)行次品分揀抓取的時(shí)間來決定使用多個(gè)次品自動(dòng)分揀設(shè)備，從而滿足實(shí)際檢測(cè)處理需要。此時(shí)需要主控PC機(jī)7負(fù)責(zé)多機(jī)械手次品分揀設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分揀設(shè)備的協(xié)調(diào)有序高效可靠運(yùn)行。
本發(fā)明高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備所需數(shù)量的計(jì)算方法如下設(shè)產(chǎn)品生產(chǎn)線次品檢測(cè)速度V1(單位個(gè)/秒)，產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶運(yùn)行速度V2(單位米/秒)，產(chǎn)品生產(chǎn)線產(chǎn)送帶產(chǎn)品間距S(單位米)，次品自動(dòng)分揀設(shè)備的運(yùn)行周期時(shí)間T(單位秒)T＝t1+t2+t3+t4+t5。
其中t1次品自動(dòng)分揀設(shè)備進(jìn)行次品跟蹤與定位時(shí)間，設(shè)備接收到次品分揀信號(hào)，啟動(dòng)X方向自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位機(jī)械手于次品正上方，并保持次品相對(duì)靜止運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間t2機(jī)械手次品抓取時(shí)間，即機(jī)械手下落至預(yù)設(shè)高度，完成次品抓取，并回升至初始高度所需時(shí)間t3啟動(dòng)次品自動(dòng)分揀設(shè)備Y自由度運(yùn)動(dòng)，從產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶正上方運(yùn)動(dòng)至次品傳送帶正上方所需時(shí)間；t4機(jī)械手次品釋放時(shí)間，即機(jī)械手下落至預(yù)定高度，釋放次品至次品傳送帶，并回升機(jī)械手至指定高度位置所需時(shí)間；t5機(jī)械手復(fù)位時(shí)間，即回復(fù)置產(chǎn)品生產(chǎn)線初始位置狀態(tài)所需時(shí)間。
對(duì)于穩(wěn)定的產(chǎn)品生產(chǎn)線，其產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶是勻速運(yùn)動(dòng)的，因此可得1V1=SV2,]]>即V1＝V2/S。設(shè)所需次品分揀裝置所需的數(shù)量為N，則N＝<V1×T+0.5>；其中函數(shù)<>表示取整操作。
權(quán)利要求
1.一種高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于它是在生產(chǎn)線次品分揀系統(tǒng)接收到次品分揀信號(hào)后，啟動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置，將與該3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置相連的機(jī)械手快速定位到次品的正上方，并與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶保持同速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手下降至預(yù)定高度位置，抓取次品，然后機(jī)械手提升次品至初始高度，并將次品釋放至指定位置，實(shí)現(xiàn)次品從產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶的自動(dòng)分揀處理，次品釋放后，通過3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置將機(jī)械手復(fù)位至初始位置，等待下一輪分揀抓取過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法，對(duì)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置進(jìn)行精密伺服運(yùn)動(dòng)控制；采用基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位；采用基于多傳感器信息的模糊推理方法，控制機(jī)械手對(duì)次品的抓取和釋放。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制算法包括如下過程(1)對(duì)模糊控制器的輸入變量誤差e，誤差變化率ec進(jìn)行模糊化處理a＝A∑(e)，b＝B∑(ec)i＝φ1(e)，j＝φ2(ec)其中A∑(e)和B∑(ec)分別為e，ec隸屬函數(shù)；φ1(e)和φ2(ec)為e，ec的分布函數(shù)；(2)進(jìn)行模糊推理k＝φ(i，j)＝<α*i+(1-α)*j>其中α是加權(quán)因子，它反映了誤差和誤差變化率對(duì)輸出影響的程度；<>表示對(duì)其中的數(shù)值進(jìn)行取整；(3)計(jì)算模糊控制器的輸出β＝a^b，u＝M(Ckβ)其中Ckβ表示Ck的β割集，M(Ckβ)表示Ckβ的中點(diǎn)；Ck表示輸出變量U的語言詞集；(4)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算控制規(guī)則加權(quán)因子的調(diào)整量ΔαΔα=y=Σiωi·exp{-[(e+ec)/2-ai]2bi2}]]>其中ωi代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，ai、bi分別代表高斯基函數(shù)的分布系數(shù)和伸縮系數(shù)；(5)計(jì)算加權(quán)因子α(k+1)＝α(k)+Δα(k)；(6)采用基于變尺度優(yōu)化方法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)快速學(xué)習(xí)算法MDFP，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于所述基于次品特征幾何中心位置差分的視覺伺服定位控制方法包括以下幾個(gè)步驟(1)對(duì)次品圖像的采集和處理，包括次品圖像的實(shí)時(shí)采集、次品圖像的預(yù)處理、次品圖像特征檢測(cè)、次品圖像特征幾何中心位置計(jì)算；(2)計(jì)算次品圖像特征幾何中心位置的期望值和實(shí)際值的差值；(3)次品圖像特征幾何中心位置的期望值和實(shí)際值的差值對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制輸出量參數(shù)的映射表，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行離線學(xué)習(xí)；(4)基于卡爾曼濾波器模型，對(duì)擬進(jìn)行分揀的次品進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤控制，輸出控制指令到3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器，控制3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)次品的抓取定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法，其特征在于所述基于多傳感器信息的模糊推理方法，是通過對(duì)設(shè)置在機(jī)械手上的手指伺服電機(jī)的電機(jī)編碼器、壓力傳感器的反饋測(cè)量信息進(jìn)行模糊推理計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整組成機(jī)械手手爪的三個(gè)手指的手指伺服電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)次品的可靠高速抓取和釋放控制。
