本文是一篇模具毕业论文，本文基于图像预处理、图像分割以及图像识别方法处理硬币模具图像，确定模具位置坐标，提高对模具空间位置、形状大小及所处形态计算的准确性，从而进一步提升控制系统的准确性。通过采用相机标定的方法，确定硬币模具图像坐标与机械手臂坐标之间的转换关系。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
随着装备制造业的自动化技术高速发展，无人车间已经成为现代自动化生产领域发展的主要潮流，通过无人车间的大力建设以及制造业的推动与支持，现代化生产车间逐渐用机器取代人来参与实际生产，极大程度地提高生产效率以及产品成品率。在造币行业中，硬币生产的过程自动化程度很高，集自动化生产联动线、AGV 物流运输机器人以及自动化库房于一体。但是在硬币模具生产中，还有很多需要人手动工作的地方，比如在硬币模具生产中激光喷砂这一工序中，首先按照矢量轮廓制作出一个标准的激光喷砂区域，再将模具放置三爪卡盘中进行手动对位，精细调整，直到调整至误差达到工艺标准，这种工作模式极大程度的影响了无人车间的自动化技术的发展。因此，在这个工作背景下，专门应用于硬币模具自动化激光喷砂的搬运机械手的研究就成为了不断提升硬币模具自动化生产的核心课题。特别是在这个人工成本高，劳动力紧缺的时代里，智能机械手臂与视觉处理系统可以代替人的繁琐劳动，实现对模具图像精准定位、精准处理，通过全自动的方式来完成设定的工作任务。从工作内容上可以代替人的手去完成模具运输、摆放以及对位等功能，从工作时间上机械手臂可以长时间连续运转，高效的完成工作目标，极大程度的节约了企业的人工成本，提高企业生产利润。同时，使用全自动化生产技术替代人工劳动，可以避免人在高温、高压、粉尘、易燃易爆以及具有放射性物质等恶劣环境下所受到的伤害，保证生产过程中的人身安全。目前，在很多国内外自动化机床及自动化生产线上，几乎都会用到智能机械手臂，通过减少人工劳动更加精准、快捷的完成生产任务。因此，在无人车间自动化生产线上，选择使用智能机械手臂是发展机械工业的必然选择，通过用机器取代人完成工作任务，是提高企业生产效率，实现企业自动化发展的关键所在。国内外各企业对智能机械手臂的应用与发展十分重视，智能机械手臂作为先进制造业和信息化社会的重要代表，对无人车间自动化水平的提升及工业智能智造的发展有着重要的作用。
1.2 机械手臂国内外研究现状综述
1.2.1 国内研究现状
现阶段，随着机器人领域不断发展，种类越来越多，如加工制造业常用的工业机器人，农民耕地使用的农业机器人以及政府窗口部门使用的智能机器人等。搬运机械手臂类属于工业机器人[1]，通过自动搬运物体代替人工操作，是现代自动化生产领域中的重要组成部分。自动搬运手臂及图像处理[2]和运动控制功能于一体，通过图像视觉处理单元相机标定[3]以及视觉引导[4]部分完成对目标的定位识别，通过构建机械手臂运动控制模型，编辑程序代码即可完成对机械手臂搬运物体的运动轨迹控制，从而完成设定的工作任务。上世纪末我国生产制造领域着手自主研发工业机器人技术，随着研究的不断深入，机器人的技术发展取得巨大成果，设计研发多种应用于制造生产的工业机器人，并成立多个机器人研发中心及生产基地[5]。在进行锻造生产时，工作环境比较恶劣，工人无法在此环境下对铸件完成落砂等，新松机器人公司通过为此设计出一款可以适用锻造生产的机器人，通过对铸件自动化搬运，完成锻造生产任务[6]。2013 年，合肥科学研究院基于基函数神经网络算法实现对目标的准确识别，通过自适应混合控制算法实现对目标的运动控制，并改变机器人的结构设计，研制出四自由度高速搬运机器人，在生产制造领域的自动化生产取得突破性进展[7]。2015 年，王建卫[8]设计的搬运机械手臂具有多个关节及六个自由度，通过对机械手臂六个自由度的运动控制，完成在极限工作环境下对工作目标的抓取及搬运。