歐習(xí)洋，侯興哲，鄭 可，吳 華，馬紅斌，蔣 明

OU Xi-yang1, HOU Xing-zhe1, ZHENG Ke1, WU Hua1, MA Hong-bin1, JIANG Ming2

（1.重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.綿陽固創(chuàng)科技有限責(zé)任公司，綿陽 621010）

0 引言

各種六自由度機(jī)械臂由于其運(yùn)動(dòng)的靈活性及其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，在目前的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[1]。在機(jī)械臂投入使用之前或者當(dāng)處理環(huán)境改變時(shí)，必須對(duì)六自由度機(jī)械臂進(jìn)行示教[2]。在實(shí)際工作中，對(duì)六自由度機(jī)械臂進(jìn)行示教非常繁瑣和費(fèi)時(shí)。因此，為了提高示教速度，絕大多數(shù)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)都提供了操作便捷的示教盒，但是這種方式仍然無法從根本上提升六自由度機(jī)械臂的示教效率[3,4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺在工業(yè)環(huán)境中得到了越來越多的應(yīng)用，如光學(xué)檢測、視覺導(dǎo)航以及智能監(jiān)控等[5]。通過在處理環(huán)境中設(shè)置合適的定位標(biāo)志物，使用機(jī)器視覺技術(shù)提供定位輔助系統(tǒng)，這對(duì)提高機(jī)器人智能水平和環(huán)境適應(yīng)能力提供了良好的技術(shù)支撐[6]。因此，在多自由度機(jī)械臂示教過程中，通過機(jī)器視覺和路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的示教，替代傳統(tǒng)的手工示教方式，是提高示教效率的根本途徑[7]。

本文針對(duì)六自由度機(jī)械臂抓取物料架上物體的工作任務(wù)，通過在物料架上設(shè)置定位標(biāo)志物，基于機(jī)器視覺基本原理和六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解技術(shù)，設(shè)計(jì)全自動(dòng)的視覺反饋示教系統(tǒng)。

1 物料架定位標(biāo)志識(shí)別

如圖1所示是實(shí)際采集到的某物料架圖片。物料架固定在地面上后一般位置不會(huì)發(fā)生變化，本文研究的目標(biāo)是通過安裝到機(jī)械臂末端的視覺系統(tǒng)識(shí)別出物料架上的LED指示燈（黑色圈中）并計(jì)算其位置，自動(dòng)生成機(jī)械臂的示教路徑。因此，必須通過圖像處理技術(shù)識(shí)別物料架上的指示燈并實(shí)現(xiàn)其精確定位。這個(gè)工作分解為兩步實(shí)現(xiàn)，首先通過初步定位排除干擾因素影響，得到LED指示燈的粗略范圍，其次再精確定位兩個(gè)指示燈的位置，并計(jì)算其中點(diǎn)坐標(biāo)。

圖1 實(shí)際采集的某物料架圖片

如圖1所示物料架上同時(shí)可能存在三個(gè)以上的LED指示燈，需要識(shí)別并定位的僅是位于兩條邊線之間的LED指示燈，其它指示燈視為干擾信息?？梢酝ㄟ^對(duì)兩條邊線的識(shí)別將指示燈的識(shí)別區(qū)域限定在邊線之間。為了提高可靠性，本文通過對(duì)亮度圖進(jìn)行sobel算子處理，然后分別在左、右半圖上進(jìn)行列掃描，統(tǒng)計(jì)亮度總和最大的列，即認(rèn)為是左右邊線。處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 對(duì)亮度圖進(jìn)行sobel處理（左）以及通過列掃描得到的邊線識(shí)別結(jié)果（右）

為了進(jìn)一步縮小LED指示燈的搜索范圍，在圖2的基礎(chǔ)上對(duì)圖1進(jìn)行通道分離，得到紅綠色差圖如圖3左圖所示。然后搜索兩條邊線之間的最亮區(qū)得到LED指示燈所在的大概范圍（黑色矩形內(nèi)），如圖3右圖所示。

圖3 紅綠色差圖及初步定位范圍

在圖3右圖的初步定位基礎(chǔ)上，提取出LED指示燈所在區(qū)域的亮度圖，再進(jìn)行二值化處理，得到圖4所示的處理結(jié)果。然后通過重心法計(jì)算得到指示燈二值化圖的重心位置，該重心位置就是指示燈最后的精確定位位置。定位結(jié)果如圖5中黑色圓圈所示。

