基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統

吳德剛，趙利平，陳乾輝

（商丘工學院機械工程學院，商丘 476000）

0 引言

機械手是一種可編程的機械手臂結構，具有與人體手臂相似的應用能力，既可以作為獨立的機構原件，也能夠作為復雜機器人的一部分且大多數機械手都必須在連接關節的作用下，才能完成旋轉、搬運、夾持等執行動作。從宏觀層面來看，如果機械結構能抓住一個物體，并可以在維持抓取狀態的情況下，對該物體進行傳遞，那么就可以將這類型機械結構稱為機械手。

機器視覺作為人工智能領域的一個分支研究方向，能夠模擬人眼功能，判別并測量機械結構的內部狀態，并可以在關聯應用技術的作用下，將攝取到的目標信息轉化成圖像信號的輸出形式，經由專用導線，反饋給核心處理主機[1]。近年來，機器視覺技術快速發展，使得精密機械元件的加工成為了可能，特別是具有穩定夾持能力的機械手結構更是成為了主流設計對象。但現有技術水平并不能完全精準控制機械手夾持角的變化形態，其表現在元件到達預設位置所需消耗時長較長、關鍵行為角度變化量較大等多個方面，基于上述背景，針對基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統展開研究。

1 機械手夾持角自動化控制系統的硬件結構設計

機械手夾持角自動化控制系統的硬件應用結構由夾持器機械元件、角位置傳感器、拉壓力控制結構三部分共同組成，具體設計方法如下。

1.1 夾持器機械元件

夾持器機械元件作為機械手夾持角自動化控制系統中的核心執行結構，采用雙旋杠桿的工作原理，同時具有磨損程度低、傳動精度高等多項應用優點，其結構形式相對簡單，在完成物理作用力傳導的過程中，幾乎不會產生任何的噪聲，而且還能夠較好維持傳感器與供應電機之間的電量平衡配比關系。夾持器末端的傳感器元件可以聯合平行二指結構，對機械手所感應到的物理作用力進行傳導處理，并可控制螺母組的連接緊密度，從而使得機架組織能夠穩定支撐整個夾持器機械元件，從而使得應用電機可以在電機卡槽中，為整個自動化控制系統提供足量的傳輸電壓與電流。詳細結構如圖1所示。滾珠軸承能夠調節滑塊與導軌之間的滑動摩擦力表現強度，一般來說，為使機械手夾持角擴張數值水平保持穩定，水平與豎直方向上的滑動摩擦力數值比應盡可能接近1：1。

圖1 夾持器機械元件示意圖

在機械手夾持角自動化控制系統中，平行二指結構的閉合速度始終與動力脈沖波的傳輸速度保持正比關系，因此，動力脈沖的傳輸速度越快，夾持器匹配電機的物理轉速也就越快。

1.2 角位置傳感器

機械手夾持角自動化控制系統中角位置傳感器的功能是采集夾持器機械元件的偏轉角數值，并將這種角度偏轉關系直接映射到活動手結構當中，從而控制活動手完成開合指令，因此該類型傳感器的行為性能對于機械手夾持角自動化控制系統的影響能力極強[2]。在實際應用過程中，為更好適應機器視覺原理的表現需求，角位置傳感器選型多為E40S6-L-5型元件（如圖2所示），其前端為一個電量探頭結構，可深入夾持器機械元件的電機輸出端接口當中，并從中提取大量的電量信號，以供角位置傳感器的自由支配與利用。

圖2 E40S6-L-5型角位置傳感器

考慮機器視覺理論的影響，可認為角位置傳感器分辨率指標的選取，遵循脈沖單位必須與角度變化量完全對應的原則。

1.3 拉壓力控制結構

拉壓力控制結構可用來檢測機械手裝置末端所承擔的拉壓力水平，作為夾持角自動化控制系統的必要組成部件，該類型物理結構的連接形式必須隨著角位置傳感器感應能力的改變的不斷變化，并最終對物理力學行為信號進行匯總處理。具體的元件結構性能參數如表1所示。

