基于視覺(jué)隨動(dòng)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究

李野

摘要：通過(guò)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在抓取效率與識(shí)別精度方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合隨動(dòng)跟蹤技術(shù)完成在線實(shí)時(shí)跟蹤，本文結(jié)合視覺(jué)技術(shù)與隨動(dòng)跟蹤技術(shù)并應(yīng)用SCARA機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)物體的自動(dòng)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)抓取、準(zhǔn)確裝箱，對(duì)研究機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)也為機(jī)器人其他應(yīng)用方向提供一種有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;視覺(jué);跟隨運(yùn)動(dòng)

0? 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在分揀裝箱領(lǐng)域?qū)π实囊?、靈活性的要求也越來(lái)越高，以往的分揀裝箱系統(tǒng)采用物料停止-對(duì)中的模式，這種模式大大的增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)設(shè)備的頻繁啟停、反復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)使用壽命有較大影響。如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別-跟隨抓取對(duì)分揀裝箱系統(tǒng)具有重要的意義，本文結(jié)合視覺(jué)定位技術(shù)、隨動(dòng)跟蹤技術(shù)，并應(yīng)用SCARA機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一套完整的分揀-裝箱系統(tǒng)，為機(jī)器人在行業(yè)中的應(yīng)用提供有效的解決辦法。

1? 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)通過(guò)視覺(jué)攝像機(jī)對(duì)物體進(jìn)行拍照處理，獲取物體圖像信息，模擬人眼視覺(jué)的功能，通過(guò)視覺(jué)傳感、圖像采集、圖像處理等多個(gè)環(huán)節(jié)[1，2]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)定位、識(shí)別、分類(lèi)、比對(duì)，最終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果下發(fā)給執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)物體的抓取、擺放等動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的圖像模板，進(jìn)行圖像的匹配，通過(guò)圖像匹配實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別，同時(shí)在結(jié)合系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的計(jì)算，工作原理如圖1所示，最終計(jì)算出位姿偏差。

在2D視覺(jué)應(yīng)用中，如圖2所示，標(biāo)定物體坐標(biāo)參數(shù)點(diǎn)A，并通過(guò)上述圖像匹配方法，獲取圖像位姿信息，計(jì)算出圖像位姿點(diǎn)B，通過(guò)點(diǎn)A與點(diǎn)B在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的差值，最終可以計(jì)算出目標(biāo)物體偏差值△x，△y，△θ，即平面物體的三個(gè)位姿偏差數(shù)據(jù)，將偏差發(fā)送給執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的搬運(yùn)抓取。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)能夠采集制造過(guò)程中的多個(gè)圖像[3]并通過(guò)各系統(tǒng)中的坐標(biāo)系變換，得到目標(biāo)物體的位姿信息，可使執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓取目標(biāo)物體的準(zhǔn)確度得到很大程度的提高。

2? 隨動(dòng)跟蹤技術(shù)

執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)定的速度，在一定范圍內(nèi)能夠與已知的理想軌跡相一致[4，5]，并以相同的速度與運(yùn)動(dòng)物體共同運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌跡路徑的跟蹤過(guò)程，通過(guò)軌跡的跟蹤，能夠完成目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)抓取過(guò)程，動(dòng)態(tài)的抓取過(guò)程能夠很大程度上提升抓取的效率，同時(shí)隨動(dòng)控制方式與機(jī)器人相結(jié)合，能夠更大限度的提升機(jī)器人的應(yīng)用空間及場(chǎng)景。

執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)起點(diǎn)為C1，在t1時(shí)刻，目標(biāo)物體的起點(diǎn)位置為A，在△t時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)物體到達(dá)B點(diǎn)，同時(shí)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在B點(diǎn)位置與目標(biāo)物體速度相同，從而實(shí)現(xiàn)在△t時(shí)間內(nèi)跟蹤到目標(biāo)物體的目的，如圖3所示在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中目標(biāo)物體是以恒定的速度v運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、行程等因素限制，在△t時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的距離不能超出其運(yùn)行最大行程范圍，一旦超出執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將無(wú)法在有效的時(shí)間內(nèi)跟蹤到目標(biāo)物體。

