信息标识机器人系统：设计·开发·试验·应用·实例

本书在简要介绍信息标识机器人基本知识的基础上，结合高端制造业中的重要基础材料——特钢棒材的信息标识技术应用实例，重点介绍了贴标、焊牌、喷码、书写标记四种信息标识机器人系统的设计、开发及试验技术，内容涵盖机械系统方案设计、视觉识别及定位系统设计、控制系统开发、末端操作器设计，以及系统集成与试验等。
本书内容系统、新颖、实用，可供从事机器人研究的专业技术人员使用，也可供大中专院校师生组织日常教学参考。

黄风山，河北科技大学教授，博士，硕士研究生导师，主要研究领域为视觉测量、机器人和逆向工程。主讲《机电系统分析》《精密测量技术》《激光干涉测量实践与实验技能》等本科生和研究生课程。
主持在研或完成国家重点研发计划项目“面向特钢棒材精整作业的机器人系统应用示范”子课题、河北省重点研发计划项目“特钢棒材轧制在线取样机器人场景”、河北省军民融合科技创新项目“军工特钢棒材及其钢坯智能标识机器人系统研发与示范应用”、石家庄市科技研发研计划项目“棒材标牌在线制备与机器人焊接系统研发及示范应用”等省市级项目10余项，完成企业委托项目“特钢棒材智能喷码机器人系统研发”“自动贴标系统中机器人摆放位置的优化方法”，研发的多套机器人系统在企业得到应用。
发表科研论文“成捆圆钢端面标牌自动焊接系统的研究”“成捆棒材贴标机器人系统部件空间位置优化”“用于标签操作的真空吸盘设计与有限元分析”等论文20余篇；授权发明专利“具有二级压缩行程的吸盘式机械手”“基于二值图像灰度共生矩阵的棒材端面字符图像识别方法”“基于多方向灰度共生矩阵的棒材端面字符图像识别方法”等20余件。

随着社会的发展，消费者对产品生产信息越发关注。产品信息标识是以文字、符号、数字、图案等形式提供产品特征、特性等有关信息，起到追溯产品生产流程和指导消费者的作用。特钢是现代工业及高端制造业重要的基础材料，被广泛应用于国防、铁路运输、航空航天、航海等重要领域。2022年国家发展和改革委员会等三部委联合发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》中明确提出、要重点发展高品质特钢，推动钢铁产业的升级和高质量发展。随着科技的进步，用户对特钢产品的品质管控要求越来越高。准确的产品信息标识是产品质量及其管理水平的重要体现和组成，作为特钢生产过程中物质流与工艺质量信息流精准匹配的重要环节，钢厂的产品通过手写、贴标、打标、喷码、挂牌等方式记录其钢种、炉号、规格等信息，以方便技术人员和工人直观了解钢材产品的详细信息，实现钢材生产信息的全流程可追溯，满足企业日益增长的信息化管理、工作效率、流程的连贯性和数据的可追溯性要求。
随着生产节奏的加快，钢铁企业信息标记人员需要面对高强度和重复性的劳动，很容易产生疲劳，导致工作效率变低，甚至标记出错，同时高粉尘、高噪声等恶劣环境也会危害操作人员的身体健康，制约着企业的进一步发展，而采用机器人操作的智能化和自动化改造升级则是解决这一难题的有效途径。
当前，我国钢铁工业的发展正面临着转型升级，必须要提高生产的智能化水平，应用机器人、机器视觉和智能感知等相关技术，在劳动强度大、重复性高、精准操作的岗位减少人工参与，实现过程的稳定、高效和安全，是我国钢铁产业发展的一个重要方向。
2021年我国《“十四五”机器人产业发展规划》提出，到2025年，我国要成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地；到2035年，我国机器人产业综合实力要达到国际领先水平，机器人成为经济发展、人民生活、社会治理的重要组成。工业机器人的研发、制造、应用作为衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，已成为新一轮全球科技和产业革命的切入点，在工业生产中发挥着越来越重要的作用。
作为河北科技大学机器人与数字化科研团队负责人，笔者带领团队长期致力于钢铁行业特钢轧制精整线信息标识机器人系统集成与应用研究工作，与石家庄钢铁有限责任公司紧密合作，先后进行了国家重点研发计划项目“特钢棒材精整线工业机器人系统集成”、河北省自然基金项目“特殊钢贴标机器人构型设计与视觉定位关键技术研究”、河北省重点研发计划项目“面向特钢棒线材轧制作业的机器人系统研发及应用示范”等项目的研究工作。主要完成了特钢棒材贴标、特钢棒材端面焊牌、特钢棒材端面喷码等信息标识机器人系统的开发与应用，研发了多种钢铁产品信息标识机器人专用末端操作器，将机器视觉技术和工业机器人技术相结合，引入深度学习技术进行图像处理，对特钢棒材标识位置进行识别与定位，并对标识信息进行图像识别，以获取产品标识码的信息，实现特钢棒材产品的信息追溯，推进钢企的自动化和智能化发展进程。
本书由黄风山、李文忠、张付祥编写。书中的研究内容涵盖了机器人与数字化科研团队的蔡立强、秦亚敏、李伟峰、任玉松、刘再、刘咪、马嘉琦、刘子豪、胡世君、赵阳、刘鹏飞、冯豪、宋龙飞、郭旺、郭连城、郑雨、计晓东、王者涵、张超、高参、马啸驰、刘席宇等多位硕士研究生论文的研究成果。此外，在书稿的统稿过程中，苏亚涛、李江等研究生也做了很多工作，在此一并表示感谢。
限于作者水平，书中难免有不妥之处，恳请广大读者给予批评指正！

