張良安，張成鑫，謝勝龍

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243000；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 前言

近年來，隨著《中國(guó)制造2025》計(jì)劃以及工業(yè)4.0概念的提出，工業(yè)機(jī)器人作為可編程的機(jī)電一體化的產(chǎn)品，在搬運(yùn)、噴涂和焊接等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。工業(yè)機(jī)器人最常見的編程方式主要為示教再現(xiàn)編程的方式。但隨著機(jī)器人工作環(huán)境越來越復(fù)雜、作業(yè)要求的精度越來越高，機(jī)器人示教再現(xiàn)編程方法因過程繁瑣、精度低等缺點(diǎn)，已然無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)制造中大部分應(yīng)用的要求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和硬件產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)得到了實(shí)現(xiàn)和快速的發(fā)展[2]。離線編程不需要在線對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，它利用CAD技術(shù)建立機(jī)器人的虛擬仿真環(huán)境，再通過機(jī)器人真實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)模擬機(jī)器人運(yùn)行軌跡，然后將運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可以執(zhí)行的程序，以達(dá)到機(jī)器人編程的目的[3]。相較示教再現(xiàn)編程，離線編程可以實(shí)現(xiàn)編程者遠(yuǎn)離機(jī)器人工作環(huán)境，減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間，安全性與效率更高；并且離線編程系統(tǒng)編譯結(jié)果更直觀，碰撞檢測(cè)與軌跡規(guī)劃效果更好。

目前市面上主流的工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件主要有RobotStudio、RobotArt、RobotMaster等。這些離線編程軟件一般比較昂貴，開放性與通用性較差，不便于進(jìn)行二次開發(fā)。因此，很多學(xué)者針對(duì)機(jī)器人不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)離線編程系統(tǒng)作了相應(yīng)的研發(fā)，如焊接、涂膠等應(yīng)用領(lǐng)域[4-6]。但這些機(jī)器人離線編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式都是先通過點(diǎn)位標(biāo)定示教，然后規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)行軌跡。這樣不可避免地產(chǎn)生標(biāo)定誤差，影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度[7]。

為了提高離線編程系統(tǒng)的可操作性與精度，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，目前使用最多的是視覺傳感器。通過視覺傳感器采集圖像，利用圖像處理算法提取所需信息，然后離線編程系統(tǒng)根據(jù)這些信息規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的目標(biāo)路徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)。如周方明等[8]研究了基于激光視覺的焊接機(jī)器人離線自動(dòng)編程技術(shù)，通過離線尋位程序和激光尋位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確定位焊縫。倪自強(qiáng)等[9]開發(fā)了基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人示教編程系統(tǒng)，在雙目視覺引導(dǎo)下完成對(duì)特定軌跡的示教編程。白鳳民等[10]研究了三維視覺在激光焊接機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合三維視覺實(shí)現(xiàn)激光焊接空間曲線的離線編程。但這些研究往往僅局限于單一的三維建模軟件平臺(tái)，通用性較差。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(Virtual Reality Modeling Language, VRML)作為一種三維世界的場(chǎng)景建模語言，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于具有平臺(tái)無關(guān)性，因此該語言能解決離線編程的跨平臺(tái)問題[11]。

基于此，本文作者利用VRML技術(shù)開發(fā)了一套基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。首先基于模塊化思想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的原理與設(shè)計(jì)，最后以一種六軸工業(yè)機(jī)器人為測(cè)試對(duì)象驗(yàn)證了該離線編程系統(tǒng)的基本功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

基于視覺的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)被劃分為不同的功能模塊，各模塊之間采用開放的程序接口和通信平臺(tái)相連接，各功能模塊通過讀取配置文件進(jìn)行功能的集成，由此提高系統(tǒng)的可重構(gòu)性。系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：機(jī)器視覺模塊、虛擬環(huán)境模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、軌跡規(guī)劃模塊、離線程序模塊和外部通信模塊。

圖1 離線編程系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of offline programming system

根據(jù)上述系統(tǒng)組成框架搭建的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)、六軸SCARA機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器以及工控機(jī)。視覺系統(tǒng)選用500萬像素黑白CMOS工業(yè)相機(jī)，8 mm手動(dòng)調(diào)焦鏡頭以及光源。工業(yè)相機(jī)通過支架垂直固定拍攝區(qū)域正上方，光源固定于相機(jī)正下方。六軸SCARA機(jī)器人本體關(guān)節(jié)全部采用運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)，并將其嵌入工控機(jī)中。視覺系統(tǒng)以及離線編程軟件全部在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行。相關(guān)設(shè)備元件信息見表1。

