工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

李開(kāi)陽(yáng)

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550008）

1 前言

在《中國(guó)制造2025》提出之后，中國(guó)制造業(yè)已經(jīng)朝著智能化時(shí)代方向不斷發(fā)展。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，機(jī)器人集中了自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)等各種技術(shù)，2020年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人總量已經(jīng)超出100萬(wàn)臺(tái)。在工程領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人需要大量具備機(jī)器人應(yīng)用能力以及操作技術(shù)人才提供支撐，我國(guó)各大高校陸續(xù)開(kāi)設(shè)機(jī)器人專業(yè)以及相關(guān)技術(shù)課程。所以，需要充分考慮現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在工程課程體系中充分引進(jìn)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，充分創(chuàng)新工程教育，為新工科建設(shè)提供服務(wù)。

工程訓(xùn)練活動(dòng)主要以實(shí)踐活動(dòng)為主，借助訓(xùn)練充分提高學(xué)生工程素質(zhì)。所以，需要不斷增加學(xué)生實(shí)踐學(xué)時(shí)的比重，為所有學(xué)生提供良好實(shí)操平臺(tái)與機(jī)會(huì)。但是，機(jī)器人和相關(guān)配套設(shè)備采購(gòu)成本高，一些地方高校的實(shí)訓(xùn)中心工業(yè)機(jī)器人采購(gòu)數(shù)量較少，無(wú)法保證所有學(xué)生獲得良好獨(dú)立操作機(jī)會(huì)[1]。而Delta工業(yè)機(jī)器人為輕載、高速并聯(lián)機(jī)器人，通常借助視覺(jué)系統(tǒng)以及示教編程完成目標(biāo)物體捕捉人物，通過(guò)3個(gè)伺服軸（并聯(lián)）對(duì)TCP空間位置進(jìn)行確定，以搬運(yùn)、加工目標(biāo)物體，在電子產(chǎn)品、藥品、食品等行業(yè)裝配、包裝作業(yè)環(huán)節(jié)具有廣泛應(yīng)用。

基于Syamac Studio軟件的Delta工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，借助NJ控制器中EtherCAT通信端口，有效保證伺服驅(qū)動(dòng)器、控制器和圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率，并提高控制精度，可以對(duì)快速移動(dòng)工件進(jìn)行準(zhǔn)確、在線拾取。另外，因?yàn)榭刂埔惑w化，促使編程語(yǔ)言更加統(tǒng)一，以維護(hù)與開(kāi)發(fā)角度分析，充分強(qiáng)化維護(hù)性與實(shí)時(shí)性。同時(shí)借助Syamac Studio軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)定即能夠合理配置伺服、網(wǎng)絡(luò)、控制器和其他設(shè)備，借助內(nèi)部功能塊就能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜條件下運(yùn)控目標(biāo)，同時(shí)可以借助NS對(duì)仿真功能與模擬功能進(jìn)行統(tǒng)合處理，充分保證程序調(diào)試效率。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，借助標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器，就能夠?qū)刂破骱同F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備展開(kāi)快速、便捷連接，所以兩者有機(jī)結(jié)合能夠充分將實(shí)際教學(xué)中Delta工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用價(jià)值發(fā)揮出來(lái)。

現(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一般以機(jī)器人運(yùn)行原理和組成結(jié)構(gòu)的介紹為主，還有串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的編程示教，基本上不會(huì)涉及機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用技能與知識(shí)。而本文建立的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)Σ煌⒙?lián)機(jī)器人的應(yīng)用展開(kāi)靈活實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用機(jī)器人分揀技術(shù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以充分模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況，將學(xué)生學(xué)習(xí)興趣充分激發(fā)出來(lái)。

2 工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建目標(biāo)與技術(shù)支撐

2.1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建目標(biāo)

為了促使機(jī)器人學(xué)科教育課程能夠?qū)⒆陨韯?chuàng)新型人才培養(yǎng)模式充分發(fā)揮出來(lái)，按照高校教學(xué)改革以及教學(xué)質(zhì)量部署情況，根據(jù)職能系統(tǒng)、模式識(shí)別以及控制理論等學(xué)科點(diǎn)，將工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與建設(shè)作為特色鮮明、一定規(guī)模、開(kāi)發(fā)共享以及體系完整的人才培養(yǎng)的重要途徑，充分實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新人才與高層次人才的培養(yǎng)，主要目標(biāo)為：①構(gòu)建特色突出的將工業(yè)機(jī)器人操作作為多學(xué)科融合、載體的教學(xué)平臺(tái)，為計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化以及其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供良好實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)。②構(gòu)建重視創(chuàng)新能力、開(kāi)放、高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生科技學(xué)習(xí)平臺(tái)，并為教師教學(xué)改革提供良好研究平臺(tái)。

