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1、(10)申请公布号 CN 102303314 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102303314 A *CN102303314A* (21)申请号 201110127863.1 (22)申请日 2011.05.17 B25J 9/10(2006.01) B25J 13/00(2006.01) B25J 19/02(2006.01) B25J 19/00(2006.01) G06T 7/00(2006.01) C25C 3/12(2006.01) (71)申请人 北方工业大学 地址 100041 北京市石景山区晋元庄路 5 号 (72)发明人 王一丁 崔家礼 李克峰 (74)。
2、专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 周长琪 (54) 发明名称 工业生产中的碳碗中心和导槽定位装置及其 定位方法 (57) 摘要 本发明提出一种工业生产中的炭碗中心和导 槽定位装置及其定位方法， 应用于工业中炭块清 理。定位装置包括串口通信模块、 图像采集模块、 图像处理模块和摄像头， 串口通信模块用于通信， 机械手臂控制系统发出采集信号后， 图像采集模 块控制摄像头进行炭碗图像采集， 图像处理模块 对采集的图像进行处理得到炭碗圆形参数和导槽 角度这些数据， 机械手臂控制系统根据这些数据 定位机械手臂进行炭块清理。 所述的定位方法， 将 采集的图像进行噪声滤波、 高通滤波。
3、， 将获取的边 缘图像做拟合， 得到炭碗圆形参数， 在对圆形做径 向投影、 滤波后得到导槽角度。 本发明实现了炭碗 中心的确定和导槽角度的确定， 为机械手臂提供 了定位参数， 能够提高炭块清理的工作效率。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 CN 102303318 A1/2 页 2 1. 一种工业生产中的炭碗中心和导槽定位装置， 其特征在于， 该定位装置包括串口通 信模块、 图像采集模块、 图像处理模块和摄像头 ； 所述的串口通信模块接收机械手臂控制系 统传送来的图像采集信号， 并将该信号发送给。
4、图像采集模块， 所述的图像采集模块收到图 像采集信号后， 控制摄像头进行碳碗图像的采集， 并实时将采集的每张图像传送给图像处 理模块， 所述的图像处理模块对接收到的每张图像进行处理， 具体处理过程是 ： 首先对图像 滤除光斑， 再采用高斯滤波器做噪声滤波得到初始图像， 再对初始图像分别做 0 度、 45 度、 90 度和 135 度的高通滤波， 然后取四个高通滤波结果的平均值， 得到一幅边缘图像， 对边缘 图像作拟合得到碳碗的圆形参数包括 ： 圆心坐标和半径， 根据得到圆形， 获取初始图像的投 影函数， 对该投影函数进行滤波器滤波求极大值点， 得到导槽在碳碗圆形所在的图像坐标 系中相对于圆心的。
5、导槽角度， 图像处理模块将从每张图像中得到的碳碗的圆形参数和导槽 角度， 通过串口通信模块发送给机械手臂控制系统。 2. 根据权利要求 1 所述的碳碗中心和导槽定位装置， 其特征在于， 所述的图像采集模 块采用 MicroVision VGA174 采集卡实现。 3. 根据权利要求 1 所述的碳碗中心和导槽定位装置， 其特征在于， 所述的摄像头固定 在机械手臂上， 在每次拍摄前， 机械手臂控制系统控制机械手臂位于要拍摄的碳碗的正上 方。 4. 应用权利要求 1 所述的碳碗中心和导槽定位装置的一种工业生产中的碳碗中心和 导槽定位方法， 其特征在于， 该定位方法具体步骤如下 ： 步骤一、 机械手臂。
6、控制系统发出图像采集信号给串口通信模块， 串口通信模块将接收 到图像采集信号发送给图像采集模块 ； 步骤二、 机械手臂控制系统控制机械手臂移动， 使机械手臂位于要拍摄的碳碗的正上 方， 然后图像采集模块控制摄像头采集碳碗图像， 并将采集的碳碗图像传送给图像处理模 块 ； 步骤三、 图像处理模块对接收到的原始图像进行处理： (1) 对原始图像进行滤除光斑处理得到图像 I ： 首先以图像左上角的点作为坐标原点 (O， O)， 水平方向作为 X 轴， 竖直方向作为 Y 轴建立坐标系， 然后确定滤除光斑的阈值 T ： H(i) 表示灰度值为 i 的像素在整幅图像中所占的比例， i 0， 1，255， 。