圖2 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)Fig.2 Offline programming system of industrial robot

表1 設(shè)備元件參數(shù)Tab.1 Parameters of equipments

1.2 工作原理

基于視覺的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)工作流程如圖3所示。首先通過視覺系統(tǒng)采集目標(biāo)加工工件圖片，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)圖像處理，提取目標(biāo)點(diǎn)位，步驟如圖3(b)所示；之后離線編程系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊與軌跡規(guī)劃模塊進(jìn)行運(yùn)算，并自動(dòng)生成離線程序，步驟如圖3(c)所示；同時(shí)虛擬模型界面對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后利用在線通信的方式將程序?qū)霗C(jī)器人控制器中，控制機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

圖3 離線編程系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 機(jī)器視覺模塊

機(jī)器視覺模塊主要包括圖像采集、圖像處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分。圖像采集系統(tǒng)是對(duì)目標(biāo)加工路徑進(jìn)行原圖像采集；圖像處理系統(tǒng)是對(duì)采集到的原圖像進(jìn)行相應(yīng)的視覺算法處理；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的作用是將圖像處理后的圖像坐標(biāo)點(diǎn)位轉(zhuǎn)換成實(shí)際的機(jī)器人坐標(biāo)。

(1) 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集設(shè)備、圖像處理設(shè)備等部分[12]。工業(yè)相機(jī)用于采集目標(biāo)物體的數(shù)字圖像；鏡頭用于將物體表面反射或透射的成像光束匯聚于焦平面上的圖像傳感器;圖像采集設(shè)備可以將來自圖像傳感器的信號(hào)傳輸給工業(yè)計(jì)算機(jī)。圖4所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意。

圖4 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of vision system

(2) 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)器視覺模塊中起著至關(guān)重要的作用，在圖像采集系統(tǒng)采集到原圖像后，利用圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行處理后提取目標(biāo)特征數(shù)據(jù)。圖像的處理過程如圖5所示。

圖5 圖像處理過程Fig.5 Image processing

圖像采集系統(tǒng)采集的原始圖像往往包含很多的噪聲與畸變，這些嚴(yán)重影響了圖像的質(zhì)量，不利于從中提取目標(biāo)特征。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有很多，如圖像經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、線路傳輸?shù)榷紩?huì)產(chǎn)生噪聲污染。因此，必須要對(duì)原始圖像進(jìn)行圖像濾波等預(yù)處理。圖像濾波的作用是把被處理圖像的大部分細(xì)節(jié)特征進(jìn)行保留，同時(shí)對(duì)圖像中的噪聲進(jìn)行抑制。

在對(duì)圖像預(yù)處理后，需要對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割處理。閾值分割通常采用二值化方法(Threshold)處理。其原理是利用圖像中需要提取的目標(biāo)區(qū)域和背景在灰度上的差異，并通過選擇適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行分類。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

圖像在閾值分割后進(jìn)入形態(tài)學(xué)處理，突出目標(biāo)特征。常用的形態(tài)學(xué)處理函數(shù)有Basic基礎(chǔ)形態(tài)學(xué)、Adv.Morphology高級(jí)形態(tài)學(xué)、Particle Filter粒子過濾等。最后采用LabVIEW視覺助手中機(jī)器視覺模塊(Machine Vision)提取目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，輸出到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中做進(jìn)一步分析處理。

(3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作用是通過對(duì)相機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，建立圖像坐標(biāo)與實(shí)際場(chǎng)景中機(jī)器人坐標(biāo)之間的關(guān)系。經(jīng)圖像處理系統(tǒng)處理后得到的圖像點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)下的點(diǎn)位數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換原理基于圖像上的點(diǎn)位坐標(biāo)與空間里面的目標(biāo)物體表面實(shí)際點(diǎn)的幾何位置存在映射的關(guān)系。這一關(guān)系可以用式(2)來描述：

(2)

式中：Xc、Yc、Zc為相機(jī)坐標(biāo)系；Xw、Yw、Zw為機(jī)器人世界坐標(biāo)系；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；M為平移矩陣。