2016 年王成宝设计研发出一款针对恶劣环境下，具有 3 个自由度机器人，对工作目标进行抓取，基于 PID 模糊控制方式，提高机械手臂在极端环境下的控制精度。2017 年，中国矿业大学马璧[9]对机械手臂控制性能深入研究分析，提出基于视觉系统完成对机械手臂的运动控制，提高运动手臂控制的精准性，同时，也提升了机械手臂人机交互的智能性。2018 年，重庆大学蒲华[10]提升机器机械手臂自主学习判断能力，省略图像标定，优先选择机械手臂运动控制路径，提高机械手臂工作效率。浙江理工大学周志宇[11]通过对视觉伺服控制系统深入分析，基于自适应算法及增量学习混合算法，提出多元回归方式，对机械手臂视觉伺服系统精准控制。
第 2 章 自动激光喷砂机械手臂总体控制方案设计
2.2 机械手臂控制系统需求分析
为了能够使硬币模具激光喷砂实现自动生产，这就离不开智能机械手臂对模具进行精确识别定位并且将硬币模具搬运至激光喷砂机指定位置。在生产实际中，若机械手臂搬运模具位置坐标偏差过大，激光喷砂软件则无法完成特征轮廓识别工作。由于激光喷砂设备会对模具摆放位置坐标偏差≤0.02mm，角度≤2°进行自动补偿，因此，控制系统要求机械手臂搬运硬币模具与标准位置坐标 X 轴及 Y 轴偏差需≤0.02mm，旋转角度偏差需≤2°。
光源对机械手臂准确的识别模具位置起着至关重要的作用。选择较好的光源，可以更加容易提取图像特征细节，提高模具激光喷砂时的准确性。光具有如下特性，随着光源波长的增加，穿透力也会增强，波长减小，扩散性越强。在对模具表面照射时，选择光源的尺寸也是一个非常重要的因素，根据安装空间大小的不同去选择适合的光源尺寸，保证此光源下的整个视场图像的均匀性，通常会选择比检测模具区域视场大 1/3 左右的光源照射范围。控制系统需从硬币图像的对比度、亮度、均匀性及鲁棒性达到最佳的方式选择光源。 工业相机相比于单反等数码相机，它具备图像质量高、稳定性好、图像传输能力和抗干扰能力强等诸多有点，成本费用上也相对较贵一些。现在在工业中多数使用基于 CMOS芯片或基于 CCD 芯片的工业相机。硬币模具激光喷砂区域的范围是 400×400mm 的正方区域，虽然视场较小，但是对拍摄硬币模具图像的质量要求很高，同时相机还需具有电压低、功耗低以及无滞后等特点。
镜头由一系列透镜和反射镜组成，以此来准确的获取物体呈现出的影像。控制系统通过镜头感知硬币模具坐标位置以及旋转角度等信息，受工作环境的限制相机安装位置以及模具尺寸以及固定，控制系统需选取焦距合适的镜头准确获取硬币模具图像信息。
2.3 机械手臂硬件系统设计
2.3.1 硬件系统总体方案
随着以集成电路为核心的微电子技术的快速发展以及计算机信息技术的日渐成熟，对于控制系统的运算处理能力极大程度的提高，各个电子器件的标准已趋于统一，通过与 PC直接连接，对用户的硬件系统设计开发提供便利。基于控制系统需求，硬币币模具自动激光喷砂机械手臂硬件系统基于 PC 系统进行设计开发，图像处理单元由图像采集卡负责将CCD 相机获取的硬币模具图像传输给 PC，运动控制单元由运动控制卡通过伺服驱动器的调整控制伺服电机，完成对机械手臂运动控制。如图 2.1 所示，为硬币模具自动激光喷砂机械手臂硬件系统设计方案。
2.3.2 硬件选型
硬币模具自动激光喷砂机械手臂的控制系统的工作任务主要分为硬币模具图像处理以及机械手臂运动控制，根据控制系统需求分析，选择合适的硬件。硬币模具图像处理部分的硬件包括光源、相机、镜头，图像采集卡以及图像处理单元接口等；机械手臂运动控制部分包括的硬件主要有运动控制卡、运动控制单元接口等。
第 3 章 基于图像的硬币模具定位精度研究 ........................................ 19