3? 結(jié)合視覺(jué)、隨動(dòng)跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)輸送的目標(biāo)物體進(jìn)行拍照，確定目標(biāo)物體的位姿，并以SCARA機(jī)器人作為目標(biāo)物體搬運(yùn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的自動(dòng)識(shí)別與定位，同時(shí)通過(guò)隨動(dòng)跟蹤技術(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟隨運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的動(dòng)態(tài)抓取過(guò)程，保證了目標(biāo)物體的連續(xù)運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)布置如圖4所示，其中實(shí)線部分為視覺(jué)拍照區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的視覺(jué)定位，點(diǎn)劃線區(qū)域?yàn)楦S抓取區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物體的跟隨運(yùn)動(dòng)及抓取動(dòng)作，目標(biāo)物體以四個(gè)為一組放置到指定料盒中，圖4中圓形標(biāo)記位置為目標(biāo)物體的放置料盒，同樣料盒定位方式任然以視覺(jué)拍照方式進(jìn)行精確定位，確定放置位置的準(zhǔn)確性。

在本系統(tǒng)中，設(shè)定視覺(jué)系統(tǒng)的拍照視場(chǎng)為800*800mm，物體在此區(qū)域內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體位置信息的確定，由于視覺(jué)系統(tǒng)受到環(huán)境光照影響比較大，為保證在視覺(jué)拍照時(shí)能夠具有一個(gè)良好的環(huán)境光照條件，將視覺(jué)相機(jī)的拍照區(qū)域設(shè)定成封閉區(qū)域并加以遮光防護(hù)，保證系統(tǒng)能夠在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境光照下，確保目標(biāo)物體圖像采集的穩(wěn)定性。另外，由于SCRAR機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍限制，在機(jī)器人工作的有效區(qū)域內(nèi)，均可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的跟蹤抓取，一旦SCARA機(jī)器人的跟隨位姿點(diǎn)超出其運(yùn)動(dòng)范圍，機(jī)器人系統(tǒng)將自動(dòng)漏過(guò)該物體，以便后續(xù)物體的抓取。在SCARA機(jī)器人系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人的跟隨距離、跟隨速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)SCARA機(jī)器人參數(shù)的匹配，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的跟隨運(yùn)動(dòng)，完成物體的運(yùn)動(dòng)跟蹤抓取過(guò)程。

為保證物體輸送的穩(wěn)定性及可靠性，以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，采用同步帶傳動(dòng)方式，減少帶傳動(dòng)打滑現(xiàn)象，從而提高物體輸送精度，保證了目標(biāo)物體輸送的穩(wěn)定與可靠，并且與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，配置穩(wěn)定運(yùn)行線速度，有利于提高抓取的準(zhǔn)確性與跟隨運(yùn)動(dòng)的可靠性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)搬運(yùn)目標(biāo)物體的材質(zhì)、重量、形狀等信息，采用真空吸附的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的快速抓取搬運(yùn)，為了實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)過(guò)程，采用快速響應(yīng)電磁閥及大流量真空發(fā)生器，同時(shí)配備有真空壓力反饋，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制原理如圖5所示。

利用SCARA機(jī)器人的快速響應(yīng)，使得該生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍能夠達(dá)到3.5s每件，可在有效的時(shí)間內(nèi)對(duì)來(lái)料進(jìn)行分揀搬運(yùn)，同時(shí)保證了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免輸送系統(tǒng)重復(fù)啟停，大大提高了生產(chǎn)線的效率。同時(shí)，該系統(tǒng)的建立解決了生產(chǎn)工位單調(diào)、重復(fù)的勞動(dòng)模式，生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)用工減少每班3人次，每天6人次的用工，極大的提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)、隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的闡述，并應(yīng)用兩種技術(shù)在機(jī)器人快速識(shí)別分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用，為無(wú)序分揀、動(dòng)態(tài)分揀提供了一個(gè)良好的應(yīng)用案例，為其技術(shù)在相關(guān)行業(yè)中的推廣及應(yīng)用起到示范作用，為機(jī)器人在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)良好的解決方案。

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