2.2 虛擬環(huán)境模塊

虛擬環(huán)境模塊是工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的前提與基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是在編程軟件中建立機(jī)器人與運(yùn)行環(huán)境的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的仿真模擬。為了更好地建立實(shí)體環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的關(guān)系，文中主要利用LabVIEW中的3D Picture Control工具包以及通用三維建模軟件實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的搭建。具體流程如下：

(1) 建立機(jī)器人與外部運(yùn)行環(huán)境的三維模型。目前市面上廣泛使用的三維建模軟件有SolidWorks、UG等。這些軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，都具有強(qiáng)大的三維建模功能，并且都支持VRML虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)。利用該類軟件可以快速準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)器人以及運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行三維建模。

(2) 通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)出三維模型。為了LabVIEW可以調(diào)用相關(guān)部件，需要在三維建模軟件中將各部件通過VRML標(biāo)準(zhǔn)接口導(dǎo)出為wrl格式的文件[13]。由于文中選用的工業(yè)機(jī)器人具有6個(gè)自由度，因此整體可以拆分成7個(gè)相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的零部件。

(3) LabVIEW環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境搭建。3D Picture control為L(zhǎng)abVIEW專門進(jìn)行三維圖形建模的模塊。其作用為將導(dǎo)出的wrl格式的部件導(dǎo)入LabVIEW的三維環(huán)境中，并且根據(jù)實(shí)際參數(shù)建立各部件之間的相對(duì)位置關(guān)系。

經(jīng)過上述步驟實(shí)現(xiàn)LabVIEW中機(jī)器人的虛擬仿真環(huán)境搭建。整體步驟如圖6所示。

圖6 虛擬仿真環(huán)境搭建流程Fig.6 Flow of virtual simulation environment building

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊

離線編程系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊是機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。只有先對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，才能保證離線編程系統(tǒng)中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)姿態(tài)的準(zhǔn)確性。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析首先需要建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，文中采用改進(jìn)D-H坐標(biāo)法，建立機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，如圖7所示。并根據(jù)機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系列出D-H的參數(shù)，如表2所示。

圖7 機(jī)器人連桿坐標(biāo)系Fig.7 Linkage coordinate of robot

表2 機(jī)器人D-H參數(shù)Tab.2 D-H parameters of robot

(3)

由于在離線編程過程中需要根據(jù)機(jī)器人的目標(biāo)位姿計(jì)算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)角的角度，故需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可采用文獻(xiàn)[15]中介紹的代數(shù)法，根據(jù)機(jī)器人的末端軌跡依次求出各關(guān)節(jié)變量(θ1、θ2、d3、θ4、θ5、θ6)的計(jì)算公式。

2.4 軌跡規(guī)劃模塊

為了使虛擬仿真環(huán)境中的機(jī)器人具有相關(guān)運(yùn)動(dòng)功能，開發(fā)了機(jī)器人軌跡規(guī)劃模塊。通過封裝機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法，使得離線編程系統(tǒng)中機(jī)器人的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡更加符合實(shí)際情況。文中采用文獻(xiàn)[16]中介紹的修正梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

基于上述文獻(xiàn)中的修正梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)視覺模塊輸出的機(jī)器人起始點(diǎn)與終止點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行關(guān)節(jié)空間插補(bǔ)或笛卡爾空間插補(bǔ)[17]，得到運(yùn)動(dòng)過程中各時(shí)間機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的位置；再將其通過運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模塊中運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的計(jì)算公式求得各時(shí)間對(duì)應(yīng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)值。

2.5 離線程序模塊

離線編程模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，該模塊包括離線程序的自動(dòng)生成、編譯以及運(yùn)行等功能，如圖8所示。

圖8 離線程序模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.8 Function structure of offline program module

(1) 離線程序生成

離線程序模塊基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊與軌跡規(guī)劃模塊將目標(biāo)點(diǎn)位位姿數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的離線程序并將其保存在本地。為了提高離線編程程序的可讀性，文中開發(fā)了一套較為完善的機(jī)器人離線編程語言系統(tǒng)，如表3所示。該編程語言主要由指令項(xiàng)和數(shù)據(jù)項(xiàng)兩部分組成。指令項(xiàng)代表的是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，如關(guān)節(jié)插補(bǔ)(MOVP)或直線插補(bǔ)(MOVL)；數(shù)據(jù)項(xiàng)是機(jī)器人的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)的是機(jī)器人末端點(diǎn)位所對(duì)應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)。

