王衛(wèi)軍,徐友法,趙 鵬,劉立冬,李亞運(yùn),蘇 陳

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

工業(yè)機(jī)器人可以通過編程和調(diào)試,在工業(yè)生產(chǎn)中完成諸如焊接[1-2]、分揀、搬運(yùn)[3]、裝配[4-5]等各種操作,在汽車生產(chǎn)、物流運(yùn)輸?shù)缺姸嘧詣?dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是,在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用中,工業(yè)機(jī)器人都是基于精確示教法來完成預(yù)定目標(biāo)的,即事先設(shè)置好預(yù)定的位置點(diǎn),然后讓機(jī)器人嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的位置點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此,如果當(dāng)客觀的物體在位置上面出現(xiàn)偏差時(shí),基于示教法的機(jī)器人就無法完成相應(yīng)的工作,柔性較差。

人類獲取的外界客觀知識(shí)中,有超過80%來自于人眼的視覺功能。因此,在工業(yè)生產(chǎn)中加入機(jī)器視覺后可以獲得更多的外界客觀信息,提高生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)復(fù)雜外界的能力。本文將機(jī)器視覺引入到SCARA工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中,形成了一種和人的手眼類似的工業(yè)系統(tǒng),可以很好地提高機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的智能化水平,并在分揀、搬運(yùn)等工作中得到廣泛的應(yīng)用[6-8]。

工件在進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí),大量工件在內(nèi)部工序間進(jìn)行傳輸一般都是靠人工分揀和搬運(yùn)。此時(shí),如果工件的類型較多,并且搬運(yùn)距離較遠(yuǎn),工件的傳輸則會(huì)占用大量人工。以機(jī)器人視覺分揀系統(tǒng)作為其核心的自動(dòng)化輸送帶則可以完全對(duì)工件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的識(shí)別、分揀和搬運(yùn),并進(jìn)行位姿調(diào)整。本文以電機(jī)定子鐵心的搬運(yùn)和位姿調(diào)整為例,設(shè)計(jì)了一條滿足技術(shù)要求的自動(dòng)化輸送線。生產(chǎn)線以SCARA機(jī)器人作為抓手,以智能相機(jī)作為視覺處理模塊獲取工件的位置信息,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)作。

1 工業(yè)機(jī)器人

作為一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,工業(yè)機(jī)器人能夠通過預(yù)先設(shè)定的程序,自動(dòng)執(zhí)行工作,可以通過機(jī)器人自身的動(dòng)力和控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。在工業(yè)機(jī)器人工作過程中,工作人員可以對(duì)其進(jìn)行控制指揮,也可由技術(shù)人員事先編程,使機(jī)器人自動(dòng)完成工作。

作為一種典型的平面結(jié)構(gòu)類型關(guān)節(jié)機(jī)器人,SCARA能夠分別沿X,Y,Z 3個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和Z軸方向上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。從SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖中可以看出,其主題結(jié)構(gòu)主要由4部分組成,分別包括基座、大臂、小臂、升降桿和末端執(zhí)行器。

SCARA機(jī)器人目前主要采用伺服系統(tǒng)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式,這是因?yàn)樗欧姍C(jī)往往具有更高的精度、穩(wěn)定的低頻特性以及較強(qiáng)的過載能力。本文所用的SCARA機(jī)器人也采用伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器作為電器伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 自主研發(fā)的核心零部件的SCARA機(jī)器人

2 工業(yè)視覺模塊

工業(yè)視覺是指利用工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成人的眼睛所要完成的視覺功能。機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括三部分:基于相機(jī)的圖像獲取、基于計(jì)算機(jī)的圖像的處理和分析、輸出或顯示。

圖像的獲取是指利用工業(yè)相機(jī)、智能相機(jī)等將被測物體拍照后所得的數(shù)字化圖像和一些顯著特征轉(zhuǎn)換成為能夠可以被計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的一系列數(shù)組數(shù)據(jù)。圖像的獲取過程主要由照明打光、圖像聚焦并形成、數(shù)字輸出信號(hào)3部分組成。

通過圖像視覺處理,系統(tǒng)就可以獲得圖像需要的各種信息,包括:位置信息、邊緣狀態(tài)等,通過與之相連接的外部設(shè)備,然后以各種形式輸出檢測結(jié)果及響應(yīng),其中外部輸出設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、顯示器、報(bào)警器以及其他控制信號(hào)。

在本文中,基于機(jī)器視覺的分揀機(jī)器人系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 視覺系統(tǒng)流程圖

從流程圖中可以看出,當(dāng)目標(biāo)物體通過傳送帶運(yùn)送時(shí),物體觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照,相機(jī)通過預(yù)設(shè)程序?qū)D像進(jìn)行處理,并快速有效地對(duì)其空間位姿進(jìn)行定位,配合機(jī)械手進(jìn)行抓取和操作的功能,從而大大地提高了自動(dòng)化生產(chǎn)的效率。

如圖3所示,本文所采用的相機(jī)為某公司研制的CMOS智能工業(yè)相機(jī),130萬像素,具備 DIO,RS232,GigE 3種通訊方式,并且采用圖形化語言編程,可方便研發(fā)人員迅速完成對(duì)視覺項(xiàng)目的開發(fā)。

圖3 某型號(hào)工業(yè)相機(jī)

3 測試生產(chǎn)線的搭建

結(jié)合電機(jī)定子鐵心在實(shí)際生產(chǎn)過程情況,本文設(shè)計(jì)了能夠?qū)ぜM(jìn)行分揀、搬運(yùn)以及位姿調(diào)整的簡易閉環(huán)流水線,用以模擬實(shí)際的工況。該生產(chǎn)線包含以下4個(gè)模塊:流水線模塊,抓取機(jī)械手模塊,視覺系統(tǒng)模塊,SCARA機(jī)器人模塊,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 簡易閉環(huán)流水線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為形成一個(gè)閉環(huán)的測試生產(chǎn)線系統(tǒng),整個(gè)生產(chǎn)線系統(tǒng)由兩臺(tái)SCARA機(jī)器人工作站和流水線等模塊組成。

