工業(yè)機器人實驗平臺設(shè)計

王棟　花文超　李祺　朱劍　王飛　胡澤黎

摘要：為滿足本科生實驗教學(xué)需要，構(gòu)建Delta機器人實驗平臺，平臺配置的OMRON運動控制系統(tǒng)以NJ控制器為中心，通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)將運動、邏輯、視覺控制等功能合而為一，利用軟件Sysmac Studio的配置、編程、仿真、監(jiān)控功能和視覺傳感器的檢測功能，在工業(yè)機器人實驗平臺上完成了“檢測、跟蹤、抓取、搬運”實驗，證明了設(shè)計方案的可行性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；NJ控制器；Sysmac Studio；視覺分揀；物料搬運 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）23-0027-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.012

Delta機器人屬于高速、輕載的并聯(lián)機器人，一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標物體，由三個并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，實現(xiàn)目標物體的運輸、加工等操作，主要應(yīng)用于食品、藥品包裝和電子產(chǎn)品裝配等行業(yè)。

采用Sysmac Studio軟件設(shè)計的Delta機器人控制系統(tǒng)，通過NJ控制器內(nèi)置的EtherCAT高速通信端口，提高圖像處理系統(tǒng)、控制器及伺服驅(qū)動器輸入輸出數(shù)據(jù)處理的速度，實現(xiàn)高速、高精度控制，在線拾取移動速度較快的工件。同時，由于實現(xiàn)了一體化控制，編程語言得到了統(tǒng)一，從開發(fā)和維護的角度來說，提高了實時性和維護性。此外，使用Sysmac Studio軟件平臺，通過簡單的設(shè)定即可完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運動控制，并可使用NS統(tǒng)合模擬及仿真功能，提高程序的調(diào)試效率。而在實際現(xiàn)場，通過使用標準的RJ45連接器，即可將控制器與現(xiàn)場設(shè)備進行簡單快速連接，因此兩者的結(jié)合充分實現(xiàn)了Delta機器人在實際應(yīng)用中的價值。

目前國內(nèi)的機器人實驗平臺主要側(cè)重于機器人的組成結(jié)構(gòu)和原理方面的介紹、串聯(lián)機器人示教編程的設(shè)計，對機器人技術(shù)的應(yīng)用涉及較少，限制了學(xué)生在實驗平臺上的動手機會。本文構(gòu)建的工業(yè)機器人實驗平臺可以進行多項并聯(lián)機器人應(yīng)用方面的實驗，再結(jié)合機器視覺系統(tǒng)，引入機器人分揀的概念，貼近生產(chǎn)現(xiàn)場實際工況，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。

1 實驗平臺的硬件組成

工業(yè)機器人實驗平臺主要由OMRON自動化運動控制系統(tǒng)、4軸Delta并聯(lián)機械手、OMRON機器視覺檢測系統(tǒng)、編程設(shè)備及相關(guān)軟件4個部分組成。包括：

1.1 OMRON自動化運動控制系統(tǒng)

包括：基于NJ501-4310CPU的機械手控制專用CPU主機單元、主機電源、高速計數(shù)單元、開關(guān)量輸入/輸出單元、伺服驅(qū)動器與伺服電機、觸摸屏、相關(guān)電纜，還有部分傳感器、開關(guān)、繼電器及連接線、接線端子等附件。

1.2 4軸Delta并聯(lián)機械手

包括：4軸Delta并聯(lián)機械手本體、外圍流水線機架（兩條輸送帶及控制輸送速度的變頻器、電機、旋轉(zhuǎn)編碼器、位置檢測相關(guān)傳感器等）。

1.3 OMRON機器視覺檢測系統(tǒng)

包括：基于FZ3-350 Z的圖像傳感器控制器，F(xiàn)Z-SC2M系列200萬像素工業(yè)機及相關(guān)鏡頭、光源、顯示器、通訊電纜等。

2 機器人工作原理

2.1 Delta并聯(lián)機械手的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，Delta機器人的機械部分主要由固定支架、機械臂、可動支架三部分組成。三臺伺服電機驅(qū)動A0、A1、A2三個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)活動機架的定位。根據(jù)需要，在活動機架上還可以安裝旋轉(zhuǎn)頭，由安裝在固定支架上的第四個伺服電機通過傳動軸控制抓具（TCP）中心轉(zhuǎn)動。

2.2 Delta并聯(lián)機械手的動作流程

如圖3所示，從任意的點A（X1、Y1、Z1）開始到達傳送帶上的任意的點B（X2、Y2、Z2）為止進行門型動作。點A為Pick位置、點B為Place位置。往復(fù)動作的方法如下：（1）絕對位置移動。從當前位置到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行絕對位置移動；（2）Pick&Place動作（輸送帶跟蹤）。從某一點（X1、Y1、Z1）到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行門型動作，某一點（X2、Y2、Z2）示意的是傳輸帶上的工件坐標，機械手與傳輸帶同步運動；（3）Pick&Place動作（定點間）從某一點（X1、Y1、Z1）到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行門型動作。