表3 機(jī)器人離線編程語言系統(tǒng)Tab.3 Offline programming language system of robot

(2) 離線程序編譯

離線程序編譯是對(duì)自動(dòng)生成的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，一是判斷點(diǎn)位數(shù)據(jù)在本地是否成功保存，二是提取關(guān)鍵點(diǎn)的角度值或位姿信息，為后續(xù)的仿真運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3) 離線程序運(yùn)行

離線程序運(yùn)行是將程序編譯后解析出的指令以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬環(huán)境中，通過其中的三維場(chǎng)景對(duì)程序指令實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬仿真運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人作業(yè)的過程可以通過圖形用戶界面直觀地顯示，仿真結(jié)果可用來對(duì)離線編程代碼進(jìn)行可行性分析。若結(jié)果不符合期望，則需要根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)離線程序進(jìn)行相應(yīng)修改。

2.6 外部通信模塊

經(jīng)由上述離線程序模塊對(duì)離線程序進(jìn)行自動(dòng)生成以及驗(yàn)證無誤后，即可將離線程序?qū)氲綑C(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行外部加工作業(yè)。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制由控制器與驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，離線程序的指令結(jié)構(gòu)與機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)行指令并不兼容。因此在將離線程序?qū)霗C(jī)器人控制系統(tǒng)之前，還需將它轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制器能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)參數(shù)。具體過程如下：首先在LabVIEW中調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫，將其API函數(shù)封裝成運(yùn)動(dòng)控制VI并嵌入PC控制系統(tǒng)；再將離線程序進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制卡中；最后通過TCP/IP協(xié)議建立工控機(jī)與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器之間的通信，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令給機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，由它控制機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。圖9所示為具體通信流程。

圖9 系統(tǒng)通信流程Fig.9 Flow of system communication

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)加工路徑選用常見的直線路徑。經(jīng)由圖像采集系統(tǒng)采集的原圖像以及經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理后的圖像如圖10所示，從中提取的路徑起始點(diǎn)與末端點(diǎn)的坐標(biāo)以及通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換輸入到離線編程系統(tǒng)中的坐標(biāo)如表4所示。

圖10 視覺系統(tǒng)

表4 目標(biāo)加工點(diǎn)位數(shù)據(jù)Tab.4 Data of target machining point

離線編程系統(tǒng)根據(jù)加工路徑的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃以及程序生成，并在虛擬仿真環(huán)境中仿真運(yùn)行。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真運(yùn)行結(jié)果Fig.11 Simulation operation results

最后通過在線通信的方式將離線程序?qū)霗C(jī)器人控制器中，控制物理機(jī)器人運(yùn)行。物理機(jī)器人運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。運(yùn)行的路徑數(shù)據(jù)與目標(biāo)加工路徑的數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

圖12 物理機(jī)器人運(yùn)行結(jié)果Fig.12 Experimental results of industrial robot

表5 實(shí)際運(yùn)行路徑數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比

由物理機(jī)器人的運(yùn)行結(jié)果可知：實(shí)際運(yùn)行路徑與目標(biāo)加工路徑的最大誤差為0.4 mm，證明了基于視覺的離線編程系統(tǒng)滿足精度要求。

運(yùn)行過程中關(guān)節(jié)的角速度曲線如圖13所示?？梢钥闯觯簷C(jī)器人在運(yùn)行過程中關(guān)節(jié)角速度變化連續(xù)且平滑、無突變，可滿足工業(yè)應(yīng)用需求。

圖13 運(yùn)行過程中機(jī)器人關(guān)節(jié)速度Fig.13 Joint speed of robot during operation

4 結(jié)束語

為解決傳統(tǒng)離線編程系統(tǒng)通用性差、可靠性低和二次開發(fā)難度大等問題，文中基于VRML技術(shù)開發(fā)一套基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該離線編程系統(tǒng)具有不需要依賴于具體的CAD軟件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)機(jī)器視覺的引入極大地提高工業(yè)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的感知能力和加工作業(yè)時(shí)的精度。