何崇帥　周宇　敖翔

摘 要：本文以O(shè)MRON Adapt Hornet 565 3軸并聯(lián)機(jī)器人為研究對象，對基于視覺跟蹤技術(shù)的并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文中詳細(xì)描述了相機(jī)校準(zhǔn)、模型配置、傳送帶校準(zhǔn)、傳感器校準(zhǔn)以及機(jī)器人示教等過程，并對其進(jìn)行了測試操作。測試證明，該并聯(lián)機(jī)器人可以在視覺的引導(dǎo)作用下實(shí)現(xiàn)傳送帶上散亂目標(biāo)的準(zhǔn)確、快速抓放操作，能用于電子、醫(yī)藥、食品等工業(yè)自動化生產(chǎn)或包裝流水線的分揀、抓放、包裝等操作。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人視覺;并聯(lián)機(jī)器人;運(yùn)動控制

1 引言

近些年，隨著國內(nèi)外機(jī)器人產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展以及人工智能領(lǐng)域取得巨大進(jìn)步，機(jī)器人在人類生活中扮演的角色越來越重要。隨著“中國制造2025”的提出，工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的重要成員之一，也得到了迅猛發(fā)展[1]。

與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、定位精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[2]，已成為目前工業(yè)機(jī)器人研究熱點(diǎn)之一。

機(jī)器視覺跟蹤技術(shù)作為一個新興的科研學(xué)科領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)無接觸檢測、無接觸識別定位等功能[3]。利用機(jī)器視覺跟蹤技術(shù)來引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成工作，可使工業(yè)機(jī)器人對環(huán)境感知能力越來越高，能更高效地完成工作[4]。

本文以O(shè)MRON旗下的Adept Hornet 565型Delta并聯(lián)機(jī)器人為研究對象，對基于視覺跟蹤的并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和工作流程

本次研究借助本校并聯(lián)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺來完成。其構(gòu)成主要分為以下幾個部分：機(jī)器人主體、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳送帶裝置以及操作系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 機(jī)器人主體

主體為OMRON旗下的Adept Hornet 565型Delta并聯(lián)機(jī)器人，包括驅(qū)動裝置、傳動裝置和控制系統(tǒng)等。驅(qū)動裝置由三臺機(jī)器人電機(jī)和一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成，分別對應(yīng)三個支鏈和一個驅(qū)動軸。傳動系統(tǒng)有三個支鏈加一個驅(qū)動軸組成，每條支鏈由一個合金材料內(nèi)臂和兩個碳纖維輕型桿外臂通過球形關(guān)節(jié)連接而成，內(nèi)臂通過高性能齒輪與機(jī)器人電機(jī)直接相連，工具法蘭（運(yùn)動平臺）就是通過三個支鏈以及一個驅(qū)動軸與基座（固定平臺）平行相連?？刂葡到y(tǒng)主要為eAIB放大器，負(fù)責(zé)對機(jī)器人進(jìn)行供電和控制。

2.2 視覺系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)器人視覺系統(tǒng)為一臺AcA640-90gm巴斯勒相機(jī)，負(fù)責(zé)視覺成像與特征提取。固定在傳送帶上方。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由一臺SmartController EX運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)，可對機(jī)器設(shè)備進(jìn)行高速高精度控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制與邏輯控制的完美結(jié)合。

2.4 傳送帶裝置

并聯(lián)機(jī)器人傳送帶裝置由兩臺步進(jìn)電機(jī)、兩枚增量式編碼器以及正反方向傳送帶平臺組成。在機(jī)器人啟動相應(yīng)項(xiàng)目后，可對目標(biāo)進(jìn)行循環(huán)抓取工作。

2.5 操作系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)器人操作軟件為Adept ACE 3.6，該平臺工作于Windows系統(tǒng)，可對OMRON旗下的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時控制以及模擬仿真。

該系統(tǒng)使用控制用高速網(wǎng)絡(luò)EtherCAT，通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)完成視覺跟蹤和機(jī)器人控制，用視覺捕捉到工件位置信息，然后調(diào)整地傳給控制器，控制Delta機(jī)器人進(jìn)行Pick-and-Place操作，實(shí)現(xiàn)從流動的工件中進(jìn)行高速實(shí)時動態(tài)抓取。該并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)簡易控制流程圖如圖2所示。

