工業(yè)機器人實驗平臺設計分析

李開陽

（貴州裝備制造職業(yè)學院,貴州 貴陽 550008）

1 前言

在《中國制造2025》提出之后，中國制造業(yè)已經朝著智能化時代方向不斷發(fā)展。在工業(yè)自動化領域中，機器人集中了自動化技術、信息技術等各種技術，2020年，我國工業(yè)機器人總量已經超出100萬臺。在工程領域中，工業(yè)機器人需要大量具備機器人應用能力以及操作技術人才提供支撐，我國各大高校陸續(xù)開設機器人專業(yè)以及相關技術課程。所以，需要充分考慮現代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，在工程課程體系中充分引進機器人實訓項目，充分創(chuàng)新工程教育，為新工科建設提供服務。

工程訓練活動主要以實踐活動為主，借助訓練充分提高學生工程素質。所以，需要不斷增加學生實踐學時的比重，為所有學生提供良好實操平臺與機會。但是，機器人和相關配套設備采購成本高，一些地方高校的實訓中心工業(yè)機器人采購數量較少，無法保證所有學生獲得良好獨立操作機會[1]。而Delta工業(yè)機器人為輕載、高速并聯機器人，通常借助視覺系統(tǒng)以及示教編程完成目標物體捕捉人物，通過3個伺服軸（并聯）對TCP空間位置進行確定，以搬運、加工目標物體，在電子產品、藥品、食品等行業(yè)裝配、包裝作業(yè)環(huán)節(jié)具有廣泛應用。

基于Syamac Studio軟件的Delta工業(yè)機器人平臺，借助NJ控制器中EtherCAT通信端口，有效保證伺服驅動器、控制器和圖像處理系統(tǒng)數據傳輸效率，并提高控制精度，可以對快速移動工件進行準確、在線拾取。另外，因為控制一體化，促使編程語言更加統(tǒng)一，以維護與開發(fā)角度分析，充分強化維護性與實時性。同時借助Syamac Studio軟件，通過簡單設定即能夠合理配置伺服、網絡、控制器和其他設備，借助內部功能塊就能夠實現復雜條件下運控目標，同時可以借助NS對仿真功能與模擬功能進行統(tǒng)合處理，充分保證程序調試效率。在實際現場中，借助標準RJ45連接器，就能夠對控制器和現場設備展開快速、便捷連接，所以兩者有機結合能夠充分將實際教學中Delta工業(yè)機器人應用價值發(fā)揮出來。

現階段，我國工業(yè)機器人實驗平臺，一般以機器人運行原理和組成結構的介紹為主，還有串聯工業(yè)機器人的編程示教，基本上不會涉及機器人實際應用技能與知識。而本文建立的機器人實驗平臺能夠對不同并聯機器人的應用展開靈活實驗，并應用機器人分揀技術機器視覺技術，可以充分模擬生產現場工況，將學生學習興趣充分激發(fā)出來。

2 工業(yè)機器人實驗平臺構建目標與技術支撐

2.1 工業(yè)機器人實驗平臺構建目標

為了促使機器人學科教育課程能夠將自身創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式充分發(fā)揮出來，按照高校教學改革以及教學質量部署情況，根據職能系統(tǒng)、模式識別以及控制理論等學科點，將工業(yè)機器人實驗平臺設計與建設作為特色鮮明、一定規(guī)模、開發(fā)共享以及體系完整的人才培養(yǎng)的重要途徑，充分實現計算機科學、自動化技術專業(yè)創(chuàng)新人才與高層次人才的培養(yǎng)，主要目標為：①構建特色突出的將工業(yè)機器人操作作為多學科融合、載體的教學平臺，為計算機、自動化以及其他相關專業(yè)學生提供良好實驗學習平臺。②構建重視創(chuàng)新能力、開放、高起點、高標準的學生科技學習平臺，并為教師教學改革提供良好研究平臺。

進行創(chuàng)新教學活動，借助融合不同學科，進行指導模式、教學機制建設以及教學方法改革，構建高效、系統(tǒng)、科學的創(chuàng)新、高素質人才培養(yǎng)系統(tǒng)，深入探索素質、能力、知識協調的人才培養(yǎng)機制，不僅引導學生掌握豐富的基礎知識，同時具有良好實踐能力[2]。