3.1 引言 ................................................... 19
3.2 硬币模具图像处理流程 ........................................ 19
第 4 章 自动激光喷砂机械手臂建模与运动轨迹控制 ......................................... 30
4.1 引言 ..................................... 30
4.2 机械手臂坐标系的运动变换 ............................. 30
第 5 章 自动激光喷砂机械手臂实验与结果分析 .......................................... 37
5.1 模拟实验平台搭建 ............................... 37
5.2 硬币模具图像处理实验 .................................... 37
第 5 章 自动激光喷砂机械手臂实验与结果分析
5.1 模拟实验平台搭建
本文选用 LeA rm 机械手臂加载 CCD 相机以及计算机共同完成对视觉处理系统以及运动控制系统的控制工作，如图 5.1 所示。LeArm 机械手臂可以对硬币模具进行平移运动以及旋转运动至指定夹具位置。通过对机械手臂的舵机的控制，即可完成对运动执行机构的控制。本次实验所使用的硬件以及软件的总体布局与上述设计方案一致。
在课题实验开始前需要对控制系统作系统标定工作，由于机械手臂与 CCD 相机都各自具有坐标系。为了简化控制系统的实验数据，将机械手臂的世界坐标系作为参考坐标系，CCD 相机对硬币模具拍照所得的位置坐标，以机械手臂的参考坐标系为基准，确定基于图像坐标系下的硬币模具图像与基于世界坐标系下硬币模具位置坐标转换关系。其中，设定图像坐标系原点为硬币模具图像左上角，设定机械手臂参考坐标系原点在末端执行机构的夹取机构中心处。
第 6 章 结论
近年来，随着自动化技术的日渐成熟与高速发展，机械手臂已经在运输物体等方面得到了广泛的应用。本文根据硬币模具自动激光喷砂机械手臂的系统控制需求，采用图像视觉处理单元与运动执行机构单元两部分协同合作的控制方案，课题完成工作如下：
根据硬币模具自动激光喷砂机械手臂控制系统需求，确定了控制系统的总体方案，采用图像视觉处理单元与运动执行机构单元两部分协同合作。根据控制系统总体设计方案，完成硬币模具自动激光喷砂机械手臂控制系统的硬件系统设计与软件系统设计。硬件系统设计图像处理单元基于图像采集卡获取硬币模具图像，运动控制单元基于运动控制卡完成对机械手臂搬运硬币模具运动控制。软件系统设计基于 LabView 软件开发平台及 Arduino软件开发平台完成对机械手臂对硬币模具图像处理以及搬运硬币模具运动轨迹控制。
基于图像预处理、图像分割以及图像识别方法处理硬币模具图像，确定模具位置坐标，提高对模具空间位置、形状大小及所处形态计算的准确性，从而进一步提升控制系统的准确性。通过采用相机标定的方法，确定硬币模具图像坐标与机械手臂坐标之间的转换关系。采用切向畸变与径向畸变参数补偿算法，解决在相机标定时，提高模具图像位置坐标的准确性。建立 CCD 相机高精度定位模型，基于最小二乘法，确定了 CCD 最佳拍摄位置，进一步提高硬币模具定位精度。
建立硬币模具自动激光喷砂机械手臂的数学模型，分析研究平移变换、旋转变换后的坐标系转换关系的变化，计算模具在空间任一位置机械手臂的 D-H 控制参数，在此基础上完成此位置机械手臂抓取硬币模具舵机角度的计算。基于 Arduino 软件开发平台，完成对机械手臂搬运硬币模具运动轨迹的控制与修正，提高运动机构执行部分搬运硬币模具的准确性。
参考文献（略）