圖4 LED指示燈亮度圖二值化

圖5 指示燈的精確定位結(jié)果

2 六自由度機(jī)械臂的自動(dòng)示教路徑生成

通過控制每個(gè)軸的關(guān)節(jié)角度或者給定末端的位姿的方式，設(shè)計(jì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的通用路徑作為軌跡模板，然后針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的物料架，根據(jù)視覺系統(tǒng)得到的指示燈精確位置以及給定的標(biāo)準(zhǔn)位置之間的偏差（包括x方向和y方向），調(diào)整通用路徑的最后幾個(gè)示教點(diǎn)的坐標(biāo)位置，從而生成一條針對(duì)每個(gè)單獨(dú)物料架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑。

2.1 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解

機(jī)械臂進(jìn)行示教或者實(shí)際按照某條給定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，最終由關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此，為了進(jìn)行高效的示教或者運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，首先需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解，即由機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)的角度得到機(jī)械臂末端的位姿（正解）或由末端位姿計(jì)算得到每個(gè)關(guān)節(jié)的角度（反解）。其中，反解一般有8組解，需要根據(jù)前一時(shí)刻的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度信息以及給定的性能函數(shù)，選擇其中最優(yōu)的一組解。圖6所示是本文采用的六自由度機(jī)械臂非標(biāo)準(zhǔn)D-H坐標(biāo)標(biāo)示原理，D-H參數(shù)如表1所示，坐標(biāo)變換矩陣分別如式(1)～(7)所示。

圖6 六自由度機(jī)械臂的非標(biāo)準(zhǔn)D-H坐標(biāo)表示

表1 六自由度機(jī)械臂的D-H參數(shù)

2.2 末端路徑的自動(dòng)修改和示教路徑的自動(dòng)生成

如圖7所示為機(jī)械臂與物料架之間的位置關(guān)系，機(jī)械臂底盤可以在滑軌上移動(dòng)，該滑軌與物料架的排列方向一致，所以根據(jù)視覺系統(tǒng)得到的指示燈x方向的位置偏差，修正機(jī)械臂底盤的位置即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在x方向上與物料架的對(duì)準(zhǔn)。物料架與z軸的夾角為 ，根據(jù)得到的指示燈y方向的位置偏差erry，可以對(duì)機(jī)械臂通用運(yùn)動(dòng)軌跡的最后1～2個(gè)示教點(diǎn)按照式(8)進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)某個(gè)物料架的示教路徑自動(dòng)生成。通過編制自動(dòng)示教程序，讓機(jī)械臂沿著滑軌移動(dòng)一遍，在每個(gè)物料架前重復(fù)上述自動(dòng)示教過程，則可快速生成全部的示教路徑，實(shí)現(xiàn)高效的全自動(dòng)示教。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所提出的基于視覺自動(dòng)示教系統(tǒng)對(duì)具有60個(gè)物料架的物料平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)示教路徑生成，在實(shí)際運(yùn)行過程中，六自由度機(jī)械臂直接利用生成的示教路徑對(duì)物料架上的物體進(jìn)行抓取等操作時(shí)，機(jī)械臂的末端執(zhí)行器具有非常高的位置精度，操作的可靠性得到較大提高。使用傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)60個(gè)物料架的機(jī)械臂示教，大概需要10個(gè)小時(shí)，而采用本文的自動(dòng)示教系統(tǒng)只需要10分鐘，示教的可靠性也能得到很好的保證。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明本文所提出的基于機(jī)器視覺的自動(dòng)示教系統(tǒng)具備高效率和高可靠性，適合應(yīng)用到工業(yè)上的六自由度機(jī)械臂的自動(dòng)示教中。

3 結(jié)論

本文通過圖像處理技術(shù)得到物料架上定位標(biāo)志物的精確位置偏差信息，利用該偏差信息修改通用運(yùn)動(dòng)路徑的示教點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂物體抓取的示教路徑自動(dòng)生成。實(shí)際運(yùn)行情況表明該自動(dòng)示教系統(tǒng)在保證可靠性的前提下，能較大提高示教速度，比傳統(tǒng)的手工示教方法具有明顯的優(yōu)越性。

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