7、t 表示某一 个灰度值 ； 最后对原始图像的像素逐列进行扫描， 如果某个像素 I(i， j) 的值大于 T， 则令该 像素的值为其上一个像素的灰度值， 如果该像素为第一行像素， 则令该像素的灰度值为阈 值 T ； (2) 采用高斯滤波器 G(x， y) 做噪声滤波得到初始图像 I I*G ； (3) 对初始图像 I做 0 度， 45 度， 90 度和 135 度的高通滤波， 然后对上述的四个高通 滤波的滤波结果求平均， 得到一幅边缘图像 Ie； (4) 对边缘图像 Ie做拟合， 得到碳碗圆形的参数 ： 权 利 要 求 书 CN 102303314 A CN 102303318 A2/2 页 3。
8、 其中， Q(， x， y， r) 表示边缘图像 Ie在以 (x， y) 为圆心， r 为半径的圆的角度 方向 上， 内外各 M 个像素的差， 角度 为圆心 (x， y) 与所取的像素的连线到 X 轴正方向的顺时 针角度， M 为一个正整数， 表示在碳碗圆形内或者圆形外所取的像素的个数， (x0， y0， r0) 为 所要求得的碳碗圆形的圆心 (x0， y0) 和半径 r0； (5)在初始图像I上， 取得到的碳碗的圆形的内外各Z个像素， 做径向投影， 得到投影 函数 P() ： 将得到的投影函数P()通过滤波器滤波得到对信号求极大值点， 得到在碳 碗圆形所在的图像坐标系中导槽相对于圆心的导槽角。
9、度 0： 步骤四、 将得到的所有碳碗的圆形参数和导槽角度发送给串口通信模块， 然后判断对 碳块的四个碳碗是否都进行了采集， 若不是， 转步骤二执行， 若是， 执行下一步 ； 步骤五、 串口通信模块将接收到的碳碗的圆形参数和导槽角度发送给机械手臂控制系 统， 机械手臂控制系统根据收到的数据控制机械手臂进行碳块清理。 5.根据权利要求4所述的碳碗中心和导槽定位方法， 其特征在于， 步骤三中的(2)所述 的高斯滤波器 G(x， y) 为 ： 其中， 参数 取值为 5.6。 6.根据权利要求4所述的碳碗中心和导槽定位方法， 其特征在于， 步骤三中的(3)所述 的高通滤波具体通过下式得到 ： 其中， N。
10、 为正整数， 表示对碳碗圆形求边缘所需要的范围， 取值范围为 ： 1 N 50 ； 表示高通滤波的角度， 取值为 0 度， 45 度， 90 度和 135 度 ； E(i， j) 为初始图像 I中坐标 为 (i， j) 的像素做角度 的高通滤波的滤波结果。 7.根据权利要求4所述的碳碗中心和导槽定位方法， 其特征在于， 步骤三中所述的(5) 中的对投影函数 P() 进行滤波的滤波器， 该滤波器的系数由 1 和 -1 组成， 在导槽对应的 角度上， 滤波器系数为 -1， 在非导槽对应的角度上， 滤波器系数为 1。 8.根据权利要求4所述的碳碗中心和导槽定位方法， 其特征在于， 步骤三中所述的Z的。
11、 取值范围为 ： 10 Z 50。 权 利 要 求 书 CN 102303314 A CN 102303318 A1/6 页 4 工业生产中的碳碗中心和导槽定位装置及其定位方法 技术领域 0001 本发明涉及有色金属生产技术领域， 具体涉及工业生产中铝电解阳极碳块的碳碗 中心和导槽定位的装置及其定位方法。 背景技术 0002 工业生产中碳块的自动清理， 可以提高生产效率， 保护生产工人。 本发明旨在为机 械手臂提供定位信息。 0003 目前的碳块清理由人工完成， 由于厂房里存在大量灰尘， 工人健康收到很大影响。 机械手臂在工业生产自动化中扮演者极为重要的角色， 被广泛的应用于自动装配、 组合和。
12、 抽取物件或一些具有困难且不适合人力负担的工作。 在工业生产中可以用机械手臂进行碳 块的自动清理， 这样可以提高生产效率， 保护生产工人。但是在进行碳块的自动清理时候， 需要为机械手臂提供定位信息。将机械手臂应用于碳块清理是一个有益的改进， 为其定位 的特殊性在于碳碗的形状。如图 3 所示， 铝电解阳极碳块的碳碗为具有六个导槽的圆形， 该 圆具有内外两层边缘， 并有一定的变形， 定位目标为确定圆心坐标和其中一个导槽的角度， 以提供给机械手臂进行碳块清理， 但目前还没有针对铝电解中阳极碳块的碳碗的清理的定 位装置和方法。 发明内容 0004 本发明的目的是为了解决铝电解中阳极碳块的碳碗的定位， 。