3 并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與分析

該并聯(lián)機(jī)器人的所有控制均通過上位機(jī)上的操作軟件Adept ACE 3.6來完成。啟動ACE軟件后，先要對控制器進(jìn)行連線，由于連接通道是以太網(wǎng)，故PC端IP地址應(yīng)與目標(biāo)控制器標(biāo)定地址相同。地址一致的情況下，即可搜索到目標(biāo)控制器并進(jìn)行連接。連接完成后就可以向其中添加其他項(xiàng)目了。常見添加項(xiàng)有：傳送帶、零件與零件目標(biāo)、相機(jī)、定位器與定位器模型、進(jìn)程管理器等，在添加項(xiàng)后就可以對其進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置以及教授。

3.1 相機(jī)校準(zhǔn)

相機(jī)校準(zhǔn)界面有兩個選項(xiàng)，一個是固定像素校準(zhǔn)，另一個為網(wǎng)格校準(zhǔn)。固定像素即在相應(yīng)對話框中直接人為輸入XY軸的像素標(biāo)度，網(wǎng)格校準(zhǔn)則是通過相機(jī)掃描不同間距相等的點(diǎn)陣圖來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的，可選擇的間距有4、6、8、10mm點(diǎn)陣圖。ACE已經(jīng)集成了相機(jī)校準(zhǔn)的算法，只需按照要求將點(diǎn)陣圖置于鏡頭下合適的位置，即可完成校準(zhǔn)。

3.2 零件及零件目標(biāo)配置

在添加了零件以及零件目標(biāo)兩個模塊后即可對其進(jìn)行配置（傳送帶裝置已提前設(shè)定好），零件模塊配置選項(xiàng)為“鎖存，傳送帶攝像機(jī)或者空間間隔”模式，并與傳送帶對應(yīng)的編碼器相匹配;

3.3 定位器及定位器模型配置

在新建定位器模塊配置一欄點(diǎn)擊添加創(chuàng)建定位器模型，將目標(biāo)物體放置在鏡頭正下方，將定位器模型中的垂直坐標(biāo)拖動到目標(biāo)物體上對齊后即可。每個工程的定位器都可以定義多個定位器模型，可以提取物體大小、形狀、顏色等視覺特征作為分辨依據(jù)。

3.4 進(jìn)程配置

在工作空間新建進(jìn)程管理器模塊進(jìn)程一欄點(diǎn)擊添加，單次拾取添加零件，單次放置添加零件目標(biāo)后，將會出現(xiàn)三處紅色標(biāo)記，代表要求進(jìn)行傳送帶校準(zhǔn)、傳感器校準(zhǔn)以及機(jī)器人示教。

3.4.1 傳感器校準(zhǔn)

傳送帶校準(zhǔn)在點(diǎn)擊校準(zhǔn)后直接按照界面向?qū)У囊蟛僮骷纯?，校?zhǔn)過程會要求用目標(biāo)物體確定上行限制、下行限制以及抓取限制，目的在于確定機(jī)器人的有效抓取范圍。一般情況下，抓取限制與下行限制是一致的。

確定了限制處后即可對機(jī)器人進(jìn)行測試校準(zhǔn)。點(diǎn)擊開始跟蹤，開啟傳送帶，機(jī)器人會隨著傳送帶同步速率進(jìn)行同向運(yùn)動，傳送帶校準(zhǔn)完成。如圖3所示。

3.4.2 傳感器校準(zhǔn)

傳感器校準(zhǔn)在點(diǎn)擊校準(zhǔn)后直接按照界面向?qū)У囊蟛僮骷纯桑?zhǔn)過程要求用目標(biāo)物體確定鎖存信號存在，以保證傳感器位于正常工作區(qū)域。

如圖4所示，在之前校準(zhǔn)完成的傳送帶前方會出現(xiàn)一個白色方塊區(qū)域，即為傳感器檢測區(qū)，在偵測到鎖存信號后，傳感器校準(zhǔn)即完成，圖中傳感器偏移為（-400，-400，-900，0，0，35）。

3.4.3 機(jī)器人示教

機(jī)器人人示教在完成以上兩項(xiàng)校準(zhǔn)后在進(jìn)程管理器的進(jìn)程一欄點(diǎn)擊添加的零件項(xiàng)目進(jìn)行教授，人為控制機(jī)器人的空閑、抓取、放置位置的坐標(biāo)并錄入系統(tǒng)，即以手動模式令機(jī)器人完成一次完整的零件抓取放置過程。

