李洪濤，張明柱，賈曉敏

(1. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003;2. 鄭州交通職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450062)

0 前言

自20 世紀(jì)60年代美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品已成為柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacture System)、自動(dòng)化工廠(Automatic Factory)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System)的自動(dòng)化工具［1－9］。近幾年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人已獲得日益廣泛的應(yīng)用，隨著成組裝運(yùn)的快速發(fā)展，向貨板上裝貨操作呈現(xiàn)出自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，于是人們研制出搬運(yùn)機(jī)器人來(lái)完成紙箱、油桶、罐頭盒等物品搬運(yùn)與堆放等操作。機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同要求配備不同的手爪(例如機(jī)械手爪、電磁吸盤、真空吸盤等)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工件的拾取搬運(yùn)以及對(duì)零部件的放置和裝配，不但定位精確、工作節(jié)拍可調(diào)、工作空間大，而且性能優(yōu)良、運(yùn)行平穩(wěn)、維修方便。

在機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行拾取搬運(yùn)以及對(duì)零部件放置、裝配過程中，操作位置的精確度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量及效率。為解決機(jī)器人在工作過程中出現(xiàn)位置偏差的問題，本文作者以目前應(yīng)用較多的MOTOMAN-SV3X 輕型機(jī)器人為例，研究具有視覺定位及位置調(diào)整功能的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在機(jī)器人執(zhí)行末端安裝真空吸盤，特別適用于對(duì)體積小、不易夾持的零部件(例如集成塊、玻璃等)進(jìn)行拾取、放置及裝配，該系統(tǒng)也可以直接移植到具有相同自由度布局的機(jī)器人。

1 系統(tǒng)組成

基于視覺信息的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)由機(jī)器人、攝像頭、圖像采集、圖像處理系統(tǒng)、搬運(yùn)系統(tǒng)、工作臺(tái)A、工作臺(tái)B 以及被搬運(yùn)工件組成，其搬運(yùn)系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1 所示［10］。

在原有的機(jī)器人控制器之外提供一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位控制器，用攝像機(jī)作為數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。在拾取工件之后，用攝像機(jī)對(duì)工件進(jìn)行拍攝，通過圖像處理提取工件的拾取位置偏差并計(jì)算出機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，最后通過正向反解得到每個(gè)軌跡點(diǎn)上機(jī)器人的位置。通過控制軟件Motocom32 將其軌跡數(shù)據(jù)和位置偏差以機(jī)器人JOB 文件的形式傳入控制柜，進(jìn)而控制機(jī)器人將工件放置在正確的位置。

圖1 搬運(yùn)系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 所示為MOTOMAN-SV3X 機(jī)器人。它屬于關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人，主要由吸盤1、腕力傳感器2、手腕3、上臂4、下臂5 和底座6 構(gòu)成。

機(jī)器人的6 個(gè)關(guān)節(jié)自由度分別為:腕部回轉(zhuǎn)、腕部擺動(dòng)、小臂自轉(zhuǎn)、小臂擺動(dòng)、大臂擺動(dòng)、腰部回轉(zhuǎn)。

圖2 MOTOMAN-SV3X 機(jī)器人

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3 所示，用攝像機(jī)對(duì)工件進(jìn)行拍攝，對(duì)其照片進(jìn)行圖像采集和預(yù)處理，提取工件的特征參數(shù)，完成對(duì)工件的初始定位。利用Motocom32 通訊軟件將生成的JOB 文件傳到MOTOMAN XRC 控制柜中，由控制柜啟動(dòng)機(jī)器人拾取工件，拾取工件完成后利用攝像機(jī)對(duì)其拍照，將拍攝照片中的實(shí)際拾取位置和之前編輯儲(chǔ)存的指定拾取位置對(duì)比，計(jì)算出拾取位置偏差值，將其偏差值換算成機(jī)器人系統(tǒng)中吸盤端點(diǎn)P 的坐標(biāo)(px，py，pz)和方向矢量n、o、a 的差值，將位置偏差通過Motocom32 軟件傳入控制柜，進(jìn)而修改預(yù)先編輯好的目標(biāo)位置，控制機(jī)器人將工件精確地放置在合適的位置。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

