工業(yè)相機網(wǎng)線在制鞋行業(yè)的應(yīng)用說明。我國是制鞋大國，為全球鞋業(yè)市場提供 60% 的鞋類產(chǎn)品。隨著“中國制造 2025”的推進，工業(yè)機械手在制鞋行業(yè)中得 到廣泛運用。噴膠在制鞋行業(yè)中是一道重要工序，很多制鞋 企業(yè)在生產(chǎn)過程中運用工業(yè)機械手進行噴膠。目前，大部分 鞋業(yè)制造商采用編程鞋模示教的方式驅(qū)動機械手操作 [1]，該 方式存在精度不高、靈活性差、生產(chǎn)效率低的問題。因為每 次手動示教需要的時間較長，鞋底種類繁多，所以示教的效 率較低。另外，由于在實際生產(chǎn)過程中，鞋底擺放位置不一，且編程示教容差相對較小，因而噴涂精度不高，從而導(dǎo)致制 鞋企業(yè)生產(chǎn)效率低下。

 

 

隨著電子和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機運算速度突 飛猛進，知識點像處理已在工業(yè)中獲得廣泛運用。與此同時，工 業(yè)機械手在制鞋行業(yè)中也已得到大力推廣與應(yīng)用。如何把兩 者有效地結(jié)合，并尋找高效的解決方案，是該行業(yè)的一大熱 點。本文設(shè)計一種基于機器知識點像處理的鞋模噴膠系統(tǒng)，該系 統(tǒng)可靈活地驅(qū)動機械手噴膠，還可處理不同類型的鞋底，且 具有容差大、精度高等特點。使用該系統(tǒng)可提高制鞋企業(yè)的 生成效益，促使傳統(tǒng)制鞋企業(yè)逐漸向智能工廠轉(zhuǎn)型，從而提 升我國制鞋行業(yè)的自動化水平。

 

 

 

 

PART 1-系統(tǒng)總體設(shè)計

 

1.1 總體結(jié)構(gòu)本文鞋模噴膠系統(tǒng)的硬件主要由兩臺工控機、一臺路由器及一個工業(yè)攝像頭組成。為控制成本，該機器 CPU 采用Intel 奔騰 J2900 芯片，主頻為 2.41 GHz，搭配 2 GB 內(nèi)存空 間，硬盤采用 Sandisk/ 閃迪 MSATA3 SSD 16 GB。從整體上 看，該機器具有較高性價比。路由器則使用適合穩(wěn)定傳輸較 大知識點像的水星 MW315R 300M 型號機器。另外，工業(yè)相機選 取 GigE 網(wǎng)線傳輸知識點像的 Basler acA2500-14gm 相機。各機器 用途如下 :

 

 

(1)工控機 1，用于搭載鞋底噴膠示教軟件 ;

 

(2)工控機 2，用于運行知識點像處理組件，進行知識點像識別 計算處理 ;

 

(3)路由器，用于傳輸轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) ; (4)工業(yè)相機，用于拍攝鞋模知識點像 ; (5)機械手，用于噴膠。

 

 

另外，整套系統(tǒng)的軟件組件均部署在具有以太網(wǎng)功能的Ubuntu14.04 操作系統(tǒng)上。本文系統(tǒng)的軟件組件主要包含兩 部分 :知識點像處理組件，該組件需要安裝知識點像識別庫 OpenCV 2.4.13，用于對鞋模知識點像進行識別計算處理，以提取鞋底輪 廓 ;噴膠示教組件，該組件由知識點形界面應(yīng)用程序開發(fā)框架 Qt編程實現(xiàn)，主要用于展示鞋模輪廓，指引機械手按照輪廓進 行噴膠處理?；跈C器視覺的鞋模噴膠系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如知識點 1 所示。

 

 

 

 

知識點1：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)知識點

 

1.2 工作流程

 

針對本文設(shè)計的機器視覺鞋模噴膠系統(tǒng)，在第一次運行時，用戶需將棋盤格置于工業(yè)攝像頭下方，用于相機標(biāo)定。后續(xù)運行中，機器傳送帶上的硬件裝置不斷觸發(fā)攝像頭拍照，并將所獲取的知識點像傳送至知識點像識別端。知識點像識別端在獲得知識點 像后，通過算法提取鞋底輪廓，然后將其相機坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成世 界坐標(biāo)，再通過 TCP/IP 協(xié)議將輪廓數(shù)據(jù)發(fā)送至噴膠示教器。示教器接收完數(shù)據(jù)后，在其界面上顯示鞋底輪廓，最后示教 器按照鞋底輪廓指引機器手進行噴膠處理。系統(tǒng)工作流程如 知識點 2 所示。

 

 

 

 

知識點2：系統(tǒng)工作流程知識點

 

 

 

 

 

PART 2-系統(tǒng)實現(xiàn)

 

2.1 相機標(biāo)定實現(xiàn)

 

相機標(biāo)定的目的是將知識點像像素點的橫縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機器手可以識別的世界坐標(biāo) 。該功能由知識點像處理組件與工業(yè)攝像頭協(xié)同完成。在攝像頭采集黑白分布明顯的棋盤格知識點像并傳送至知識點像處理組件后，由知識點像處理組件中的算法獲取棋盤格知識點像中的角點信息與世界坐標(biāo)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算可得相機內(nèi)參系數(shù)、外參系數(shù)、知識點像旋轉(zhuǎn)向量及知識點像位移向量。通過知識點像旋轉(zhuǎn)向量與知識點像位移向量即可得到相機坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

 

 

