基于砝碼手柄識(shí)別及抓放控制系統(tǒng)的研制

黃現(xiàn)云 董晨光 朱浩 蔣曦初 李家沛 / 蘇州市計(jì)量測(cè)試院

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人自動(dòng)化、智能化不斷提高，機(jī)器人的應(yīng)用滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)[1][2]等各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)量測(cè)試也不斷地涉及尖端的科學(xué)和高新技術(shù)領(lǐng)域，以此解決傳統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中效率不高，測(cè)試效率滿(mǎn)足不了社會(huì)需求的狀況。衡器中公斤砝碼的檢測(cè)量較大，因此針對(duì)公斤砝碼，傳統(tǒng)檢測(cè)中每位檢測(cè)員每天需累計(jì)搬動(dòng)數(shù)噸砝碼，效率低下且易使檢測(cè)員落下腰肌勞損等疾病。本單位設(shè)計(jì)的公斤砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可以解決上述問(wèn)題。公斤砝碼的抓取是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵[3][4]，基于機(jī)器視覺(jué)的砝碼手柄識(shí)別，結(jié)合切換控制策略的變滑模柔性控制算法技術(shù)在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，很好地解決了砝碼手柄難以識(shí)別、不易抓取和放置過(guò)硬導(dǎo)致比較儀錯(cuò)誤示值的問(wèn)題。

1 圖像處理

圖像處理的目的是將攝像機(jī)捕獲的砝碼圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，并對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行降噪、特征提取、識(shí)別等運(yùn)算，然后識(shí)別出目標(biāo)信號(hào)，并且計(jì)算出目標(biāo)砝碼的大小、形狀、尺寸等類(lèi)型、空間位置以及位姿等信息，如圖1所示。

1.1 識(shí)別與定位

機(jī)器人對(duì)目標(biāo)手柄的準(zhǔn)確抓取，首先機(jī)器人必須獲得待抓取砝碼手柄相應(yīng)的類(lèi)型、空間位置以及位姿數(shù)據(jù)信息，機(jī)器人通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)砝碼的圖像采集，然后通過(guò)算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征信息的提取與處理，計(jì)算出砝碼手柄的類(lèi)型、空間位置及位姿等信息，將這些信息反饋給控制系統(tǒng)以控制機(jī)器人抓手抓取砝碼。

圖1 砝碼圖像處理流程

砝碼手柄的識(shí)別與定位系統(tǒng)，采用CCD攝像機(jī)、鏡頭和視覺(jué)系統(tǒng)控制器件組成。視覺(jué)系統(tǒng)控制器將圖像采集卡集成于圖像處理器中，處理器采用TI的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和艾佐凱爾的可編程邏輯陣列（FPGA）協(xié)同處理方式，速度快且運(yùn)行穩(wěn)定，使其滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)性應(yīng)用需求。

1.2 目標(biāo)追蹤

本系統(tǒng)目標(biāo)追蹤首先要確定工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)方案。本系統(tǒng)需要對(duì)圖2中砝碼手柄進(jìn)行快速定位與抓取，將砝碼向比較儀上放置及取下的時(shí)候，需要快速、實(shí)時(shí)、精確地計(jì)算出砝碼與比較儀的距離，實(shí)現(xiàn)快速搬運(yùn)、輕取輕放，視覺(jué)方案選擇單目Eye-to-Hand視覺(jué)方案，將攝像機(jī)固定在手臂下方，通過(guò)對(duì)砝碼的拍攝圖像進(jìn)行處理檢測(cè)，并計(jì)算出砝碼手柄坐標(biāo)系位置以及砝碼相對(duì)于比較儀待放砝碼位置的坐標(biāo)系位置，將信息反饋到控制系統(tǒng)，控制器據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼抓放操作。

圖2 目標(biāo)砝碼

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及抓手控制

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器人為根據(jù)實(shí)驗(yàn)室空間及砝碼、比較儀等信息自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人，機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)5～25 kg砝碼形狀及質(zhì)量特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇交叉型叉形結(jié)構(gòu)叉手，以保證叉取砝碼的時(shí)候不會(huì)掉脫。

圖3 機(jī)器人手臂

本系統(tǒng)的機(jī)械手臂需要進(jìn)行抓取、提升和搬運(yùn)三種運(yùn)動(dòng)，其中抓手需夾持砝碼，因此機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)為6個(gè)自由度，即沿X、Y、Z軸三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械臂的總控制器抓放控制采用PID閉環(huán)控制。當(dāng)啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)后，機(jī)器人通過(guò)攝像機(jī)獲取砝碼照片信息，照片信息經(jīng)過(guò)圖像處理器處理，尋找到待檢測(cè)砝碼后，計(jì)算出砝碼手柄的空間位置和機(jī)械抓手的位置，引導(dǎo)機(jī)械手對(duì)砝碼進(jìn)行抓取。

3 切換控制策略的變滑模柔性控制算法

砝碼的抓取如果過(guò)緊，容易對(duì)機(jī)器人叉手和砝碼造成損壞，如果抓得過(guò)松，在機(jī)器人手臂提升及旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中容易擺動(dòng)造成砝碼和叉手的磨損，甚至造成砝碼脫落，或者擺動(dòng)造成和比較儀等設(shè)備相碰撞，影響設(shè)備運(yùn)行和檢測(cè)的正確性，且存在安全隱患。另外，在砝碼接觸比較儀到放置砝碼松開(kāi)、收回抓手，以及從比較儀上抓取砝碼到砝碼完全離開(kāi)比較儀，這兩個(gè)過(guò)程要求放置及抓取動(dòng)作要輕，以免影響比較儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。鑒于此，本系統(tǒng)采用切換控制策略的變滑模柔性控制算法[5]。