3 MOTOMAN-SV3X 機(jī)器人的位姿

3.1 位置描述

將直角基坐標(biāo)系O-xyz 定義在底座的中心處，將其端點(diǎn)指定為吸盤(夾持器)底部?jī)蓸?biāo)記點(diǎn)連線的中點(diǎn)P (如圖2 中的點(diǎn)P 所示)，于是，在直角基坐標(biāo)系中，機(jī)器人末端吸盤的端點(diǎn)P 的坐標(biāo)為(px，py，pz)，則其齊次坐標(biāo)可用4×1 的列矢量P 來(lái)表示:

用位置矢量P 來(lái)確定機(jī)器人末端吸盤在運(yùn)動(dòng)空間中的位置［11］。

3.2 姿態(tài)描述

機(jī)器人末端吸盤的姿態(tài)可用固接于吸盤的坐標(biāo)系(也稱工具坐標(biāo)系)相對(duì)于基坐標(biāo)系的方位來(lái)描述。如圖4 所示，此坐標(biāo)系O1-x1y1z1的原點(diǎn)在P 點(diǎn)上。

圖4 機(jī)器人末端吸盤坐標(biāo)系

描述吸盤方向的三個(gè)單位矢量的指向如圖4 所示。圖中z1向矢量處于吸盤靠近物體的方向上，指向朝外，稱作接近矢量a;y1向矢量從吸盤底部標(biāo)記的一點(diǎn)指向另一點(diǎn)，處于規(guī)定的機(jī)器人末端方向上，稱作方向矢量o;x1向矢量n，矢量a 和矢量o 可構(gòu)成一個(gè)右手矢量集合，即n=o×a，稱作法向矢量。于是機(jī)器人吸盤的姿態(tài)可用4 ×4 齊次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣R 表示為:

3.3 位姿描述

當(dāng)已知吸盤位置矢量P 和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣R 時(shí)，描述吸盤位姿的矩陣T 就能確定如下［12］:

機(jī)器人吸盤的位置和姿態(tài)可以從矩陣T 反過來(lái)求出，即在基系中，吸盤端點(diǎn)的坐標(biāo)為 (px，py，pz)，它的姿態(tài)可用固接于端點(diǎn)上坐標(biāo)系的各軸單位矢量表示，分別是n、o 和a。

4 對(duì)拾取位置偏差的解決方法

預(yù)先編譯好工件的指定拾取位置x1，y1，z1，如圖5 所示，當(dāng)機(jī)器人拾取工件并移動(dòng)到程序點(diǎn)4 時(shí)，對(duì)拾取工件進(jìn)行拍照，然后對(duì)其照片進(jìn)行圖像處理，提取特征參數(shù)，計(jì)算出實(shí)際拾取位置x2，y2，z2，得出拾取位置偏差為cx=x2－x1，cy=y2－y1，cz=z2－z1，當(dāng)機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的程序指令移動(dòng)到設(shè)定目標(biāo)位置附近點(diǎn)7 時(shí)，此時(shí)機(jī)器人手部端點(diǎn)P 的位置坐標(biāo)為(px，py，pz)，在此基礎(chǔ)上與得到的拾取偏差值相加，即得到考慮拾取偏差值在內(nèi)的正確目標(biāo)位置(mx，my，mz)，即mx=px+cx，my=py+cy，mz=pz+cz。同理，預(yù)先編譯好機(jī)器人手部端點(diǎn)P 的三個(gè)方向矢量是n1，o1，a1，計(jì)算出實(shí)際拾取時(shí)端點(diǎn)P 的方向矢量為n2，o2，a2，得出端點(diǎn)P 方向矢量偏差為d0=n2－n1，e0=o2－o1，f0=a2－a1，此時(shí)機(jī)器人手部端點(diǎn)P 的方向矢量為n，o，a，在此基礎(chǔ)上與得到的P 點(diǎn)矢量偏差相加，即得出考慮拾取偏差值在內(nèi)的正確目標(biāo)矢量d，e，f，即d =n +d0，e =o +e0，f =a+f0，將得出的正確目標(biāo)位置和姿態(tài)代入等式(3)，即得出描述機(jī)器人吸盤位姿的正確目標(biāo)矩陣T'，如等式(4)所示。最后，機(jī)器人通過重新規(guī)劃好的搬運(yùn)軌跡放置工件。