①指定空閑位置

進(jìn)入示教界面，首先開始的是對機(jī)器人空閑位置的設(shè)定，如圖5所示。圖中對機(jī)器人靜止位置設(shè)定為（0，0，-850，0，180，-180）。隨后推動傳送帶使物料進(jìn)入機(jī)器人工作范圍，通過面板右側(cè)的模擬控制盒可實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)器人的空間位置移動。

②教授位置

零件進(jìn)入機(jī)器人工作空間后通過手動方式，使機(jī)器人末端接近零件，如圖6所示，圖中以機(jī)器人前視圖和左視圖為參考系，以確定機(jī)器人末端落在零件正上方。此時機(jī)器人末端坐標(biāo)為（-68，-212，-877，0，180，180），點(diǎn)擊“此處”，使當(dāng)前位置成為教授位置，此時偏移量會變?yōu)?。

接近高度和出發(fā)高度分為機(jī)器人接近零件和出發(fā)時距離教授位置的垂直距離（z軸），圖中的接近高度和出發(fā)高度都設(shè)定為25mm，至此零件教授部分操作完成。

并聯(lián)機(jī)器人的抓取動作共分三個步驟完成：接近零件、移動末端抓取零件、出發(fā)轉(zhuǎn)移零件。為測試機(jī)器人教授準(zhǔn)確度，可任意移動機(jī)器人位置后點(diǎn)擊接近，如圖7所示，可以看到，機(jī)器人除了z軸與目標(biāo)零件有25mm的偏移，其他位置都已對齊，說明零件位置教授成功。此時點(diǎn)擊移動，機(jī)器人會垂直下降25mm抓取零件，再點(diǎn)擊出發(fā)，機(jī)器人垂直上升25mm，完成抓取零件任務(wù)。

③移動停止位置

完成零件位置教授后，會要求再完成一次停止位置校準(zhǔn)，操作與第一次相同，目的是使機(jī)器人完成抓取任務(wù)后回到另一個停止位置，為放置任務(wù)做好準(zhǔn)備。

④教授放置位置

教授放置位置與之前的教授抓取步驟相同，即指定一個位置讓機(jī)器人將抓取的零件放置，同樣分三步：接近、移動和出發(fā)。

至此，機(jī)器人示教環(huán)節(jié)全部完成。

3.5 系統(tǒng)測試

測試以1分鐘為單位時間，投放零件數(shù)量從50到120個，每次增加10個，每個區(qū)間各測試3次取平均成績。以抓取率在70%以上作為合格，85%以上為良好，95%以上為優(yōu)。觀察機(jī)器人漏抓數(shù)量并做統(tǒng)計(jì)。得到如表1所示數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，在零件數(shù)量達(dá)到每分鐘120個時，抓取率仍在合格以上。通過以上測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出基于視覺跟蹤的并聯(lián)機(jī)器人在分揀、抓放、包裝等方面有著較高的工作效率。

4 結(jié)語

本文借助OMRON Adapt Hornet 565 3軸并聯(lián)機(jī)器人及相關(guān)軟件，對基于視覺跟蹤技術(shù)的并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從測試數(shù)據(jù)來看，并聯(lián)機(jī)器人在電子、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的分揀、抓放、包裝等方面[5][6]有著高效，精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

注：此文章為2018年度省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（《基于視覺跟蹤技術(shù)的Delta高速并聯(lián)機(jī)器人控制研究》）研究成果，指導(dǎo)老師為吳紅霞。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正揚(yáng).Delta并聯(lián)機(jī)器人高速運(yùn)動控制研究[D].北京交通大學(xué)，2018.

[2]李麗麗，林明勇，曹永軍，等.3自由度高速Delta機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化與信息工程，2016，37（2）：25-28.

[3]郭超.高速并聯(lián)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)研究[D].山東理工大學(xué)，2014.

[4]高拴.DELTA機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[5]張文昌.Delta高速并聯(lián)機(jī)器人視覺控制技術(shù)及視覺標(biāo)定技術(shù)研究[D]. 天津大學(xué)，2012.

[6]李小輝.Delta并聯(lián)機(jī)器人視覺分揀與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 華南理工大學(xué)，2016.