一種基于機(jī)器視覺的并聯(lián)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)

徐伊岑 曹小兵

摘 要：隨著制造業(yè)智能化的推進(jìn)，機(jī)器視覺與機(jī)器人的結(jié)合越來越緊密，對相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)要求也越來越高。目前適用于高校教學(xué)的此類復(fù)合型設(shè)備較少，為此利用機(jī)器視覺系統(tǒng)、PLC、伺服電機(jī)、觸摸屏等開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺的并聯(lián)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)裝置，編制了軟件程序，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面。該設(shè)備可根據(jù)預(yù)設(shè)的象棋排布方案自動抓取棋子并完成排布，具有趣味性與開放性特點(diǎn)。調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)定的功能要求，該設(shè)計(jì)思路可為類似設(shè)備的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;并聯(lián)機(jī)器人;程序;人機(jī)交互

0 引言

機(jī)器人技術(shù)[1]、機(jī)器視覺技術(shù)[2-3]作為智能制造領(lǐng)域的兩個關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用越來越廣泛，如何開發(fā)出相關(guān)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以便在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中有效地將這些技術(shù)傳授給學(xué)生，是一個值得研究的問題。本文以“象棋排布”為創(chuàng)意，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的并聯(lián)機(jī)器人，利用X-sight機(jī)器視覺系統(tǒng)[4]獲取給定的象棋信息，并驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人按照設(shè)定的排布方案，完成棋子的抓取與排布。測試結(jié)果表明，該設(shè)備運(yùn)行可靠，且涵蓋并聯(lián)機(jī)器人、觸摸屏、機(jī)器視覺系統(tǒng)等諸多內(nèi)容，滿足人才培養(yǎng)的需要，其設(shè)計(jì)思路可為類似設(shè)備的研制提供參考。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1? ? 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由智能相機(jī)、鏡頭、光源三部分構(gòu)成。考慮相機(jī)的成像質(zhì)量和系統(tǒng)的功能需求，本文選用30萬像素的信捷SV4-30M型智能相機(jī)。該相機(jī)具有成熟的視覺算法庫，編程時可直接調(diào)用已集成的算法，大大減輕編程難度和工作量，提高了工作效率。對于相機(jī)鏡頭的選擇，應(yīng)該注意焦距、目標(biāo)高度、影響高度、放大倍數(shù)、影像至目標(biāo)的距離、畸變等關(guān)鍵參數(shù)，本文選取SL-FK08F2M型號鏡頭，它的分辨率達(dá)200萬像素，最小焦距為8 mm。光源作為系統(tǒng)成像部分的輔助器件，直接影響到成像質(zhì)量，由于象棋圖案為正面觀察，本文選用SI-RI103000W型白色環(huán)形前照光源，同時選用SIC-242型光源控制器調(diào)節(jié)光源的亮度，保證在任何自然光照條件下均能獲得較清晰的圖像。

1.2? ? 觸摸屏選型

觸摸屏作為人機(jī)界面的重要載體，硬件選型要求其在顯示方面、控制方面和通信方面都能有較為出色的性能。本文選擇了信捷TG 865型觸摸屏，在顯示方面，其色彩飽滿，顯示效果逼真，具備觸控校準(zhǔn)功能，存儲容量大，可實(shí)現(xiàn)高速下載、加載和高速運(yùn)行的功能;在控制方面，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示監(jiān)控、實(shí)時報警、歷史報警記錄等控制功能，用戶體驗(yàn)時可以參與在線模擬、離線模擬等操作;最主要的是其組態(tài)功能方面，借助強(qiáng)大的C語言函數(shù)塊，使其在運(yùn)算、命令、通信方面更加快捷。

1.3? ? PLC選型

本文選用信捷RC2型PLC，具體的I/O分配如表1所示，控制器電氣原理如圖1所示。

1.4? ? 并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺樣機(jī)外形如圖2所示，在基板外緣呈三等分式向外部延伸出安裝端，三個安裝端下方分別安裝有伺服電機(jī)一M1、伺服電機(jī)二M2、伺服電機(jī)三M3，每個伺服電機(jī)的下端均連接有驅(qū)動桿，驅(qū)動桿下端鉸接有從動桿，基板的上端中部安裝的伺服電機(jī)四M4下端垂直連接有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的下端設(shè)置有抓取中心，且從動桿的端部均與抓取中心連接。

2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為PLC與機(jī)器視覺系統(tǒng)、PLC與伺服系統(tǒng)、PLC與觸摸屏三部分，用以實(shí)現(xiàn)硬件間的信息交互功能。

RC2型PLC和智能相機(jī)采用RS485通信，將光源控制器的A、B端口分別對應(yīng)接到PLC上的A、B端口即可。

RC2型PLC與伺服驅(qū)動器之間采用RS485通信，在確認(rèn)Modbus通信協(xié)議并對DS伺服進(jìn)行設(shè)置后，最后一步就是DS伺服與PLC之間的接線問題，因?yàn)槭撬淖杂啥鹊牟⒙?lián)機(jī)器人，所以有四個伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)，跟相機(jī)與PLC通信接線相比，需要將四個伺服進(jìn)行串聯(lián)通信在一起。