13、提出一种金属冶炼生 产中的碳碗中心和导槽定位方法。 0005 一种碳碗中心和导槽定位装置包括串口通信模块、 图像采集模块、 图像处理模块 和摄像头。所述的串口通信模块接收机械手臂控制系统传送来的图像采集信号， 并将该信 号发送给图像采集模块， 所述的图像采集模块收到图像采集信号后， 控制摄像头进行碳碗 图像的采集， 并实时将采集的每张图像传送给图像处理模块， 所述的图像处理模块对接收 到的每张图像进行处理， 具体处理过程是 ： 首先对图像滤除光斑， 再采用高斯滤波器做噪声 滤波得到初始图像， 再对初始图像分别做 0 度、 45 度、 90 度和 135 度的高通滤波， 然后取四 个高通滤波结果。
14、的平均值， 得到一幅边缘图像， 对边缘图像作拟合得到碳碗的圆形参数包 括 ： 圆心坐标和半径， 根据得到圆形， 获取初始图像的投影函数， 对该投影函数进行滤波器 滤波求极大值点， 得到导槽在碳碗圆形所在的图像坐标系中相对于圆心的导槽角度， 图像 处理模块将从每张图像中得到的碳碗的圆形参数和导槽角度， 通过串口通信模块发送给机 械手臂控制系统。 0006 一种碳碗中心和导槽定位方法， 具体包括以下步骤 ： 0007 步骤一、 机械手臂控制系统发出图像采集信号给串口通信模块， 串口通信模块将 接收到图像采集信号发送给图像采集模块。 0008 步骤二、 机械手臂控制系统控制机械手臂移动， 使机械手臂。
15、位于要拍摄的碳碗的 正上方， 然后图像采集模块控制摄像头采集碳碗图像， 并将采集的碳碗图像传送给图像处 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A2/6 页 5 理模块。 0009 步骤三、 图像处理模块对接收到的图像进行处理 ： 0010 (1) 对原始图像进行滤除光斑处理得到图像 I ： 首先以图像左上角的点作为坐标 原点 (O， O)， 水平方向作为 X 轴， 竖直方向作为 Y 轴建立坐标系， 然后确定滤除光斑的阈值 T ： 0011 0012 H(i) 表示灰度值为 i 的像素在整幅图像中所占的比例， i 0， 1，255， t 表示 某一个灰度值 ； 最后。
16、对原始图像的像素逐列进行扫描， 如果某个像素 I(i， j) 的值大于 T， 则 令该像素的值为其上一个像素的灰度值， 如果该像素为第一行像素， 则令该像素的灰度值 为阈值 T ； 0013 (2) 采用高斯滤波器做噪声滤波得到初始图像 I ； 0014 (3) 分别对初始图像 I做 0 度， 45 度， 90 度和 135 度的高通滤波， 然后对四个高 通滤波的滤波结果求平均， 得到一幅边缘图像 Ie； 0015 (4) 对边缘图像 Ie做拟合， 得到碳碗圆形的参数 ： 0016 0017 0018 0019 其中， Q(， x， y， r) 表示边缘图像 Ie在以 (x， y) 为圆心 r。
17、 为半径的圆的角度 方向上， 内外各 M 个像素的差， 角度 为圆心 (x， y) 与所取的像素的连线与过圆心 (x， y) 且平行与 X 轴的直线的顺时针角度， M 为一个正整数， 表示在碳碗圆形内或者圆形外所取的 像素的个数， (x0， y0， r0) 为所要求得的碳碗圆形的圆心 (x0， y0) 和半径 r0； 0020 (5)在初始图像I上， 取得到的碳碗圆形的内外各Z个像素， 做径向投影， 得到投 影函数 P() ： 0021 0022 将得到的投影函数P()通过滤波器滤波得到对信号求极大值点， 得到 在碳碗圆形所在的图像坐标系中导槽相对于圆心的导槽角度 0： 0023 0024 步。
18、骤四、 判断对碳块的四个碳碗是否都进行了采集， 若不是， 转步骤二执行， 若是， 则将得到的所有碳碗的圆形参数和导槽角度发送给串口通信模块。 0025 步骤五、 串口通信模块将接收到的碳碗的圆形参数和导槽角度数据发送给机械手 臂控制系统， 机械手臂控制系统根据收到的数据控制机械手臂进行碳块清理。 0026 本发明的优点与积极效果在于 ： 本发明实现了碳碗中心的确定和导槽角度的确 定， 为机械手臂提供了定位参数， 能够提高碳块清理的工作效率。 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A3/6 页 6 附图说明 0027 图 1 是本发明定位装置的系统结构示意图 ； 0。