6.一種如權(quán)利要求1所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于它包括電氣控制部分和機(jī)械部分；所述機(jī)械部分包括3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)和機(jī)械手(2)；所述機(jī)械手(2)包括機(jī)械手臂(21)和機(jī)械手爪(23)，所述機(jī)械手臂(21)裝設(shè)于可驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿X、Y、Z方向作三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)上，機(jī)械手爪(23)設(shè)于機(jī)械手臂(21)下端，機(jī)械手爪(23)的中心位置設(shè)置有攝像機(jī)(22)，所述電氣控制部分分別與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)和機(jī)械手(2)電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于所述機(jī)械手爪(23)包括機(jī)械手爪控制箱(231)和三個(gè)呈120度角分布的機(jī)械手手指(232)，所述機(jī)械手爪控制箱(231)包括箱體(2311)，箱體(2311)上連接有三件呈120度角分布的滑軌(2312)，所述滑軌(2312)的下端設(shè)有齒條(23121)，側(cè)面設(shè)有滑槽(23122)，每個(gè)機(jī)械手手指(232)的上端設(shè)有一電機(jī)座(233)，每個(gè)電機(jī)座(233)上裝設(shè)有一帶電機(jī)編碼器的手指伺服電機(jī)(234)，該手指伺服電機(jī)(234)的輸出軸上裝設(shè)有一齒輪(235)，齒輪(235)與對(duì)應(yīng)的滑軌(2312)上所設(shè)齒條(23121)相嚙合，電機(jī)座(233)的一側(cè)還設(shè)有與滑槽(23122)相對(duì)應(yīng)的滑塊(2331)，滑塊(2331)置于滑槽(23122)內(nèi)，兩者構(gòu)成一導(dǎo)軌副；所述位于機(jī)械手爪(23)中心位置的攝像機(jī)(22)固定于箱體(2311)上，手指(232)內(nèi)側(cè)夾持面(2321)上設(shè)置有橡膠墊(236)，夾持面(2321)與一個(gè)或多個(gè)橡膠墊(236)之間設(shè)置有壓力傳感器(237)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于所述3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)包括水平X方向自由度傳送部件(11)、水平Y(jié)方向自由度傳送部件(12)和垂直Z方向自由度傳送部件(13)，所述水平X方向自由度傳送部件(11)包括滑軌-X(111)和控制滑軌-X運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-X(112)，水平Y(jié)方向自由度傳送部件(12)包括滑軌-Y(121)和控制滑軌-Y運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Y(122)，垂直Z方向自由度傳送部件(13)包括滑軌-Z(131)和控制滑軌-Z運(yùn)動(dòng)的電機(jī)-Z(132)，所述水平Y(jié)方向自由度傳送部件(12)安裝于滑軌-X(111)上，所述垂直Z方向自由度傳送部件(13)安裝于滑軌-Y(121)上，所述機(jī)械手臂(21)連接于滑軌-Z(131)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于所述電氣控制部分包括控制器(8)和主控PC機(jī)(7)，所述控制器(8)由3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器(81)、機(jī)械手視覺伺服定位控制器(82)和機(jī)械手次品抓取和釋放控制器(83)組成；主控PC機(jī)(7)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與控制器(8)連接；3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置伺服控制器(81)與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)通過RS-232總線相連，驅(qū)動(dòng)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置(1)的電機(jī)-X(112)、電機(jī)-Y(122)和電機(jī)-Z(132)運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手視覺伺服定位控制器(82)直接與機(jī)械手(2)上的攝像機(jī)(22)相連，機(jī)械手次品抓取和釋放控制器(83)通過RS-232總線與機(jī)械手(2)相連，驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械手爪(23)運(yùn)動(dòng)的手指伺服電機(jī)(234)運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備還設(shè)置有次品傳送帶(4)，所述次品傳送帶與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶(3)并排設(shè)置。
全文摘要
一種高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上的次品自動(dòng)分揀方法及設(shè)備，其方法是在生產(chǎn)線次品分揀系統(tǒng)接收到次品分揀信號(hào)后，啟動(dòng)3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置，將與該裝置相連的機(jī)械手快速定位到次品的正上方，并與產(chǎn)品生產(chǎn)線傳送帶保持同速運(yùn)動(dòng)，然后機(jī)械手下降抓取次品、提升并釋放至指定位置，次品釋放后，通過3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置將機(jī)械手復(fù)位，等待下一輪分揀抓取。其設(shè)備包括電氣控制和機(jī)械部分；機(jī)械部分包括3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和裝設(shè)于該傳送裝置上由機(jī)械手臂和機(jī)械手爪組成的機(jī)械手；機(jī)械手爪的中心位置設(shè)置有攝像機(jī)，電氣控制部分分別與3自由度聯(lián)動(dòng)傳送裝置和機(jī)械手電連接。本發(fā)明具有準(zhǔn)確性高、成本低廉、通用性強(qiáng)、不破碎次品、避免造成環(huán)境污染等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/00GK1806940SQ20061003117
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
發(fā)明者王耀南, 余洪山, 王威, 陳浩平, 李楊果, 彭金柱, 劉良江, 張輝, 蔣彥坤 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)