工業機器人自動裝配系統的研究與設計

金 鑫

（黃岡職業技術學院，湖北 黃岡，438002）

1 設計背景

在工業應用中，隨著工業機器人技術的發展，對機器人裝配系統的要求越來越高，自動裝配系統要求精度高、穩定性好且自動化程度也要高；并且隨著工業機器人裝配技術廣泛應用在智能制造的各個領域，例如大到航空航天設備制造、小到微米級的電子元件設備制造等，機器人裝配技術有了較好的發展及應用，但是現有機器人裝配系統容易產生噪音及粉塵，影響生產環境。為解決這個問題，一般需要安裝降噪模塊（片式消聲器及噪聲傳感器）和吸塵模塊（真空吸塵器及粉塵濃度傳感器），但因裝配環境惡劣，隨著粉塵累積，傳感器性能不穩定，導致吸塵、降噪效果不明顯，且能耗較高。因此，為提高效率，開發了一種工業機器人自動裝配系統。

2 工業機器人自動裝配系統設計方案

2.1 設計思路

本設計由主控、數據采集、視覺采集、測距、吸塵、降噪等6 個模塊組成，系統結構如圖1 所示；其中視覺采集、測距、吸塵、降噪模塊安裝在隔音墻上，隔音墻由蜂窩隔音材料及隔音玻璃組成，隔音墻模型如圖2 所示；機器人裝配系統[1]放置于隔音墻組成的裝配空間內；其中數據采集模塊為高清攝像頭，測距模塊內置激光測距儀，吸塵模塊內置真空吸塵器及粉塵濃度傳感器，降噪模塊由隔音墻、噪聲傳感器及片式消聲器組成測距、視覺模塊連接于數據采集模塊上，并與主控集成于總控柜中，系統結構模型如圖3 所示。

本設計難點在于如何利用測距、視覺采集、數據采集和主控模塊提高在非高斯噪聲下識別數字調制信號的能力，要求能從信號集{2FSK、BPSK、MSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM} 中識別出的QPSK，8PSK，16QAM 和64QAM 等信號，以此來提高系統控制精度[2]，實現分段式除塵、降噪，節能降耗、改善裝配環境、提高生產效率。

圖1 工業機器人自動裝配系統結構示意圖

圖2 隔音墻模型圖

圖3 系統結構模型圖

2.2 各模塊功能

2.2.1 測距模塊

測距模塊連接在數據采集模塊端口上，通過激光測距儀測量周圍空間距離。

2.2.2 視覺采集模塊

視覺采集模塊也連接在數據采集模塊端口上，利用高清攝像頭進行裝配環境監控；本設計高清攝像機除安裝在蜂窩隔音墻上之外，在工業機器人手臂前端也安裝一臺高清攝像機，以便于通過機器人視覺系統[3]實現自動裝配，工業機器人自動裝配視覺系統模型如圖4 所示。

圖4 工業機器人自動裝配視覺系統模型圖

本設計將偏微分方程圖像降噪的混合模型應用在視覺采集模塊，原理如下：

各向同性擴散是非常典型的PDE 降噪模型，其能量泛函表達式為：

其對應的方程為：

因為各向同性擴散降噪模型在各個方向上具有相同的擴散度，因此在去除噪聲的同時會濾除圖像中的重要細節。

混合降噪模型使用加權方法，通過平衡PM和TV 模型獲得其能量函數，并通過最小化能量函數來降低噪音。能量函數的表達式為：

其中k0和L 是常數，Δt 是步長，N 是迭代次數，相對應的參數表達式為：

相對應的歐拉方程為：

根據梯度下降[4]流法，新模型可以寫為以下方程式：

2.2.3 數據采集模塊

主控、視覺采集和測距模塊等均連接在數據采集模塊上，它能將在測距、視覺模塊中采集到的信號進行A/D 轉換并將其發送到主控模塊。

2.3.4 主控模塊

數據采集、吸塵和降噪模塊均連接在主控模塊上，它將根據采集到的信息控制并優化機械裝配過程；主控模塊包含方向控制、裝配調度、夾持和無線通信等模塊。其中用于操作控制方向的是方向控制模塊；用于實行裝配調度操作的是裝配模塊；通過機械手臂實現工業機器人夾持工具操作的是夾持模塊；通過無線方式進行控制操作的是無線通信模塊。其具體方法與步驟如下：