圖4 抓取三維模型

圖4中，m為砝碼質(zhì)量；l為砝碼重心到抓手距離；θ為砝碼擺角大小。考慮在室內(nèi)且砝碼質(zhì)量較大，故忽略空氣阻力等因素影響。

圖5 抓手

在機(jī)械臂控制著砝碼主方向的Vx、Vy、Vz的前提下，機(jī)器人通過(guò)系統(tǒng)反饋回來(lái)的砝碼在三維空間的運(yùn)動(dòng)速度、砝碼擺角和質(zhì)量等信息輸入變滑模控制器處理后輸出抓手上作用力ux、uy、uz，以減緩砝碼在抓放、搬運(yùn)過(guò)程中的抖擺現(xiàn)象。

整體上，如圖6所示，在不同的情況下使用不同的控制方法。在抓取砝碼至砝碼離開(kāi)支撐面的過(guò)程中緩慢提升，當(dāng)檢測(cè)到完全離開(kāi)支撐面后按規(guī)劃路徑做加速運(yùn)動(dòng)同時(shí)啟動(dòng)變滑模控制器，當(dāng)砝碼到達(dá)最高速閾值后在空中做快速勻速移動(dòng)，當(dāng)砝碼到達(dá)路徑減速點(diǎn)后做減速運(yùn)動(dòng)，在砝碼到達(dá)比較儀支撐面之前將砝碼速度降到較小的速度，到達(dá)距離最小閾值后關(guān)閉變滑模控制器并緩緩放置砝碼，在整個(gè)加減速、搬運(yùn)過(guò)程中結(jié)合變滑模控制方法防止抓放、搬運(yùn)及加減速過(guò)程造成砝碼的抖擺。抓手終端材料采用彈性襯墊叉手，抓手襯墊內(nèi)置壓力傳感器，抓手通過(guò)直流電機(jī)控制，又通過(guò)圖像采集器獲得砝碼質(zhì)量、擺角，抓取時(shí)根據(jù)壓力傳感器反饋的力度控制抓取力度，在提升、旋轉(zhuǎn)、加速、減速的過(guò)程中，結(jié)合砝碼質(zhì)量和加減速度值計(jì)算后輸出控制抓手的各方向力度。這樣既不會(huì)使砝碼脫落也不會(huì)造成抓手及砝碼的損壞。

圖6 一次抓放控制流程圖

4 應(yīng)用性能分析

4.1 效率及安全性比較

傳統(tǒng)公斤砝碼檢定需要人工搬運(yùn)砝碼，按照J(rèn)JG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》[6]進(jìn)行測(cè)試。本系統(tǒng)只需將公斤砝碼分出等級(jí)后推入實(shí)驗(yàn)室，啟動(dòng)設(shè)備，自動(dòng)按照J(rèn)JG 99-2006進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)取10 kg的M等級(jí)砝碼分別按照人工搬運(yùn)方法和本系統(tǒng)自動(dòng)搬運(yùn)方法進(jìn)行測(cè)試，從人力、時(shí)間、安全性上做比較。由表1可見(jiàn)，機(jī)器人自動(dòng)抓取搬運(yùn)方式較人工搬運(yùn)檢測(cè)在人力、效率和安全性上均有較大優(yōu)勢(shì)。

表1 人力、時(shí)間、安全性分析

4.2 抓取時(shí)間對(duì)比

圖7是分別采用啟動(dòng)變滑模控制器和不采用變滑模控制器完成一次抓取所用的時(shí)間和速度仿真曲線(xiàn)圖。啟用變滑模控制器可以有效控制砝碼抖擺，在保證安全的前提下可以有效縮短速度變化所需要的時(shí)間。從圖中可以看出，采用變滑模控制可以有效縮短一次抓取砝碼的時(shí)間，提高測(cè)試流程中搬運(yùn)效率，縮短整個(gè)測(cè)試流程的時(shí)間。

圖7 一次抓取時(shí)間

4.3 對(duì)比較儀重復(fù)性測(cè)試穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)

對(duì)比較儀重復(fù)性測(cè)試穩(wěn)定性的影響涉及是否引入新的不確定度來(lái)源，直接關(guān)系到該系統(tǒng)是否能夠代替人工應(yīng)用到砝碼搬運(yùn)上。用10 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼和同一臺(tái)比較儀，室內(nèi)溫度20 ℃，濕度為54%的條件下，分別用人工搬運(yùn)和機(jī)器人搬運(yùn)兩種方式，按照J(rèn)JG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》[6]進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)比較儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性影響。圖8中，綠色六角星數(shù)據(jù)為人工搬運(yùn)砝碼測(cè)得的比較儀的數(shù)據(jù)，紅色圓圈數(shù)據(jù)為本文機(jī)器人抓手搬運(yùn)砝碼測(cè)得的比較儀的數(shù)據(jù)。從圖中可明顯看出使用機(jī)器人抓手搬運(yùn)對(duì)比較儀重復(fù)性測(cè)試穩(wěn)定性影響明顯優(yōu)于人工搬運(yùn)。

圖8 比較儀重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文將機(jī)器視覺(jué)結(jié)合切換控制策略的變滑模柔性控制算法應(yīng)用到公斤砝碼抓放、搬運(yùn)上，可以大幅提高搬運(yùn)效率、更小地影響測(cè)試過(guò)程中比較儀的穩(wěn)定性。公斤砝碼的自動(dòng)抓取技術(shù)是公斤砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)的成功應(yīng)用直接解決了公斤砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的抓取準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的問(wèn)題，推動(dòng)了公斤砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用。