(山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

從工業(yè)所用機器人來看，主要用于搬用、裝配、焊接等流水線作業(yè)，此類機器人主要應用服務于食品加工、電子電器生產(chǎn)和汽車流水線等加工環(huán)節(jié)。

視覺識別技術作為很早應用于各個領域的工業(yè)化技術之一，然而在當前的自動化控制領域應用尚且不多，主要原因在于：視覺識別技術尚不穩(wěn)定，干擾因素較多，自動化控制技術不成熟等。

此次研究利用相對成熟的視覺識別技術，結合六軸機器人研發(fā)出整套自動抓取設備。該設備主要針對于輕而小、重而大之間的工件。對于視覺識別自動抓取設備的研發(fā)具有一定的參考意義，對機器人、視覺識別、機械系統(tǒng)的高效配合進行研究與設計。

1 設備的整體設計

1.1 設計原則

基于視覺識別的機器人自動抓取設備研發(fā)，其設計主要遵循以下原則：

(1)簡單實用，設計美觀，成本合理。

(2)技術先進，集成度高，可靠性強。

(3)具有推廣應用的研究價值。

1.2 抓取對象的選擇

結合目前視覺識別技術水平和六軸機器人控制水平，首先需要選取合適的抓取對象，抓取對象應具備以下特點：

首先，零件尺寸和重量不宜過大。設備研發(fā)主要是為了演示，應充分考慮整體設備的大小、制造成本、運行速度，如果零件過大會造成設計難度加大、成本過高、運行效率低，會影響其效果的實現(xiàn)。

其次，抓取對象應形狀規(guī)則，邊緣清晰，易于識別、抓取以及排列。這樣可以降低視覺識別的難度和元器件的成本，提高抓取的穩(wěn)定性和可靠性。

第三，抓取對象應在工業(yè)領域具有廣泛運用，這樣才有一定研究價值和推廣借鑒作用。

綜合以上三點因素，此次研發(fā)擬選用六角形螺母(圖1)作為抓取對象，研究成果可應用于棒材、軸類等小型工件的抓取。

圖1 六角形螺母外形

1.3 模塊選擇

在模塊選擇上，擬選取目前在工業(yè)領域應用相對較多且技術先進的模塊，主要包括六軸機器人、視覺識別、機械、電氣控制、氣路等模塊。所有模塊必須集成到一個整體單元才能形成完整的自動化運行控制單元。

故此，整體設計以機器人為中心，在機器人手臂覆蓋范圍內設計零件放置臺、電器柜、壓縮空氣泵、螺母移栽臺、視覺識別單元。其中，電氣控制單元設計在零件放置臺下方，這樣既節(jié)約空間，又方便維修和安裝調試。電氣控制單元主要由主控制器件、變壓器、保護電器等電氣元件構成，還需有開關、按鈕、端子等輔助元件。機器人控制器、圖像處理控制器等設備也需要占用很大的空間，為了將這些種類繁多且聯(lián)系緊密的電氣元件進行合理的放置，實現(xiàn)最優(yōu)化路徑設計，從各種元件的尺寸大小、重量、相互關系、空間合理利用程度等方面采集數(shù)據(jù)，最終確定了設備整體布局方案，如圖2所示。

圖2 設備整體布局平面圖

2 機械部件設計

機械部件主要由整體稱重底座、支撐框架、機器人連接底座、載物臺、覆蓋鈑金和連接結構件等部分組成。這些機械部件安裝組合在一起便組成了設備的主體框架和安裝基礎，所有的機器人、電纜、氣路、傳感器和電氣元件都會在機械部件上進行安裝。

項目充分利用機械設計理論和技術，運用CAD制圖技術對底臺總成、機器人總成、視覺抓取總成、控制面板總成、螺母放置臺、機器人手部總成以及各連接結構件進行了系統(tǒng)的設計。

3 電氣整體設計

自動化控制和信息采集的對象包括機器人、氣動元件、視覺識別系統(tǒng)和傳感器等，因此采用目前應用比較廣泛的基于可編程控制器PLC的控制模塊較為合適。

對于電氣整體設計，項目主要考慮電氣主回路、主控系統(tǒng)I/O分配、伺服系統(tǒng)電路、控制回路、機器人主回路、機器人I/O分配等電氣線路設計。

4 工作流程設計

基于設計原則進行整個操作過程動作循環(huán)的設計，以便后續(xù)對整個控制系統(tǒng)進行軟件編程，主要的動作過程如圖3所示。

圖3 自動抓取設備動作流程圖

設備整體動作流程歸納為：在上料托盤上無序放置的螺母毛坯，通過視覺識別系統(tǒng)采集圖像信息進行分辨并將信息傳遞給機器人，機器人根據(jù)收到的信息以正確的姿態(tài)移動到正確的位置，抓取毛坯搬運移動到下料臺，將螺母放置回位，然后再次抓取螺母進行搬運移動，放置在上料托盤，通過移栽動作將螺母放置于視覺識別可采集圖像范圍內，往復地完成自動抓取動作。

5 結語

此次研究成果可以用于一些自動化制造水平普及度不高且工作環(huán)境較差的行業(yè)，以提升這些行業(yè)的生產(chǎn)效率，同時可節(jié)省勞動力，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。