基于視覺檢測的直角坐標機器人精度分析

2013-10-15 01:20:36董冠華胡曉兵殷國富

制造業自動化 2013年15期

董冠華，胡曉兵，殷國富，周飛

（四川大學制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

隨著技術的不斷進步,機器人技術越來越多融入到了當今制造業,直角坐標機器人作為機器人的一種重要組成部分,憑借著其結構緊湊、強度高、運動簡單及無奇異狀態等優點，廣泛應用于焊接、碼垛、包裝、檢測、裝配及包裝等領域[1]。

不同的工況條件和作業需求對于機器人精度有著不同的要求，在設計開發機器人平臺過程中，對機器人的精度設計也成為工作中的重中之重。基于課題需要，針對高精度、低負載、高速度的作業需求,本文設計開發了一套懸臂式直角坐標機器人。根據經驗，動作過程中Y軸（懸臂部分）因負載而產生的形變會直接影響到機器人末端執行機構的動作精度。目前，設計人員往往只通過對Y軸線性模組（簡稱模組）簡化模型進行有限元分析，并根據有限元分析的結果做進一步的設計分析。實際上，簡化模型與實際樣機之間存在一定的誤差。本文結合人工視覺技術，針對兩者之間的誤差進行了研究，為后續的設計開發提供了理論依據。

1 機器人平臺與實驗原理

本文所設計開發的懸臂式直角坐標機器人，主要由X、Y、Z軸向模組與末端執行機構組成。機器人具有四個自由度：X、Y、Z軸向的移動和功能部件的X向旋轉。其中，X軸模組固定于基座，Y軸模組為懸臂結構，通過連接塊與X軸滑臺相連，Z軸模組固連與Y軸模組滑臺。所設機器人的額定負載為5kg，定位精度為±0.05mm。

實際工作中，所設計直角坐標機器人 X軸模組與基座固連，Z軸模組主要受軸向拉力作用，對機器人平臺的精度的影響較小；Y軸模組為懸臂結構，因受重力和外部載荷作用形變量最大，且對機器人平臺的精度影響最為嚴重。因此，機器人平臺的最終精度很大程度上取決于Y軸模組的形變大小，在精度設計時也必須對懸臂結構的Y軸模組的剛度進行校核。

本文在精度設計分析的過程中，對Y軸模組進行建模，并根據結構尺寸將之簡化為殼體結構進行有限元分析，根據分析結果進行進一步的設計計算。同時，本文在物理平臺上結合機械視覺技術，對該種根據簡化模型分析的結果對機器人精度設計的方法進行驗證。同時，為保證視覺實驗數據的準確性，本文基于實驗室直角坐標機器人平臺進行改造，去除Z軸模組和末端執行機構，將工業攝像頭加裝在Y軸末端。最終通過分析結果與機械視覺標定量的比較，驗證該種設計分析方式的可行性，并探討其適用范圍。

圖1 機器人實驗平臺示意圖

2 基于Ansys workbench的有限元分析

2.1 Y軸模組的結構形式與簡化模型

所設計機器人的模組主要有傳動部分和支撐部分組成，傳動部分主要包括滾珠絲桿、滾珠導軌與滑臺，支撐部分主要是指模組的成型殼體。理論上講，傳動部分的功能只是完成動力的傳遞和運動方式的轉化，所有的外部載荷都應由支撐部分承擔。實際工況中，傳動部分的存在也一定程度上提高了模組的整體剛度，承載了一小部分的外部載荷，但絕大多數的外部載荷仍然是由支撐部分的成型殼體承擔。基于以上分析，本文為方便分析和減少分析數據量，將實際為多部件的裝配體簡化成簡單的殼體結構，并對之進行有限元分析。

2.2 有限元分析流程

根據有限元分析流程：建立簡化模型；將模組材料指定為A l-6061（如表1所示）；網格化處理時保證殼體的層厚方向上單元層數至少為2；約束也施加載荷方式：將一段施加固定約束，另一端施加外部集中載荷（10-100N區間10N間隔施載），同時激活標準引力作用。定義以上相關數據之后，通過求解器運算求解[2]。

表1 材料屬性

圖2 網格劃分

圖3 施加邊界條件

圖4 分析圖解

2.3 分析結果匯總

表2 有限元分析結果

3 基于機械視覺的實驗

3.1 圖像獲取

實驗平臺中，將Basler工業相機加裝與Y軸模組末端，并通過1394接口數據線與其嵌入PC機的采集卡相連，實現對圖像的獲取和采集。

圖5 硬件設備

為減小偶然誤差對實驗的影響，在數據采集時，針對每個不同載荷，每次采集取五個樣本，在后續處理中將該五個樣本的特征信息作為所屬載荷下的有效數據。

3.2 圖像處理

通過相機所獲取圖像的質量難免會受到外界因素的影響，為保證所測得的實驗數據的準確性，需對圖像進行相應的處理。Labview為用戶提供了形狀匹配、邊緣檢測、圖像銳化、圖像增強、形心坐標等相關功能的VI，用戶只需要在圖形化編程的界面選取相關的VI，通過導線相連，并控制每個V I的相關參數，即可以完成圖像的處理。具體操作步驟此處不做贅述[3,4]。