2.3 Delta機械手的拾取原理

機器人用NJ系列CPU單元中使用以下三種坐標系：

2.3.1 軸坐標系（ACS）。機械手主動臂與固定支架平面在同一方向時的位置為0度，下側(cè)為正方向，上側(cè)為負方向，所有軸均相同。軸伺服驅(qū)動器也根據(jù)此坐標系設(shè)定，如圖4所示：

2.3.2 機床坐標系（MCS）。如圖2所示（Xm，Ym，Zm）的笛卡爾坐標系就是機床坐標系（MCS），與軸坐標系（ACS）有確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2.3.3 用戶坐標系。用戶坐標系（UCS）是虛擬坐標系，工件在機床坐標系和視覺坐標系中的坐標將統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成用戶坐標系的坐標（Xu，Yu，Zu），以方便機械手對傳送帶上的移動工件通過視覺檢測來拾取。用戶坐標系的Xu軸和輸送帶運行方向一致，原點可以設(shè)計成和機床坐標系相同。根據(jù)輸送帶上三個點MCS坐標（Xmi，Ymi，Zmi）計算出用戶坐標系相對機床坐標系的偏轉(zhuǎn)角度（Rx，Ry，Rz），從而確定用戶坐標系。角度計算用功能塊“FB_3D_Coordinate_Conver”，確定坐標系用功能塊“MC_DefineCoordSystem”。

如圖5所示，視覺傳感器可以識別通過輸送帶進入視野區(qū)域中的工件，來自于NJ控制程序的視覺觸發(fā)信號根據(jù)輸送帶位置確定，輸送帶每移動一個固定的長度，發(fā)送一個信號給視覺控制器，觸發(fā)視覺拍照。獲取觸發(fā)時刻輸送帶位置和工件拍攝坐標后，根據(jù)公式：輸送帶當前位置-觸發(fā)時刻輸送帶位置+拍攝坐標=工件當前位置，當循環(huán)計算出來的工件當前位置在機械手可抓取區(qū)域內(nèi)時，發(fā)出機械手抓取信號，抓取的目標位置為計算出的工件當前位置。

3 機器人實驗功能

3.1 門型物料搬運實驗

Delta機械手抓取目標工件時，以走門字形運動軌跡為主。本系統(tǒng)Pick&Place動作軌跡規(guī)劃如圖6所示，其中點A為Pick位置、點B為Place位置，點C為一個動作流程的結(jié)束位置。其中點A的位置由視覺處理分析獲得，而點B和點C位置由用戶設(shè)定。當視覺傳感器檢測到工件時，執(zhí)行MC_SyncLinearConveyor指令，機器人與輸送帶做同步動作，機器人從當前位置追隨工件，追上后抓取工件，并與輸送帶繼續(xù)同步動作，如圖示動作①和②。經(jīng)過軌跡目標時間后，工件當前反饋的位置與指令設(shè)定的目標位置一致時，執(zhí)行MC_SyncOut指令，采用同步停止的方式解除同步，如圖示動作③。然后執(zhí)行MC_MoveTimeAbsolute指令，向點B做門型動作，當在指定時間內(nèi)到達B點時，機械手的TCP變?yōu)镕ALSE，如圖示動作④。再通過C_MoveTimeAbsolute指令，向B點正上方的C點進行移動，如圖示動作⑤，此時一個動作流程結(jié)束。當傳感器檢測到下一個工件時，如圖動作⑥所示，機械手向A點進行門型動作，動作原理同動作①，只是此時的開始位置變成了點C。如此循環(huán)執(zhí)行Pick&Place動作，直到有停止指令。

3.2 在線視覺分揀實驗

在使用視覺獲取坐標并控制機械手進行抓取時，首先統(tǒng)一視覺與機械手兩者之間的坐標系，然后按輸送帶移動長度定間隔觸發(fā)視覺，根據(jù)循環(huán)計算的結(jié)果，控制機械手在可抓取區(qū)域抓取工件。本系統(tǒng)可通過視覺處理進行工件形狀、顏色、缺陷的NG（合格性）判斷，決定是否對工件進行抓取，也可以抓取流動的混合工件定點擺放。同時通過識別工件在輸送帶上的擺放姿勢，輸出位置偏移角度數(shù)據(jù)，控制機械手抓取后，通過旋轉(zhuǎn)伺服軸實現(xiàn)定位擺放。

4 結(jié)語

Delta機器人作為大學(xué)生實驗平臺，其高效、高精度的特點與現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展緊密結(jié)合，學(xué)生通過相關(guān)課程學(xué)習(xí)和實驗?zāi)軌蛄私夂褪煜elta機器人的原理，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。

項目中軟硬件系統(tǒng)均符合當前自動化系統(tǒng)開放式、模塊化、可重構(gòu)和智能化等發(fā)展趨勢，掌握應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、高速實時網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)，為后續(xù)開發(fā)這類自動化生產(chǎn)線提供典型案例和積累經(jīng)驗，開辟機器人在新型產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的廣闊前景。

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作者簡介：王棟（1994-），男，四川巴中人，江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：機械電子工程。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）