表1 拉壓力控制結構的性能參數

為適應不同的機械手夾持角變換需求，拉壓力控制結構、角位置傳感器、夾持器機械元件三類應用結構總是保持完全一致的連接狀態。

2 基于機器視覺的夾持力控制

遵循機器視覺理論，按照抓取圖像預處理、力控制切換、運動控制函數建立的執行流程，完成針對機械手的夾持力分析，再聯合相關硬件設備結構，實現機械手夾持角自動化控制系統的順利應用。

2.1 抓取圖像預處理

為準確監控機械手夾持角的變化情況，應設置多個觸發器相機對元件結構的運動行為進行采集，由于誤差角等其他外界因素的干擾，所以極易使一些無用信息混雜在原始采集圖像中，此時就要針對已抓取到的圖像信息進行預處理，而對于這些信息參量的分辨與篩選則應參考機器視覺理論[3]。

在機器視覺理論中，任何一個機械手夾持角變動行為都可被看作一個信號向量。設a表示機械手夾持角的初始數值，sina、cosa分別表示該角度的正弦與余弦數值，Δy表示機械臂結構在Y軸上的投影長度，Δx表示機械臂結構在X軸上的投影長度，→q 表示機械手運動行為圖像中的夾持角變動法向量。聯立上述物理量，可將基于機器視覺的抓取圖像預處理表達公式定義為：

在考慮機器視覺原理的情況下，任何微小的夾持角變動行為都有可能導致抓取圖像出現明顯變化，因此在實施圖像預處理的過程中，必須針對機械手元件的行為與運動方式進行仔細分析。

式中，c 是常數， 取 c＝6.0， 其子小波為 ψa，b （x）=以此作為為基本小波，具有波動性和衰減性。

2.2 力控制切換條件

力控制切換也叫力學控制作用切換，主要由圖3所示的兩個行為階段共同組成。

圖3 機械手夾持角力控制切換的行為階段

1）第一階段：對于機械手夾持角自動化控制系統而言，在力控制切斷的第一執行階段中，力學作用總是由機械手結構指向目標物體，若所抓取到的力學圖像不會發生改變（抓取行為遵循機器視覺理論），則可認為所施加物理力學作用的強度越大，機械手元件與目標物體之間的摩擦力數值也就越大，此時角位置傳感器所采集到的夾持角物理數值也就越大。

2）第二階段：在力控制切斷的第一執行階段中，力學作用總是施加在機械手結構外側[4]。因此，在考慮機械手元件與目標物體之間的摩擦力數值時，必須將機械手結構的自身物理重量考慮在內。

設f1、f2表示兩個不同的摩擦力取值條件，表示f1與f2的物理平均值，β表示基于機器視覺理論的機械手運動圖像抓取頻度，表示單次抓取過程中的夾持角運動變化權限，i表示力學作用的初始施加強度，G表示機械手結構的自身物理重量。在上述物理量的支持下，聯立公式(1)，可將基于機器視覺的自動化控制系統力控制切換條件表示為：

由于機械手夾持角所處的數值區間范圍并不完全固定，所以自動化控制系統的力控制切換條件必須具備較強的適應性能力。

2.3 運動控制函數

在機器視覺理論作用下，運動控制函數能夠直接約束機械手夾持角的數值變化情況，對于自動化控制系統來說，由于所抓取圖像中包含了大量的非固定節點組織，且受到力控制切換條件的影響，節點與節點之間的力學作用形式也并不唯一[5]。所謂運動控制函數是將夾持角數值變化狀態完全考慮在內的機械手控制執行指令，在已知機器視覺理論為唯一控制標準的情況下，可認為機械手元件的動作范圍越廣，所建立函數的實際控制能力也就越強。

設v1、v2、…、vn表示n個不同的機械手夾持角數值定義項指標，·k 表示基于機器視覺理論的機械手元件運動特征值，Rs表示控制權限為s時的機械手元件行為指征。在上述物理量的支持下，聯立公式(2)，可將運動控制函數表示為：

