基于PLC和视觉的机器人物体识别和分类研究

基于 PLC和视觉的机器人物体识别和分类研究

王光南 谢永清 段凤娟

亚龙智能装备集团股份有限公司 浙江省温州市 325105

摘要：PLC能够有效改善控制开关和通信技术等方面的问题，能够通过不断的发展创新，使PLC技术在机电一体化生产过程中广泛的应用。对目标物体的准确识别和分类，是机器人在工业应用中进行抓取和分拣等任务的核心问题。提出了基于PLC和机器视觉的物体形状和颜色识别系统，该系统由PLC作为主控，利用机器视觉对物体形状和颜色进行分类，在识别目标特征后，送入MATLAB处理后将结果发送给PLC，PLC控制机器人的关节，进行目标选择和抓取，有效提高了定位精度和工作效率，降低了成本。

关键词：PLC；机器人；物体识别

引言

根据工业现场调查，搬运机器人在工业领域应用比较广范。此类机器人一般通过提高机器人的准确性、安全性和速度来提高分拣和放置机器人的性能，同时也可添加许多功能到机器人上，扩大其在工厂的应用范围。本系统利用PLC作为机器人的大脑，获取物体和指令的信息，控制机器人的关节，完成拾取和放置操作。机器人关节由步进电机控制，采用脉冲控制步进电机精确的运动和停止。电机收到一个脉冲，移动一定角度。直流电机采用PWM（占空比）方法控制其速度，通过这种简单、快速、有效的控制方法使电机转速在额定转速的0~100%范围内变化。该机器人控制系统能够适用于不同的工业应用场景，与传统机器人相比，这种机器人有两个主要优势。第一，在由摄像机和激光束组成的“搬运”机器人中，机器人能够检测到物体的准确位置，而不是物体的确切特征，也能够探测到RGB颜色和周围的形状。该机器人的视觉处理足够精确，可以检测到任何颜色，而不仅仅是RGB颜色。第二，该机器人还可以准确识别到四种不同的形状。

1PLC技术

1.1关于PLC技术的概述

PLC技术属于可展开的编程控制器，属于融合了计算机技术的先进技术。在具体应用中，能构成自动化控制器，提升电气工程的自动化程度。当前的PLC技术发展速度较快，能结合用户的要求进行自动化控制。根据预先设计的顺序和命令，能完成控制任务。这种技术采用了逻辑控制运算和梯形图语言编程模式，能实现自动化控制、机械设备智能化控制等，在工业生产中有着重要地位。PLC技术的系统构造有两种模式：第一，模块式结构。包括控制模块、网络模块、CPU控制主板、电源、I/O模块等。第二，箱式结构。这种模式下，主要包括主板、电池、控制面板。

1.2LC技术的特点

第一，应用简单便捷。在自动化控制设备中应用PLC技术，并不需要连接电气设备和可编程控制器。不仅操作便捷，而且控制效果良好。PLC操作界面简单明了，控制指令明确，所以操作人员能快速掌握操作方法，操作失误率也比较低。可编程控制器能给出故障提示，如果发现设备或者系统出现故障问题，能立即给出提示。这种模式下，包括较多的控制模块，只需要更换出现故障问题的模块，就能快速解决问题，并且恢复设备和系统的正常运行。第二，具有较高的可靠性。在自动化控制领域应用PLC技术，主要使用了集成电路，实际抗干扰能力比较强。不管是输出单元和输入单元，都有相对独立的接口，因此硬件设备在运行过程中的抗干扰能力比较强。同时，内部电源使用了稳压和屏蔽等保护技术，可靠性也比较强。针对可编程控制器进行防振处理、接地处理、密封处理，能使其适应各种恶劣的工作环境，避免外部因素影响到控制器的正常运行。

2基于PLC和视觉的机器人物体识别和分类研究

2.1机器人识别流程与步骤

机器视觉与电脑连接，能够有效拍摄到传送带上移动的物体，识别物体的颜色和形状。将拍摄的在线视频送入MATLAB进行分析，MATLB可以区分对象的颜色，它们可以是红色、蓝色、绿色和黑色。MATLAB也可以检测出物体角的数目，并计算出每个物体的面积。通过MATLAB仿真在其边框内比较对象上的五个不同区域，通过对比二值图像中物体中心和包围框内四个角的颜色来检测物体的准确形状。本机器人需要区分的对象有矩形、圆形、三角形和正方形。利用Matlab识别不同对象属性的方法，将任何具有不同形状或区域的其他形状都被归类为未知形状，MATLAB给出了不同的数字，每个数字都与特定的对象相关，因为有四种颜色和四种形状，所以编号为从1到16。此外，由于机器人有可能在光线或环境较差的工作场所工作，误导机器人检测物体。为了尽可能减小检测目标的误差，如果特殊对象不符合确切条件，MATLAB会给出编号17，如果机器人不能将对象的要求条件与已经在传送器上的对象匹配，它将认为是一个损坏或未知的物体。PLC发指令控制机器人对物体进行准确定位，根据物体所在位置，步进电机会获得特殊的脉冲值控制机器人关节转到所需的角度。接着，由直流电机控制的第二个关节向下移动并释放物体。将物体放置到需要的位置后，机器人将移动到它的原点位置。

2.2图像识别与获取

机器人视觉单元由高架安装的CCD摄像机组成，通过通用串行总线(USB)端口连接到个人电脑，具有2.20GHz处理器和4.00GB的随机存取存储器(RAM)，该内存在Windows7操作系统下运行，并具有可用的并行端口连接。摄像机通过微动开关触动信号后检测是否有物体存在，进行拍照或录像记录传送带送来的物体。由于摄像头与PC机相连，所以在线视频或图像在MATLAB中直接可用。为了分析物体的形状和颜色，MATLAB对当前视频或图像进行RGB快照。MATLAB在检测物体的形状和颜色后，向PLC发送一个特殊的编号，每个编号都对应特定物体，按照以上过程进行图像识别与获取。

2.3机器人关节控制

在此项目中，使用PLC作为机器人的控制装置，此外，配有3.5英寸的HMI屏幕，拓宽了机器人的图形选项，用户可以通过在HMI屏幕上设置可选的值来修改机器人的程序，可以在人机界面中看到机器人检测的结果，该PLC程序主要由功能框图程序编制。采用Q2HB44驱动的步进电机控制第一关节运动，驱动电压从DC12到40V，可以匹配6个或8个电流低于4A的2相混合型步进电机。轴直径从42毫米到86毫米不等，该步进电机得到200脉冲转动360°，相当于步进电机的每一步等于1.80，也可以接收1000毫秒的脉冲，通过脉冲信号控制机器人能够精确地找到位置。机器人的第二个关节是通过直流电动机控制，通过集成电路L298N用于控制直流电机的转向，直流电机主要控制机器人的第二个关节抓取和抬起物体，通过改变脉宽调制(PWM)的方法进行机器人运动速度的调节。当控制信号的逻辑值为t_on，通过增加或减少时间间隔来执行电机转速变化。

结束语

摄像机和MATLAB作为该机器人的视觉检测装置，PLC为机器人的控制中心，通过视觉与PLC的有机结合，根据物体的识别标准，机器人能够对传送带上的物体通过不同颜色和形状进行识别，并将物体能够准确放置在设定的位置上。通过视觉与PLC的有机结合，使机器人能够有效识别物体颜色、形状，准确定位完成搬运、分拣等任务，同时能够提高机器人的运行速度和精度。

参考文献

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