進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)活動(dòng)，借助融合不同學(xué)科，進(jìn)行指導(dǎo)模式、教學(xué)機(jī)制建設(shè)以及教學(xué)方法改革，構(gòu)建高效、系統(tǒng)、科學(xué)的創(chuàng)新、高素質(zhì)人才培養(yǎng)系統(tǒng)，深入探索素質(zhì)、能力、知識(shí)協(xié)調(diào)的人才培養(yǎng)機(jī)制，不僅引導(dǎo)學(xué)生掌握豐富的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)具有良好實(shí)踐能力[2]。

2.2 技術(shù)支撐

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中一項(xiàng)重要技術(shù)就是機(jī)器視覺(jué)。（1）圖像處理。機(jī)器視覺(jué)本質(zhì)主要是對(duì)圖像中重要信息進(jìn)行描述與解釋，核心內(nèi)容就是圖像處理以及識(shí)別等。與處理圖像，能夠?qū)⒃紙D像中一些噪聲、干擾等充分消除，促使圖像能夠滿足用戶的期望，在圖像處理中，圖像識(shí)別屬于中介階段，本質(zhì)是從圖像至圖像特征之過(guò)程，比如點(diǎn)、線以及面。借助特征能夠?qū)D像中物體邊界信息進(jìn)行提取，借助“面”特征可以對(duì)圖像區(qū)域信息進(jìn)行提取，所有通過(guò)圖像特征可以實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別。（2）攝像頭標(biāo)定。基于確立圖像像素坐標(biāo)下的一點(diǎn)和該點(diǎn)在3D空間中坐標(biāo)映射關(guān)系。該技術(shù)借助3D空間中已知點(diǎn)和其在圖像坐標(biāo)系中相應(yīng)像素坐標(biāo)，同時(shí)根據(jù)3D成像模型進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。其內(nèi)部闡述可以對(duì)空間景物和圖像像素點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行描述，外部闡述可以對(duì)機(jī)械人坐標(biāo)系中的攝像頭坐標(biāo)系進(jìn)行描述，兩者共同對(duì)3D空間中某點(diǎn)相對(duì)2D坐標(biāo)映射關(guān)系進(jìn)行確定。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)成

以Delta機(jī)器人為例。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋編程設(shè)備、OMRON視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)、4軸Delta機(jī)械手、OMRON自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3.1 OMRON機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

主要涵蓋：以FZ3—350 Z為基礎(chǔ)圖像傳感器控制器以及FZ—SC2系列中，200萬(wàn)像素照相機(jī)、相關(guān)通訊電纜、顯示器、光源以及鏡頭等，如圖1所示。

3.2 4軸Deltal機(jī)械手

涵蓋4軸Delta機(jī)械手的本體以及外圍流水線的機(jī)架（涵蓋位置檢測(cè)傳感器、電機(jī)、變頻器以及旋轉(zhuǎn)編碼器）等

3.3 OMRON自動(dòng)化控制系統(tǒng)

涵蓋以NJ501-4310CPU機(jī)械手為基礎(chǔ)的，專用主機(jī)電源、CPU主機(jī)模塊、觸摸屏、開(kāi)關(guān)量輸出/輸入模塊、接線端子、開(kāi)關(guān)、傳感器、伺服電機(jī)、繼電器等附件[3]。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

4 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行原理

4.1 Deltal機(jī)械手結(jié)構(gòu)

Deltal工業(yè)機(jī)器人機(jī)械部分涵蓋可動(dòng)支架、機(jī)械臂、固定支架等結(jié)構(gòu)。伺服電機(jī)數(shù)量為3臺(tái)，對(duì)A0、A1以及A2關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而有效定位活動(dòng)機(jī)架。結(jié)合需求，將選裝頭安裝于活動(dòng)機(jī)架中，借助固定支架中伺服電機(jī)，并借助傳動(dòng)軸對(duì)抓具中心轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，見(jiàn)圖2。