TG865觸摸屏與信捷RC2型PLC之間通過RS485實(shí)現(xiàn)信息通信，一般我們在新建工程時，在選項(xiàng)“設(shè)備/串口設(shè)備/下載口”中，可直接選取相應(yīng)的PLC型號即可完成。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括三個部分：機(jī)器視覺系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

3.1? ? 機(jī)器視覺系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要利用X-Sight Studio軟件，針對智能相機(jī)進(jìn)行程序編制，主要任務(wù)為給定棋子提取圖案輪廓特征與腳本程序的編寫。

編好腳本程序后，利用X-Sight Studio軟件圖案定位工具，將相機(jī)拍攝到的已知的七種不同類型的象棋提取其模板，并設(shè)定其待搜索區(qū)域圖像的特征，再將特征進(jìn)行匹配，從而計(jì)算出模板和對象之間的幾何位姿關(guān)系。

在X-Sight中添加自定義工具，借助C語言編輯視覺腳本程序，腳本中需要給圖案定位出來的特征結(jié)果定義名稱，即定義出相、將、士、卒、車、炮和馬，同時要求能夠做到對各象棋棋子種類和數(shù)量的精確識別。

3.2? ? PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序包括兩個部分：一是點(diǎn)動控制部分，要求設(shè)置點(diǎn)動PLC控制翻轉(zhuǎn)棋盤、恢復(fù)棋盤、啟動、急停以及XYZ正負(fù)向的點(diǎn)動運(yùn)動方式，同時在急停狀態(tài)下，無法啟動使能控制按鈕;二是自動運(yùn)行部分，即在PLC自動控制過程中，經(jīng)通信獲取棋子等信息后，首先機(jī)械臂回零，然后依次按照機(jī)械臂運(yùn)動抓取、擺放的流程運(yùn)行即可，在整個運(yùn)行過程中實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時能及時報警發(fā)出警告。

3.3? ? 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為便于操作者監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，主要包括主界面和用戶窗口界面兩個部分，用戶窗口界面中包括操作界面和參數(shù)設(shè)置界面。圖3為參數(shù)設(shè)置界面，界面內(nèi)容覆蓋象棋定位機(jī)械手所需的運(yùn)動參數(shù)、點(diǎn)動轉(zhuǎn)換以及零點(diǎn)坐標(biāo)值的記錄和設(shè)定等。

4 測試與分析

首先利用TW組態(tài)編輯的象棋排布界面，人機(jī)面板上的象棋種類有將、象、士、馬、車、炮和卒，且各棋子可移動數(shù)量只有一枚，通過手指觸摸移動棋盒里的象棋到棋盤上的點(diǎn)處，如圖4所示。

PLC通過操作面板發(fā)來的排布方案，篩選出最終所要移動的棋子，包括數(shù)目和類別信息，同時提取象棋面板上排布的位置信息，然后對于由相機(jī)通信傳輸過來的隨機(jī)給定棋子信息，依次篩選出所需要移動棋子在實(shí)物棋盒中的信息（包括象棋類別、數(shù)目和相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置）。信捷RC2型PLC中因?yàn)楸旧碛袛y帶負(fù)責(zé)相機(jī)坐標(biāo)與機(jī)械臂所處機(jī)械坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法，故而在信息篩選并參與本身的算法運(yùn)算之后，可以得到基于機(jī)械臂所處機(jī)械坐標(biāo)系下棋子的位置信息，然后發(fā)出指令使得PLC程序執(zhí)行，PLC把執(zhí)行程序的操作指令傳給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)，帶動機(jī)械臂按操作順序，從棋盒里抓取棋子然后放置在棋盤上，執(zhí)行完畢，機(jī)械臂端點(diǎn)回零，棋盤執(zhí)行翻轉(zhuǎn)，然后數(shù)據(jù)信息清除，設(shè)備自行還原，等待新的人機(jī)界面操作內(nèi)容。圖5為最終自動執(zhí)行完的象棋排布結(jié)果，可以看出并聯(lián)機(jī)器人成功按照給定的布局圖案完成了實(shí)際棋子的排布，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié)語

本文以一種基于機(jī)器視覺的并聯(lián)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺為研究對象，根據(jù)控制要求，采用模塊化設(shè)計(jì)，完成了樣機(jī)制作，編寫了軟件程序，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面。測試結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行正常，滿足了預(yù)定設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備集機(jī)器視覺系統(tǒng)、PLC、HMI、電機(jī)、傳感器等于一體，具有較強(qiáng)的趣味性，既可用于單獨(dú)課程的教學(xué)，亦可作為學(xué)生綜合項(xiàng)目訓(xùn)練時使用。文中的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法對于類似機(jī)器人的研制具有一定的參考意義。

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收稿日期：2019-12-19

作者簡介：徐伊岑（1982—），女，湖南長沙人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)。