2.2 技術支撐

該實驗平臺中一項重要技術就是機器視覺。（1）圖像處理。機器視覺本質主要是對圖像中重要信息進行描述與解釋，核心內容就是圖像處理以及識別等。與處理圖像，能夠將原始圖像中一些噪聲、干擾等充分消除，促使圖像能夠滿足用戶的期望，在圖像處理中，圖像識別屬于中介階段，本質是從圖像至圖像特征之過程，比如點、線以及面。借助特征能夠對圖像中物體邊界信息進行提取，借助“面”特征可以對圖像區(qū)域信息進行提取，所有通過圖像特征可以實現圖像識別。（2）攝像頭標定。基于確立圖像像素坐標下的一點和該點在3D空間中坐標映射關系。該技術借助3D空間中已知點和其在圖像坐標系中相應像素坐標，同時根據3D成像模型進行標定計算。其內部闡述可以對空間景物和圖像像素點的關系進行描述，外部闡述可以對機械人坐標系中的攝像頭坐標系進行描述，兩者共同對3D空間中某點相對2D坐標映射關系進行確定。

3 實驗平臺硬件構成

以Delta機器人為例。機器人實驗平臺涵蓋編程設備、OMRON視覺檢測平臺、4軸Delta機械手、OMRON自動化控制系統(tǒng)。

3.1 OMRON機器視覺檢測系統(tǒng)

主要涵蓋：以FZ3—350 Z為基礎圖像傳感器控制器以及FZ—SC2系列中，200萬像素照相機、相關通訊電纜、顯示器、光源以及鏡頭等，如圖1所示。

3.2 4軸Deltal機械手

涵蓋4軸Delta機械手的本體以及外圍流水線的機架（涵蓋位置檢測傳感器、電機、變頻器以及旋轉編碼器）等

3.3 OMRON自動化控制系統(tǒng)

涵蓋以NJ501-4310CPU機械手為基礎的，專用主機電源、CPU主機模塊、觸摸屏、開關量輸出/輸入模塊、接線端子、開關、傳感器、伺服電機、繼電器等附件[3]。

圖1 實驗平臺實物圖

4 工業(yè)機器人運行原理

4.1 Deltal機械手結構

Deltal工業(yè)機器人機械部分涵蓋可動支架、機械臂、固定支架等結構。伺服電機數量為3臺，對A0、A1以及A2關節(jié)進行驅動，進而有效定位活動機架。結合需求，將選裝頭安裝于活動機架中，借助固定支架中伺服電機，并借助傳動軸對抓具中心轉動進行控制，見圖2。

4.2 Deltal機械手動作流程

Delta工業(yè)機器人工作軌跡見圖3。

由任意點A開始向任意點B進行傳送，之后做門型動作，兩點坐標分別為：（X1、Y1、Z1）與（X2、Y2、Z2）。其中（X1、Y1、Z1）是Pick位置，（X2、Y2、Z2）是Pleace位置。采用以下方法進行往復動作：①移動絕對位置，由現階段位置到（X2、Y2、Z2）位置之間移動絕對位置。②（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作，即輸送帶傳輸。由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開門型動作，其中某點（X2、Y2、Z2）主要示意傳輸帶中工件坐標，傳輸帶以及機械手同步運動。③（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作，定點間，由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開門型動作。

圖2 Deltal工業(yè)機器人機械手坐標系與結構

圖3 Delta工業(yè)機器人工作軌跡

4.3 Deltal工業(yè)機器人機械拾取原理

工業(yè)機器人選擇NJ系列CPU模塊主要使用以下坐標系：

（1）軸坐標系，ACS。若是固定支架平面和主動臂方向相同，則該位置是0度，其中上側是負方向，下側是正方向，各個軸相等。另外結合該坐標系進行軸伺服驅動器設定。

（2）機床坐標系，MCS。（Xm，Ym，Zm）笛卡爾坐標系即MCS，其和ACS轉換關系是確定的。

（3）客戶坐標系，UCS。該坐標系屬于虛擬坐標系，基于視覺坐標系、機床坐標系中，工件坐標統(tǒng)一向客戶坐標系進行轉化，坐標為（Xu，Yu，Zu），便于機械手借助視覺檢測有效拾取傳送帶中移動工件。輸送帶工作方向與客戶坐標軸Xu方向相同，原點可以選擇機床坐標系進行設計。按照傳輸帶中MCS坐標，即（Xmi，Ymi，Zmi），對客戶坐標系和機床坐標系之間相對偏角度進行計算，進而對客戶坐標系進行確定。通過“FB_3D_Coordinate_Conver”功能塊開展角度計算，通過“MC_DefineCoordSyste”功能塊對坐標系進行確定。