2.2.5 吸塵模塊

吸塵模塊內置真空吸塵器及粉塵濃度傳感器；吸塵模塊連接在主控模塊上，通過內置的真空吸塵器清潔環境中的粉塵。

2.2.6 降噪模塊

降噪模塊由隔音墻、噪聲傳感器及片式消聲器組成；同時，降噪[6]模塊也連接在主控模塊上，它通過隔音墻和消音器消除工業機器人自動裝配過程中所產生的各種噪音。

3 系統工作流程

首先，測量模塊通過激光測距儀測量周圍空間距離；同時視覺采集模塊利用攝像機進行裝配環境監控。

其次，數據采集模塊將在測距、視覺模塊中采集到的信號進行A/D 轉換[7]并將其發送到主控模塊。

再次，主控模塊根據采集到的數據信息，對控制方向、裝配調度、夾持模塊對機械裝配過程進行調度，并通過無線通信模塊實現遠程控制。

最后，系統在裝配過程中所產生的噪音和粉塵，則將通過降噪模塊和吸塵模塊來進行消除和清理。其中吸塵模塊通過內置的真空吸塵器清潔環境中的粉塵；降噪模塊通過消音器消除工業機器人自動裝配過程中所產生的各種噪音, 工業機器人自動裝配系統工作流程如圖5 所示。

圖5 工業機器人自動裝配系統工作流程圖

4 設計創新點及科學性、先進性分析

4.1 設計創新點

4.1.1 增加蜂窩隔音墻，可保證基本降噪隔音效果。

4.1.2 增加測距模塊，通過激光測距儀測量周圍空間距離。

4.1.3 增加視覺[8]采集模塊，利用攝像機進行裝配環境監控。

4.1.4 增加數據采集模塊，可分類識別出在Al pha 穩定分布噪聲下的數字調制信號，信號識別能力強，以此來提高系統控制精度，實現分段式除塵、降噪，節能降耗、改善裝配環境、提高生產效率。

4.2 設計科學性分析

本設計在原有系統中增加了蜂窩隔音墻，可保證基本降噪隔音效果；另新增測距、視覺采集及數據采集模塊，通過激光測距儀測量周圍空間距離；利用高清攝像頭進行裝配環境監控；通過數據采集模塊將數據進行A/D 轉換并調制，再通過提高數字調制信號識別能力，提高控制精度，實時調整吸塵、降噪模塊的啟、停，實現分段控制，節能降耗、提高效率。

4.3 設計先進性分析

4.3.1 降噪效果明顯

在蜂窩隔音墻外1 米處設置4 個監測點[9]，每個監測點位通過10 次測試，得到結論如下：改裝前平均噪聲為95dB,改裝后為47dB，符合工業企業廠界環境噪聲排[10]放標準（GB12348-2008）。

4.3.2 吸塵效果明顯

通過檢測，改裝后自動裝配室內工業無組織粉塵濃度低于《大氣綜合排放標準》GB16297-1996要求，有效降低粉塵污染。

4.3.3 節能降耗效果好

根據現場環境監測，實現分段式除塵、降噪，平均降低能耗50%。

5 結語

本設計能夠高效完成除塵、降噪，改善裝配環境，并且節能降耗，提高了生產效率，推廣應用前景較好。

5.1 應用價值強

受限于信號采集及信息處理能力，現有自動裝配系統控制精度不穩定，本設計中的信號識別方法可分類識別出在Alpha 穩定分布噪聲下的數字調制信號，而且也解決了處于Alpha 穩定分布噪聲下的信號不具有二階以上統計量的問題；系統調制信號識別能力強，能夠提高主控模塊的控制精度，推廣應用價值強。

5.2 應用范圍廣泛

本設計應用范圍廣泛、實施簡單方便、節能降耗效果良好；本設計可應對所有工業企業的除塵、降噪，對絕大部分非標自動化設備均可參照此方案進行改造；并且該設計中所采用設備的技術成熟，成本較低，經濟性強；系統實現了分段式除塵、降噪，節能降耗效果好，提高了生產效率。