19、028 图 2 是本发明定位方法的步骤图 ； 0029 图 3 是一个原始的碳碗图像的示例图 ； 0030 图 4 是对投影函数进行滤波的滤波器的波形示意图 ； 0031 图 5 是本发明定位方法中进行定位得到的碳碗圆形和导槽角度的示意图。 具体实施方式 0032 下面将结合附图和实施对本发明作进一步的详细说明。 0033 本发明的碳碗中心和导槽定位装置包括 ： 串口通信模块 2、 图像采集模块 3、 图像 处理模块 4 和摄像头 5， 如图 1 所示。 0034 如图 1 所示， 机械手臂控制系统 1 通过串口通信模块 2 发送一个图像采集信号给 图像采集模块 3， 图像采集模块 3 收到后。
20、控制摄像头 5 采集碳碗图像， 每采集完成一张图像 以后将采集的图像传给图像处理模块 4 进行处理， 检测碳碗中心和导槽位置， 等采集处理 完四张图像后， 图像处理模块 4 通过串口通信模块 2 给机械手臂控制系统 1 发送信号并返 回处理结果。机械手臂控制系统 1 根据收到的数据控制机械手臂定位， 进行碳块清理。 0035 摄像头 5 固定在机械手臂上， 垂直于碳块， 其和机械手臂的坐标关系已经确定， 机 械手臂控制系统 1 通过机械手臂的坐标和碳碗中心相对机械手臂的相对坐标确定移动方 向。由于每个碳块有四个碳碗， 所以需要进行四次拍摄。每次拍摄前， 机械手臂控制系统 1 会根据碳块的生产参。
21、数移动机械手臂， 使机械手臂位于要拍摄的碳碗的正上方。 0036 串口通信模块 2 负责本发明定位装置与电气系统 1 进行通信， 可以使用编程工具 VisualC+6.0 来实现与电气系统 1 进行通信的功能。图像采集模块 3 采用 MicroVision VGA174采集卡， 使用工具Visual C+6.0编写控制功能， 实现碳碗图像的获取。 图像采集模 块 3 控制的摄像头 5 采用 Watec 902B 工业相机及 TAMRON 12VM1040ASIR 镜头。图像处理 模块4使用工具Visual C+6.0编写， 确定碳碗的圆心坐标和导槽角度， 实现碳碗中心及导 槽定位。 0037 。
22、图像处理模块 4 对图像进行处理， 得到碳碗的圆形参数及导槽角度， 具体处理过 程是 ： 首先对得到的图像进行滤除光斑处理， 再采用高斯滤波器做噪声滤波得到初始图像， 再分别对初始图像做 0 度、 45 度、 90 度和 135 度的高通滤波， 然后取四次高通滤波结果的平 均值， 得到一幅边缘图像， 对边缘图像作拟合得到碳碗圆形的圆心坐标和半径， 根据得到圆 形， 获取初始图像的投影函数， 对该投影函数进行滤波器滤波求极大值点， 得到导槽在碳碗 圆形所在的图像坐标系中相对于圆心的导槽角度。 0038 本发明的工业生产中的碳碗中心和导槽定位方法， 如图 2 所示， 具体是 ： 0039 步骤一、。
23、 机械手臂控制系统 1 发出图像采集信号给串口通信模块 2， 串口通信模块 2 将接收到图像采集信号发送给图像采集模块 3。 0040 步骤二、 机械手臂控制系统 1 控制机械手臂移动， 使机械手臂位于要拍摄的碳碗 的正上方， 然后图像采集模块3控制摄像头5采集碳碗图像， 并将采集的碳碗图像传送给图 像处理模块 4。 0041 步骤三、 图像处理模块 4 对接收到的原始图像进行下面处理 ： 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A4/6 页 7 0042 (1) 滤除可能的光斑。首先以图像左上角的点作为坐标原点 (O， O)， 水平方向作为 X 轴， 竖直方向作为。
24、 Y 轴建立坐标系， 如图 5 所示。然后统计图像的灰度直方图 H(i)， i 0， 1，255， H(i) 表示灰度值为 i 的像素在整幅图像中所占的比例， 并通过式 (1) 求得滤 除光斑的阈值 T ： 0043 0044 其中， t 表示某一个灰度值， T 是在 t 的候选集中求得的最大值。最后对原始图像 中所有灰度值大于 T 的像素进行最近邻差值， 即逐列进行扫描， 如果某个像素 I(i， j) 的值 大于 T， 则令它的值为其上一个像素的灰度值 ； 如果其为第一行像素， 则令它的灰度值为阈 值 T， 用式 (2) 表示为 ： 0045 0046 (i， j) 为像素的坐标。 0047。