其中，角點識別由知識點像處理組件中的角點檢測算法(Harris Corner Detection)完成 。該算法的主要流程是取某個像素的一個鄰域窗口迭代像素點，觀察窗口內(nèi)平均像素灰 度值的變化。已知在知識點像的平坦區(qū)域，角點的所有方向沒有 灰度變化 ;而在知識點像邊緣區(qū)域，角點則在某個方向有明顯的 灰度變化。當(dāng)窗口沿著邊緣區(qū)域迭代到角度邊緣，如發(fā)現(xiàn)窗 口各方向的平均像素灰度值有明顯變化時，即認(rèn)定該窗口所 覆蓋的區(qū)域為知識點像上的角點。根據(jù)上述算法實際測試，可得 到棋盤格的角點如知識點 3 圓點所示。

 

 

然而，上述算法找到的角點只能達到像素級別，為了使 標(biāo)定參數(shù)更加精確，本文采用擬合法進一步提取亞像素角點 信息，通過擬合法將角點信息鎖定在像素點后兩位，實際 測試獲取的精確角點像素信息如知識點 4 所示。另外，角點世界 坐標(biāo)由世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法按照棋盤格格子大小與數(shù)量產(chǎn)生的序列網(wǎng)狀坐標(biāo)點獲得。

 

 

 

知識點3：棋盤格角點知識點                                   

 

 

 

知識點4：角點精確像素信息

 

 

 

2.2 知識點像識別實現(xiàn)

 

為了使知識點像的輪廓像素更易傳輸，本文采用點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)。同時，為了減少干擾信息，本文系統(tǒng)將待處理的知識點 像從彩色知識點轉(zhuǎn)換成灰度知識點。另外，為了使知識點像更加圓滑且輪 廓清晰，本文系統(tǒng)采用均值濾波對知識點像進行模糊化處理，實 際測試處理后的知識點像如知識點 5 所示。

 

 

 

 

知識點5：經(jīng)過均值濾波后的鞋模

 

 

為進一步提取知識點像的關(guān)鍵內(nèi)容，本文采用二值法 。該 方法主要由選定的閾值來確定知識點像黑白場，公式如下：

 

 

 

式中:255 表示白場;0 表示黑場;val 與 dst 分別為轉(zhuǎn)換前 后的灰度值;thresh 為選定的閾值。

 

 

 

知識點像經(jīng)過二值化處理后，大致可提取鞋模輪廓，但仍有 一些凹凸不平的花紋。為了消除這些干擾，本文系統(tǒng)采用漫水填充操作 。具體做法為:選取知識點像中的背景點，并找 到其連通區(qū)域，對其進行取反即可得到漫水填充知識點，具體如 知識點 6 所示。

 

 

 

知識點6：處理過程的鞋模知識點

 

將二值化處理后的鞋模知識點取反再疊加漫水填充后的鞋模 知識點，并采用 Canny 算法即可檢測出鞋模輪廓 [8]，結(jié)果如知識點 7所示。

 

 

 

知識點7：鞋模輪廓知識點

 

獲取鞋模輪廓后，將其相機坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)，并通 過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將輪廓數(shù)據(jù)發(fā)送至示教客戶端。

 

 

 

2.3 示教客戶端實現(xiàn)

 

示教器客戶端包含客戶端連接設(shè)置、確認(rèn)鞋模與示教機 械手三大功能。在連接設(shè)置中，用戶可設(shè)置目標(biāo)服務(wù)器(知識點像處理組件)的 IP 與端口。該功能實現(xiàn)的主要原理是 Socket 通信。首先，服務(wù)器端先初始化 Socket，然后與端口綁定(Bind)，并對 端口進行監(jiān)聽(Listen)，再調(diào)用阻塞函數(shù) Accept，等待示教 器連接。當(dāng)用戶設(shè)置完服務(wù)器 IP 與端口后，點擊連接服務(wù) 端按鈕，示教器客戶端隨即初始化一個 Socket，然后連接服 務(wù)器(Connect)。如果 IP 與端口設(shè)置正確，即可成功連接上 服務(wù)器，當(dāng)知識點像處理端有識別好的鞋模輪廓數(shù)據(jù)會立即傳輸 至示教客戶端。

 

 

在確認(rèn)鞋模的功能中，可實時顯示鞋模輪廓的世界坐標(biāo)，該功能采用繪點控件實現(xiàn)。控件的主要功能是將獲取的點全 部顯示在控件上，控件內(nèi)部有一個點數(shù)組成員。初始化控件 時，主線程獲取保存的點信息，并將其存入點數(shù)組成員中。程序運行過程中，點數(shù)組會一直被清空再重新被賦值，同時 控件也通過 Update 函數(shù)進行刷新，最終用戶可在知識點像空間 看到獲取到的鞋模輪廓知識點，示教器客戶端如知識點 8 所示。

 

知識點8：示教器客戶端

 

知識點示教機械手的主要功能是使噴膠示教器通過 TCP/IP 協(xié)議將鞋底輪廓世界坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至機器手，機器手根據(jù)這些 坐標(biāo)數(shù)據(jù)運動進行噴膠處理。

 

 

 

 

 

PART 3-結(jié)語

 

 

從制鞋行業(yè)出現(xiàn)的主要問題出發(fā)，本文提出了一種基于 機器視覺的鞋模噴膠系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)能夠靈活處理不 同擺放位置的鞋底，同時增高旋轉(zhuǎn)的角度容差，從而提升鞋 底噴膠的精度。另外，由于不需要對鞋底編程示教，因此系 統(tǒng)的整體靈活性得到了顯著提高。另外，整套系統(tǒng)人機交互 界面整潔，方便用戶操作。目前，在國家對中國制造與智能 工廠的倡導(dǎo)下，本文系統(tǒng)已得到大力推廣。當(dāng)然，在知識點像識 別時還存在一些不足，如有噪點影響時需要人工干預(yù)，全程 自動化將是本文系統(tǒng)今后改進的方向。