圖5 預(yù)定機(jī)器人搬運(yùn)工件示意圖

通過圖像處理獲得工件的特征參數(shù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人能夠識(shí)別的文件格式［13］，該JOB 文件中包含數(shù)據(jù)和偽指令。MOTOMAN-SV3X 工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)文件如下:

/ JOB;//作業(yè)

// NAME MOTEST;//自定義的文件名稱

// POS

/// NPOS 10，0，0，0，0，0;//程序點(diǎn)個(gè)數(shù)

/// TOOL 0;//工具號(hào)為0

/// POSTYPE PULSE;//以脈沖數(shù)作為關(guān)節(jié)變量

/// PULSE;//關(guān)節(jié)坐標(biāo)

C00000 = 0，0，0，0，0，0;//機(jī)器人在示教時(shí)各程序點(diǎn)對(duì)應(yīng)的6 個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)

C00001 = 0，0，0，0，136 210，0

C00002 = 202 356，0，0，0，136 210，0

C00003 = 201 410，251 302，－128 025，5，196 512，2

C00004 = 170 212，455 110，－216 564，10，190 609，0

C00005 = 210 001，346 467，－301 237，13，217 640，－3

C00006 = 231 561，328 091，－523 148，15，231 091，－6

C00007 = 179 637，361 282，－371 066，17，257 943，－9

C00008 = 189 504，339 577，－247 783，20，213 011，－11

C00009 = 0，0，0，0，0，0

// INST

/// DATE 2012/5/8 15:07;//程序編制的日期

/// ATTR SC，RW

/// GROUP 1 RB1;//控制軸組為RB1

用RS-232C 將機(jī)器人控制柜與PC 機(jī)連接，通過調(diào)用Motocom32 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的外部接口函數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與機(jī)器人的通信，將上述機(jī)器人JOB 文件上傳到機(jī)器人控制柜，從而開始對(duì)機(jī)器人的控制，然后上傳搬運(yùn)程序執(zhí)行部分，便可控制機(jī)器人進(jìn)行工作。

搬運(yùn)程序執(zhí)行部分:

在機(jī)器人拾取工件并移動(dòng)到程序點(diǎn)4 時(shí)，對(duì)工件的拾取位置進(jìn)行拍照，并對(duì)其照片進(jìn)行圖像處理從而采集數(shù)據(jù)，再將采集到的和預(yù)先設(shè)定的拾取位置數(shù)據(jù)對(duì)比，得出拾取位置偏差。

根據(jù)得到的拾取位置偏差，修改預(yù)先編譯的后續(xù)程序點(diǎn)軌跡指令，通過調(diào)用Motocom32 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中外部接口函數(shù)，將重新規(guī)劃的搬運(yùn)軌跡以JOB 文件形式上傳到程序存儲(chǔ)器。

0013 DOUT OT# (15)OFF;//外部信號(hào)接口15 口關(guān)

0014 DOUT OT# (16)ON;//外部信號(hào)接口16 口開

0015 WAIT IN# (16) =ON;//等外部信號(hào)和指定信號(hào)匹配，將重新規(guī)劃的搬運(yùn)軌跡以JOB 文件形式傳入機(jī)器人程序存儲(chǔ)器

機(jī)器人按照重新規(guī)劃好的搬運(yùn)軌跡準(zhǔn)確地將工件放置在目標(biāo)位置。

0016 MOVJ C00007 VJ =50.0;//程序點(diǎn)8，機(jī)器人放置工件至工作臺(tái)B

0017 MOVJ C00008 VJ = 100.0;//程序點(diǎn)9，機(jī)器人移至不碰觸工件和夾具(放置后)

0018 MOVL C00009 V =500.0;//程序點(diǎn)10，移動(dòng)機(jī)器人至程序點(diǎn)1

0019 END;//結(jié)束

5 結(jié)論

開發(fā)了基于視覺信息的工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了機(jī)器人的位姿描述以及對(duì)機(jī)器人拾取位置偏差的解決方法，該方法能實(shí)時(shí)控制機(jī)器人工作，及時(shí)修改軌跡以確保機(jī)器人將工件精確放置在合適的位置，為工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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