4.2 Deltal機(jī)械手動(dòng)作流程

Delta工業(yè)機(jī)器人工作軌跡見(jiàn)圖3。

由任意點(diǎn)A開(kāi)始向任意點(diǎn)B進(jìn)行傳送，之后做門型動(dòng)作，兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為：（X1、Y1、Z1）與（X2、Y2、Z2）。其中（X1、Y1、Z1）是Pick位置，（X2、Y2、Z2）是Pleace位置。采用以下方法進(jìn)行往復(fù)動(dòng)作：①移動(dòng)絕對(duì)位置，由現(xiàn)階段位置到（X2、Y2、Z2）位置之間移動(dòng)絕對(duì)位置。②（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動(dòng)作，即輸送帶傳輸。由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開(kāi)門型動(dòng)作，其中某點(diǎn)（X2、Y2、Z2）主要示意傳輸帶中工件坐標(biāo)，傳輸帶以及機(jī)械手同步運(yùn)動(dòng)。③（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動(dòng)作，定點(diǎn)間，由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開(kāi)門型動(dòng)作。

圖2 Deltal工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手坐標(biāo)系與結(jié)構(gòu)

圖3 Delta工業(yè)機(jī)器人工作軌跡

4.3 Deltal工業(yè)機(jī)器人機(jī)械拾取原理

工業(yè)機(jī)器人選擇NJ系列CPU模塊主要使用以下坐標(biāo)系：

（1）軸坐標(biāo)系，ACS。若是固定支架平面和主動(dòng)臂方向相同，則該位置是0度，其中上側(cè)是負(fù)方向，下側(cè)是正方向，各個(gè)軸相等。另外結(jié)合該坐標(biāo)系進(jìn)行軸伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定。

（2）機(jī)床坐標(biāo)系，MCS。（Xm，Ym，Zm）笛卡爾坐標(biāo)系即MCS，其和ACS轉(zhuǎn)換關(guān)系是確定的。

（3）客戶坐標(biāo)系，UCS。該坐標(biāo)系屬于虛擬坐標(biāo)系，基于視覺(jué)坐標(biāo)系、機(jī)床坐標(biāo)系中，工件坐標(biāo)統(tǒng)一向客戶坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化，坐標(biāo)為（Xu，Yu，Zu），便于機(jī)械手借助視覺(jué)檢測(cè)有效拾取傳送帶中移動(dòng)工件。輸送帶工作方向與客戶坐標(biāo)軸Xu方向相同，原點(diǎn)可以選擇機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照傳輸帶中MCS坐標(biāo)，即（Xmi，Ymi，Zmi），對(duì)客戶坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系之間相對(duì)偏角度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對(duì)客戶坐標(biāo)系進(jìn)行確定。通過(guò)“FB_3D_Coordinate_Conver”功能塊開(kāi)展角度計(jì)算，通過(guò)“MC_DefineCoordSyste”功能塊對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行確定。

視覺(jué)傳感器能夠?qū)柚斔蛶魅氲揭曇皡^(qū)域內(nèi)相關(guān)工件進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合輸送帶位置對(duì)NJ控制程序中視覺(jué)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行確定，進(jìn)而在輸送帶移動(dòng)規(guī)定長(zhǎng)度時(shí)，向視覺(jué)控制器發(fā)送信號(hào)，將視覺(jué)拍照功能觸發(fā)。對(duì)觸發(fā)時(shí)刻的工件攝影坐標(biāo)與傳送帶位置進(jìn)行確定之后，結(jié)合相關(guān)式子：工件現(xiàn)階段位置=拍攝坐標(biāo)+輸送帶現(xiàn)階段位置-輸送帶觸發(fā)時(shí)刻位置，若是通過(guò)循環(huán)計(jì)算方法獲得的工件現(xiàn)階段位置處于機(jī)械手能夠進(jìn)行抓取的區(qū)域中情況下，將抓取信號(hào)發(fā)出，通過(guò)計(jì)算所獲得工件現(xiàn)階段位置是抓取目標(biāo)坐標(biāo)位置[4]。

5 工業(yè)機(jī)械人實(shí)驗(yàn)的功能

5.1 搬運(yùn)門型物料的實(shí)驗(yàn)