25、 (2) 采用高斯滤波器对图像做噪声滤波。经过 (1) 处理后得到图像 I， 经二维高斯 滤波器 G(x， y) 滤波， 滤波过程可表示为 I 和 G 的卷积表示 ： I I*G， 则 I为滤波以后得 到初始图像。 0048 其中， G(x， y) 定义为 ： 0049 0050 其中参数 取值为 5.6， 是在所述的碳碗中心和导槽定位装置上获得的最优参 数。 0051 (3)边缘检测。 首先分别对初始图像I做0度， 45度， 90度和135度的高通滤波， 具体通过式 (4) 进行高通滤波 ： 0052 0053 其中， N 表示对碳碗圆形求边缘所需要的范围， 为正整数， 本发明实施例中通过在。
26、 所述的碳碗中心和导槽定位装置进行实验获得的经验值， 取1N50 ； 表示角度， 取值 为 0 度， 45 度， 90 度和 135 度 ； E(i， j) 为初始图像 I中坐标为 (i， j) 的像素做角度 的高通滤波的滤波结果。 0054 然后取四个滤波结果的平均值， 得到一幅边缘图像， 记为 Ie： 0055 0056 (4) 碳碗中心定位。对边缘图像 Ie做拟合， 得到碳碗圆形的参数 ： 0057 0058 (6) 0059 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A5/6 页 8 0060 0061 其中， M 为一个正整数， 表示在碳碗圆形内或者圆形外所。
27、取的像素的个数， Q(， x， y， r) 表示 Ie在以 (x， y) 为圆心、 r 为半径的圆的角度 方向上， 内外各 M 个像素的差， 角度 为圆心 (x， y) 与所取的像素的连线与 X 轴正方向的顺时针的角度， 0 360。 abs 表示求绝对值，表示对所有的角度求和， (x0， y0， r0) 为通过最大化 求得的碳碗圆形的圆心 (x0， y0) 和半径 r0。 0062 (5) 导 槽 定 位 ： 取 (4) 得 到 的 碳 碗 的 圆 形 内 外 各 Z 个 像 素 做 径 向 投 影， 10 Z 50， 得到投影函数 P() ： 0063 0064 其中， 为角度， 0 36。
28、0， P() 为初始图像 I在角度 方向上的投影。 将投影函数得到的曲线用如图 4 所示的滤波器滤波得到图 4 所示的滤波器的系数由 1 和 -1 组成， 在导槽对应的角度上， 滤波器系数为 -1， 在非导槽对应的角度上， 滤波器系数 为1。 对信号求极大值点， 得到导槽在碳碗圆形所在的图像坐标系中相对于圆心的角度 0： 0065 0066 也可以得到导槽的坐标 (xd， yd) 为 ： 0067 xd x0+r0*cos(0) 0068 (10) 0069 yd y0+r0*sin(0) 0070 得到的圆心坐标和导槽角度如图 5 所示。 0071 步骤四、 判断对碳块的四个碳碗是否都进行了。
29、采集， 若否， 转步骤二执行， 若是， 则 将得到的所有数据包括碳碗的圆形参数和导槽角度发送给串口通信模块 2。 0072 步骤五、 串口通信模块 2 将接收到的数据发送给机械手臂控制系统 1， 机械手臂控 制系统 1 根据收到的数据控制机械手臂进行碳块清理。 0073 采用本发明的装置和方法来进行碳碗中心和导槽的定位， 对一个碳碗图像进行处 理后得到的实施例数据如下表 1 所示。 0074 表 1 实施例数据 0075 参数x0( 像素 )y0( 像素 )0( 度 ) 估计值93785317 估计误差2-31.2 0076 从表1中可看出， 本发明得到的碳碗圆形的圆心(x0， y0)与实际确定的碳碗圆形的 圆心相比， 横坐标相差2个像素， 纵坐标相差3个像素， 导槽角度0相差1.2度， 误差很小， 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A6/6 页 9 从而可以说明本发明能够实现碳碗中心的确定和导槽角度的确定， 为机械手臂提供定位参 数。 说 明 书 CN 102303314 A CN 102303318 A1/2 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102303314 A CN 102303318 A2/2 页 11 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102303314 A 。