煤矸石智能分拣机器人的研究与应用_缪杰.pdf
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1、58Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井专题报道:永磁及机器人产业创新孵化实践与煤矿机器人应用Special Report针对传统人工选矸存在工作环境恶劣、劳动强度大、成本高、效率低、易误选或漏选等痛点问题,笔者提出研究一款基于机器视觉的煤矸石智能分拣机器人,代替人工选矸。机器人通过基于机器视觉的图像识别技术,实时采集并提取图像特征信息来判别煤矸石,然后采用双臂并联SCARA型机械臂对粒径在50800 mm之间的矸石进行分拣,煤矸石分拣率达80%以上,最大拣矸质量达100 kg。经晋能控股煤业集团同忻矿工业测试表明,智能分拣机器人高效、稳定可靠,可以达到减
2、人增效的目标。煤矸石分拣系统整体设计煤矸石智能分选机器人主要由分流系统、视觉系统、执行系统以及上位机控制平台等部分组成,整体结构如图1所示。出煤口输送的煤和矸石,首先经过分流系统进行预处理,使得煤和矸石在输送带上被划分为2列,便于后续图像识别及矸石耙取;其次,视觉系统对分流后的煤和矸石进行图像实时采集,并上传分析识别;最后,将识别后结果发至执行系统,执行系统的机械臂根据识别结果将矸石推入矸石溜槽中,实现矸石自动分拣。煤矸石智能分拣机器人的研究与应用 缪杰图1 煤矸石智能分选机器人整体结构图2 分流系统整体结构Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期59202
3、3 1杂志官网:Journal of Intelligent Mine2023 年第 1 期分流系统分流系统的作用是将煤流均匀分布在带式输送机两侧,便于后续图像的采集与矸石耙取。分流系统由龙门架、升降架、导向轮、电机和控制器等组成,整体结构如图2所示。升降架根据晋能控股煤业集团同忻煤矿拣矸现场环境进行特殊处理,在所有高受力处焊接多块高强度角钢,保证在高煤流冲击下保持稳定分流。当煤流量激增时,为防止意外堵塞情况,在带式输送机两侧安装红外线测高装置,当煤流高度超出阈警范围时,升降架自动抬升,同时机械臂停止工作并置位至避障位置,保证现场及设备安全。升降架由电机牵引钢丝绳拉动升降,升降速度为0.25
4、m/s,起降高度为0.6 m。视觉系统视觉系统主要完成功能:采集清晰度较好的煤、矸石图像,实时显至上位机;对煤流中煤矸石进行准确识别;对识别完成煤矸石获取其位置信息,完成后发送指令和相关信息给执行系统。(1)视觉系统结构设计视觉系统的主体部件主要包括工业相机、成像镜头、表面光源、视觉暗箱、计算机、串口服务器等。按功能可把视觉检测系统分为图像采集、图像处理模块和通信模块3 个部分(图3)。其中,图像采集模块由工业相机、光学镜头、表面光源以及图像采集千兆网卡组成;工业相机和光学镜头构成成像系统,图像采集卡负责将由工业相机感知的图像数据实时采集到计算机的内存中;表面光源主要为成像系统提供均匀稳定的照
5、明条件,以获取具有较高对比度的图像,视觉暗箱是为了降低外部环境光照对成像的不利影响;通信模块主要由串口服务器构成,计算机通过串口发送信息,由串口服务器通过接口转换后,通过网络将操作指令等信息传递给机器人控制器,由控制器指挥机械臂分离矸石。(2)煤矸石定位识别算法研究煤矸石识别与定位算法流程如图4所示。采集的图像经过裁切、去噪、灰度化等预处理后,利用BLOB区域联通法判断图像内是否存在待检测的煤和矸石。对定位的煤矸石进行灰度直方图方法分析,根据设置的煤和矸石的灰度图像阈值,判定当前物体是煤还是矸石。算法具体流程:在带式输送机开启后,物料由传送带进行输送,在分流系统排队处理后,经过视觉暗箱时,首先
6、由工业相机等时间间隔进行图像采集,采集的图像实时上传上位机。上位机接收图像后,通过软件算法计算其图像三阶矩评价值,完成后将评价值与初始阈值进行比较。当小于初始阈图3 视觉系统结构示意60Intelligent Demonstration Mines智能示范矿井专题报道:永磁及机器人产业创新孵化实践与煤矿机器人应用Special Report值时,判断当前位置输送带上没有煤矸石;当大于阈值时,认为可能存在煤矸石,此时进行图像的BLOB分析,得到最大分区左上角的点的坐标、分布的宽度和高度。对分区所在的区域范围进行三阶矩局部评价,当三阶矩的评价值小于设定的二级阈值时,判定图像中无煤矸石。当大于阈值时
7、,接着判断区块是否满足一定大小,若不满足则认为不存在矸石。若满足则继续判断当前图像中的物体中心与图像中心的中心距是否小于设定阈值,若大于阈值,说明还没有到达预定位置,不做处理;若小于阈值,则说明已经接近图像中心,是否发送捡矸指令还要判断当前矸石是否已被标记过,若未标记过则发送拣矸指令,机器人在固定延时时间到后分拣矸石。执行系统执行系统的作用是依据视觉系统识别的结果,将识别结果为矸石的物料及时分拣出来。(1)机械臂结构设计及分拣原理并联机器人具备动态响应快、精度高及自重负荷小等多方面优点,自问世以来便成为机器人领域的研究热点;SCARA型机器人则具有结构简单、运动速度快、定位精度高等特点,经常用
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