3 實例分析

選取如圖4所示的機械手結構作為實驗對象。首先，利用基于機器視覺的自動化應用系統對機械手元件進行控制，所得數據指標作為實驗組變量；其次，利用雙閉環應用系統對機械手元件進行控制，所得數據指標作為對照組變量；然后，分別將實驗組、對照組變量與理想數值進行對比；最后，總結實驗組、對照組控制系統的應用規律。

圖4 實驗用機械手結構

機械手元件到達預設位置所需的消耗時長，能夠反映夾持角所表現出來的行為狀態，一般來說，機械手元件到達預設位置所需的消耗時間越長，則表示夾持角所表現出來的數值水平越大，此時系統主機對于機械手元件的控制能力相對較弱；反之，若機械手元件到達預設位置所需的消耗時間越短，則表示夾持角所表現出來的數值水平越小，此時系統主機對于機械手元件的控制能力相對較強。

下圖反映了當電機驅動速度取值分別為2000PPS、4000PPS、6000PPS時，實驗組、對照組機械手元件到達預設位置所需的消耗時長，及其與理想時長的數值對比情況。

分析圖5可知，當電機驅動速度等于2000PPS時，機械手元件到達預設位置所需消耗時長的理想曲線呈現出先上升、再穩定、然后上升、最后再次穩定的數值變化狀態，其全局最大值達到了30.02s；機械手元件到達預設位置所需消耗時長的實驗組曲線變化趨勢基本與理想曲線保持一致，整個實驗過程中，其全局最大值達到了26.08s，與理想極大值相比，下降了3.94s；機械手元件到達預設位置所需消耗時長的對照組曲線則始終呈現不斷增大的數值變化趨勢，整個實驗過程中，其全局最大值達到了42.63s，與理想極大值相比，上升了12.61s，遠高于實驗組數值水平。

圖5 消耗時間變化曲線（電機驅動速度等于2000PPS）

分析圖6可知，當電機驅動速度等于4000PPS時，機械手元件到達預設位置所需消耗時長的理想曲線、實驗組曲線、對照組曲線均呈現持續上升的數值變化狀態，但明顯對照組曲線的均值水平較高、實驗組曲線的均值水平較低。整個實驗過程中，實驗組最大值49.98s與對照組最大值75.01s相比，下降了25.03s。

圖6 消耗時間變化曲線（電機驅動速度等于4000PPS）

分析圖7可知，當電機驅動速度等于6000PPS時，機械手元件到達預設位置所需消耗時長的實驗組曲線、理想曲線均保持先上升、然后逐漸趨于穩定的數值變化趨勢，整個實驗過程中，前者最大值達到了64.99s，與后者最大值80.98s相比，下降了15.99s；機械手元件到達預設位置所需消耗時長的對照組曲線則保持先上升、然后連續穩定、最后繼續上升的數值變化狀態，整個實驗過程中，其最大值達到了89.95s，與理想最大值相比，下降了8.97s，更遠高于實驗組數值水平。

圖7 消耗時間變化曲線（電機驅動速度等于6000PPS）

綜上可知，隨著基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統的應用，機械手元件到達預設位置所需的消耗時長得到了較好控制，這就表示夾持角所表現出來的數值水平相對較小，系統主機對于機械手元件的控制能力相對較強。

4 結語

與傳統雙閉環控制系統相比，新型機械手夾持角自動化控制系統在機器視覺原理的作用下，重新規劃了角位置傳感器、拉壓力控制結構所處的實時連接位置，又通過力控制切換處理的方式，建立完整的運動控制函數表達式。從實用性角度來看，在實際應用過程中，這種新型控制系統能夠縮小機械手元件到達預設位置所需的消耗時長，不但可以避免夾持角表現出過于明顯的擴張狀態，也能夠突出系統主機對于機械手元件的控制有效性，更為符合實際應用需求。