第一個(gè)工作站使用光電檢測技術(shù),利用機(jī)械限位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)被搬運(yùn)物體的限位。工件在1號(hào)傳送帶的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到光電開關(guān)固定位置,光電開關(guān)檢測到有障礙物經(jīng)過,輸出IO信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器,工件最后停留在擋板固定位置不動(dòng),運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)示教指令,驅(qū)動(dòng)SCARA機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到工件當(dāng)前位置點(diǎn),同時(shí)使能氣動(dòng)組件,使機(jī)械抓手抓住電機(jī)定子鐵心,搬運(yùn)到2號(hào)傳送帶上,完成工件運(yùn)動(dòng)閉環(huán)。

第二個(gè)工作站使用視覺定位技術(shù)。工件在2號(hào)傳送帶的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到工業(yè)相機(jī)固定位置附近,觸發(fā)光電開發(fā),之后工業(yè)相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行照片采集,并將獲取的工件圖片信息傳送給視覺處理模塊,視覺處理模塊根據(jù)發(fā)送來的圖片信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取以及分析,通過內(nèi)部算法,得到工件的中心點(diǎn)位置坐標(biāo)(X,Y),并將工件中心點(diǎn)位置坐標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器,運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)示教指令以及工件中心位置點(diǎn)坐標(biāo)信息,驅(qū)動(dòng)SCARA機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到工件當(dāng)前位置點(diǎn),同時(shí)使能氣動(dòng)組件,使機(jī)械抓手抓住電機(jī)定子鐵心,搬運(yùn)到1號(hào)傳送帶上。如此反復(fù)。具體的流程如圖5所示。

圖5 流水線工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)電機(jī)定子鐵心流水線的設(shè)計(jì),完成了各零部件的設(shè)計(jì)和選購,搭建了相應(yīng)的模擬流水線的平臺(tái),其結(jié)果如圖6所示。

圖6 模擬流水線系統(tǒng)搭建

電機(jī)定子鐵心使用量大,并且目前主要靠人工搬運(yùn),耗費(fèi)了大量的人力物力。本文以電機(jī)定子鐵心的分揀、搬運(yùn)與位姿調(diào)整作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象,某伺服電機(jī)定子鐵心的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

為了突出工件的輪廓,本文利用某公司生產(chǎn)的環(huán)形光源,對(duì)定子鐵心完成打光,通過工業(yè)相機(jī)拍攝出的圖像如圖8所示。

圖7 某伺服電機(jī)定子鐵心

圖8 電機(jī)定子鐵心的圖像

實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是通過工業(yè)相機(jī)對(duì)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行識(shí)別,之后對(duì)其中心進(jìn)行定位,確定工件進(jìn)行抓取的(X,Y)坐標(biāo),再將坐標(biāo)傳遞給機(jī)器人來對(duì)鐵心進(jìn)行抓取。同時(shí),由于定子鐵心放到傳送帶上時(shí)是隨機(jī)的,位姿不確定。因此,可以對(duì)工件的位姿進(jìn)行判定,通過測定突出部分與傳送帶方向的夾角并傳送給機(jī)器人,使機(jī)器人在搬運(yùn)工程中對(duì)定子鐵心的位姿進(jìn)行矯正,使所有工件的突出部分與傳送帶平行,以方便實(shí)際生產(chǎn)線中的裝箱。相機(jī)的定位程序的基本過程如圖9所示。

圖9 定位程序流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本文搭建的電機(jī)定子鐵心流水線中,工業(yè)相機(jī)可以準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行識(shí)別,并獲得鐵心的位置坐標(biāo)(X,Y)和偏轉(zhuǎn)角度。機(jī)器人能夠很好地對(duì)鐵心進(jìn)行抓取,并能夠?qū)﹁F心的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行矯正。整個(gè)分揀和搬運(yùn)過程都取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,對(duì)于傳送帶上雜亂無章分布并傳送過來的電機(jī)定子鐵心。機(jī)器人系統(tǒng)可以快速地對(duì)工件進(jìn)行識(shí)別,并進(jìn)行相關(guān)的抓取和位姿調(diào)整,進(jìn)行模擬裝箱。單個(gè)電機(jī)定子鐵心從識(shí)別到裝箱的周期是5 s左右,可以完全替代原有的人工識(shí)別和手動(dòng)裝箱。即可以完全替代一個(gè)工人。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果,可以設(shè)想,若應(yīng)用到生產(chǎn)線上,將大大提升生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)實(shí)際工況和約束條件完成了某電機(jī)定子鐵心分揀生產(chǎn)線的搭建,完成了各零部件的設(shè)計(jì)和選購。在搭建的生產(chǎn)線上,對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行了分揀和抓取的動(dòng)作規(guī)劃,完成了機(jī)器人對(duì)工件的分揀和搬運(yùn)的工作。同時(shí),完成了相機(jī)定位程序的編寫,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)相機(jī)與機(jī)器人交互控制的集成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文搭建的基于機(jī)器視覺的分揀機(jī)器人系統(tǒng)可以在電機(jī)定子鐵心生產(chǎn)線上很好地應(yīng)用,并有較高的可靠性和較高的生產(chǎn)效率,可以完全替代人工。智能化自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的搭建確立,將為相關(guān)的伺服電機(jī)企業(yè)在生產(chǎn)線的改裝換代上提供很好的范例。