著者

第1章概述001
1.1信息标识方法001
1.2信息标识设备002
1.2.1贴标设备002
1.2.2标牌制备设备003
1.2.3喷码设备005
1.3产品信息标识机器人系统简介006
1.4特钢产品生产信息标识系统007
1.4.1贴标标识009
1.4.2喷码标识010
1.4.3标牌加挂011

第2章贴标机器人系统013
2.1贴标机器人系统简介013
2.2贴标机器人系统总体设计014
2.3贴标机器人方案设计015
2.3.1确定候选贴标机器人015
2.3.2贴标方案分析016
2.4混联式贴标机器人设计与开发017
2.4.1混联式贴标机器人构型分析017
2.4.2混联式贴标机器人结构设计029
2.4.3混联式贴标机器人运动学及工作空间分析033
2.4.4混联式贴标机器人尺度综合037
2.5实例——成捆特钢棒材端面贴标机器人系统043
2.5.1贴标机器人专用末端操作器设计044
2.5.2成捆棒材端面视觉系统设计051
2.5.3成捆棒材端面中心空间定位及贴标效果分析053
2.5.4自动贴标控制系统设计与试验研究057

第3章焊牌机器人系统069
3.1焊牌机器人系统简介069
3.2焊牌机器人系统方案设计069
3.3焊牌机器人系统设计070
3.3.1视觉识别子系统070
3.3.2焊钉送料子系统072
3.3.3标牌制备子系统074
3.3.4机器人焊接子系统077
3.4焊牌机器人控制系统设计078
3.4.1上位机通信控制系统设计078
3.4.2机器人通信控制方案079
3.4.3下位机控制系统设计081
3.4.4上位机软件系统设计081
3.5实例——成捆特钢棒材焊牌机器人系统086
3.5.1系统组成介绍087
3.5.2焊牌机器人末端操作器092
3.5.3成捆棒材端面视觉识别与中心定位技术研究098
3.5.4成捆棒材焊牌机器人系统现场试验115
3.5.5工业现场实验118

第4章喷码机器人系统121
4.1喷码机器人简介121
4.2喷码机器人系统设计122
4.2.1喷码系统设计122
4.2.2喷码机器人机械系统124
4.2.3喷码机器人控制系统设计124
4.2.4喷码机器人通信系统设计127
4.2.5喷码机器人软件系统开发128
4.3实例——特钢棒材端面喷码机器人系统130
4.3.1系统硬件组成130
4.3.2系统硬件电路设计137
4.3.3特钢棒材端面中心视觉识别与定位140
4.3.4棒材端面序列码字符识别技术150
4.3.5样机搭建与喷码试验158

第5章书写标记机器人系统160
5.1书写标记机器人系统简介160
5.2书写标记机器人系统总体设计160
5.2.1系统架构160
5.2.2工作原理161
5.2.3系统优势与应用前景163
5.3书写标记机器人路径规划与运动学分析164
5.3.1书写标记机器人坐标系164
5.3.2书写标记机器人路径规划166
5.4实例——特钢样棒书写标记机器人系统171
5.4.1特钢样棒书写标记需求分析171
5.4.2书写标记机器人系统设计172
5.4.3书写标记机器人系统工作流程177
5.4.4书写标记机器人末端操作器179
5.4.5特钢样棒书写标记机器人运动学求解181
5.4.6特钢样棒书写标记机器人运动控制186
5.4.7硬件系统集成187
5.4.8软件系统开发190
5.4.9特钢样棒书写标记试验195

参考文献197