Deltal工業(yè)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行抓取時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡主要是“門”字形。在該系統(tǒng)中點(diǎn)A（）&點(diǎn)B（X2、Y2、Z2）運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)下圖。其中，點(diǎn)為Pick點(diǎn)，點(diǎn)B為Place點(diǎn)。

圖4 Pick（X1、Y1、Z1）&Place（X2、Y2、Z2）運(yùn)動(dòng)軌跡

其中點(diǎn)A是Pick位置，而點(diǎn)B是Place位置，對(duì)于點(diǎn)C是動(dòng)作流程相關(guān)結(jié)束位置。通過(guò)視覺(jué)處理獲得（X1、Y1、Z1）位置，用戶自由設(shè)定點(diǎn)B位置以及點(diǎn)C位置。在視覺(jué)傳感器發(fā)現(xiàn)工件之后，對(duì)MC_LinearConveyor指令進(jìn)行執(zhí)行，傳輸帶和機(jī)器人的動(dòng)作同步，見(jiàn)圖中①與②。在經(jīng)過(guò)軌跡目標(biāo)時(shí)間之后，若是工件反饋位置和設(shè)定目標(biāo)位置相同，則對(duì)MC_SyncOut指令進(jìn)行執(zhí)行，選擇同步停止手段將同步接觸，見(jiàn)圖中動(dòng)作③。之后對(duì)MC_MoveTimeAbsolute指令進(jìn)行執(zhí)行，朝著B(niǎo)點(diǎn)位置進(jìn)行門型動(dòng)作，若是基于指定時(shí)間運(yùn)行至B點(diǎn)，則機(jī)械手TCP向FALSE進(jìn)行轉(zhuǎn)變，見(jiàn)圖中動(dòng)作④。再借助C_MoveTimeAbsolute指令的執(zhí)行，移動(dòng)到C點(diǎn)位置，見(jiàn)動(dòng)作⑤，此時(shí)該動(dòng)作流程完成。在傳感器發(fā)現(xiàn)另一個(gè)工件之后，見(jiàn)動(dòng)作⑥，機(jī)械手對(duì)點(diǎn)A展開(kāi)門型動(dòng)作，動(dòng)作原理與①相同，只是點(diǎn)C變?yōu)殚_(kāi)始位置。對(duì)（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動(dòng)作進(jìn)行循環(huán)，在停止指令發(fā)送出來(lái)之后，停止循環(huán)動(dòng)作。

5.2 在線視覺(jué)的分揀實(shí)驗(yàn)

選擇視覺(jué)方法確定坐標(biāo)，同時(shí)對(duì)機(jī)械手抓取動(dòng)作進(jìn)行控制過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)機(jī)械手和視覺(jué)的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，之后根據(jù)傳送帶的移動(dòng)距離對(duì)觸發(fā)視覺(jué)進(jìn)行間隔，按照循環(huán)計(jì)算數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)械手對(duì)可抓區(qū)域中工件進(jìn)行抓取。該系統(tǒng)借助視覺(jué)處理能夠準(zhǔn)確判斷缺陷、顏色以及形狀合格性，進(jìn)而決定是否執(zhí)行工件抓取指令，也能夠?qū)α鲃?dòng)工件進(jìn)行抓取。另外，對(duì)傳輸帶上工件擺放姿勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，將偏離角度輸出，通過(guò)機(jī)械手抓取，借助伺服軸的旋轉(zhuǎn)達(dá)到定點(diǎn)擺放目的。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，Deltal工業(yè)機(jī)器人屬于良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有高精度與高效等特點(diǎn)，和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展速度緊密結(jié)合，教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程以及實(shí)驗(yàn)，即可以對(duì)機(jī)器人運(yùn)行原理進(jìn)行充分了解與掌握，為學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)以及工作夯實(shí)基礎(chǔ)。在該系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)均滿足現(xiàn)階段自動(dòng)化系統(tǒng)智能化、可重構(gòu)、模塊化以及開(kāi)放式發(fā)展趨勢(shì)，掌握高速網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)以及機(jī)器人等技術(shù)，為未來(lái)機(jī)械人自動(dòng)化生產(chǎn)活動(dòng)積累經(jīng)驗(yàn)，不斷拓展新型產(chǎn)業(yè)中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用空間。