視覺傳感器能夠對借助輸送帶傳入到視野區(qū)域內相關工件進行識別，結合輸送帶位置對NJ控制程序中視覺觸發(fā)信號進行確定，進而在輸送帶移動規(guī)定長度時，向視覺控制器發(fā)送信號，將視覺拍照功能觸發(fā)。對觸發(fā)時刻的工件攝影坐標與傳送帶位置進行確定之后，結合相關式子：工件現階段位置=拍攝坐標+輸送帶現階段位置-輸送帶觸發(fā)時刻位置，若是通過循環(huán)計算方法獲得的工件現階段位置處于機械手能夠進行抓取的區(qū)域中情況下，將抓取信號發(fā)出，通過計算所獲得工件現階段位置是抓取目標坐標位置[4]。

5 工業(yè)機械人實驗的功能

5.1 搬運門型物料的實驗

Deltal工業(yè)機器人對目標工件進行抓取時，運動軌跡主要是“門”字形。在該系統(tǒng)中點A（）&點B（X2、Y2、Z2）運動軌跡見下圖。其中，點為Pick點，點B為Place點。

圖4 Pick（X1、Y1、Z1）&Place（X2、Y2、Z2）運動軌跡

其中點A是Pick位置，而點B是Place位置，對于點C是動作流程相關結束位置。通過視覺處理獲得（X1、Y1、Z1）位置，用戶自由設定點B位置以及點C位置。在視覺傳感器發(fā)現工件之后，對MC_LinearConveyor指令進行執(zhí)行，傳輸帶和機器人的動作同步，見圖中①與②。在經過軌跡目標時間之后，若是工件反饋位置和設定目標位置相同，則對MC_SyncOut指令進行執(zhí)行，選擇同步停止手段將同步接觸，見圖中動作③。之后對MC_MoveTimeAbsolute指令進行執(zhí)行，朝著B點位置進行門型動作，若是基于指定時間運行至B點，則機械手TCP向FALSE進行轉變，見圖中動作④。再借助C_MoveTimeAbsolute指令的執(zhí)行，移動到C點位置，見動作⑤，此時該動作流程完成。在傳感器發(fā)現另一個工件之后，見動作⑥，機械手對點A展開門型動作，動作原理與①相同，只是點C變?yōu)殚_始位置。對（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作進行循環(huán)，在停止指令發(fā)送出來之后，停止循環(huán)動作。

5.2 在線視覺的分揀實驗

選擇視覺方法確定坐標，同時對機械手抓取動作進行控制過程中，應該對機械手和視覺的坐標系進行統(tǒng)一，之后根據傳送帶的移動距離對觸發(fā)視覺進行間隔，按照循環(huán)計算數據，通過機械手對可抓區(qū)域中工件進行抓取。該系統(tǒng)借助視覺處理能夠準確判斷缺陷、顏色以及形狀合格性，進而決定是否執(zhí)行工件抓取指令，也能夠對流動工件進行抓取。另外，對傳輸帶上工件擺放姿勢進行識別，將偏離角度輸出，通過機械手抓取，借助伺服軸的旋轉達到定點擺放目的。

6 結語

綜上所述，Deltal工業(yè)機器人屬于良好實驗平臺，具有高精度與高效等特點，和現代工業(yè)發(fā)展速度緊密結合，教師可以引導學生學習相關課程以及實驗，即可以對機器人運行原理進行充分了解與掌握，為學生未來學習以及工作夯實基礎。在該系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)均滿足現階段自動化系統(tǒng)智能化、可重構、模塊化以及開放式發(fā)展趨勢，掌握高速網絡通信、自動控制、計算機以及機器人等技術，為未來機械人自動化生產活動積累經驗，不斷拓展新型產業(yè)中工業(yè)機器人應用空間。