趙明巖, 蔣昕余, 陳垣融, 楊旭銘, 瞿瑞德

(中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院, 杭州 310018)

0 引 言

繼德國2013年提出工業(yè)4.0概念后[1-2]，我國也提出了中國制造2025，對工業(yè)機器人技術(shù)[3-5]的需求與日俱增。掌握工業(yè)機器人、機器視覺[6-8]、自動控制等先進技術(shù)的綜合是當今社會對新型人才的要求。結(jié)合生活實例，隨著人們生活水平的不斷提高，各種果蔬雕花成了高檔飯店的標配。然而花雕技術(shù)含量高、雕刻效率低，人工成本不斷攀升并存在安全隱患。為此本文結(jié)合生活實際需求，設(shè)計了基于視覺的水果(以哈密瓜為例)雕花機器人創(chuàng)新實驗，針對不同的哈密瓜(大小、位置不同)，配置有攝像頭的機器人可對哈密瓜進行快速拍照、定位、調(diào)整路徑，按照設(shè)定程序，完成哈密瓜雕花。通過本實驗，學(xué)生能夠?qū)⒐I(yè)機器人、攝像頭、機器人末端執(zhí)行器三者組成一個能夠完成特定任務(wù)的機器人系統(tǒng)，以此來提高學(xué)生的科研水平與創(chuàng)新能力。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)哈密瓜雕花技術(shù)要求，機器人系統(tǒng)主要分為3部分：工業(yè)機器人系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)、機器人執(zhí)行終端及其控制。

工業(yè)機器人采用型號為MZ04-01-CFD-0000的納智(NACHI)6自由度機器人，工作半徑541 mm，負載4 kg，重復(fù)定位精度0.02 mm。機器人共有6軸(自由度)：第1軸為手臂回轉(zhuǎn)；第2軸為手臂前后運動；第3軸為手臂上下運動；第4軸與第6軸為手腕回轉(zhuǎn)；第5軸為手腕彎曲。

圖1 機器人系統(tǒng)

機器視覺部分采用低照度、無畸變、200萬像素的OV2710型1080P的USB攝像頭，其視角可達53°。在1 920×1 080分辨率下可達30幀/s，高速無拖影，自動對焦，支持IR-CUT，可傳輸多種數(shù)據(jù)，UVC免驅(qū)協(xié)議兼容多種主流的開發(fā)環(huán)境(Windows、Linux、Android等)。同時配套多種主流語言開發(fā)包及例程，支持Halcon、Labview、Matlab等第三方圖像處理軟件直接調(diào)用。

機器人執(zhí)行終端包括雕刻刀及裝夾平臺，其中裝夾平臺由4個步進電動機驅(qū)動，其中2個型號為42BYG34-401A，2個57BYG34-401A，步矩角Step Angle為1.8°，由單片機控制。

2 實驗準備

2.1 機器人性能及手動操控

了解NACHI工業(yè)機器人基本性能、工作原理、適用場合，每個關(guān)節(jié)的作用及動作范圍。如圖2所示，使學(xué)生掌握手持操控器。操控器不僅可控制機器人進行各種運動，還可以監(jiān)測x、y、z3個位置、roll、pitch、yaw 3個姿態(tài)以及一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)變量。

圖2 機器人手持操控器

操控器屏幕為高亮度LCD液晶屏，顯示效果及人機交互界面友好，用戶操作簡易便捷，可以方便操控機器人，設(shè)定其位置和姿態(tài)。可以通過以太網(wǎng)或USB燒寫程序，可供分步調(diào)試程序，功能強大。依次對6個軸進行按鍵：按X+，X-，則第1軸轉(zhuǎn)動，帶動本體左右回轉(zhuǎn)；按Y+，Y-，則第2軸轉(zhuǎn)動，帶動第2手臂前后俯仰；按Z+，Z-，則第3軸轉(zhuǎn)動，帶動第1手臂上下運動；按RX+，RX-，則第4軸轉(zhuǎn)動，帶動手腕回轉(zhuǎn)；按RX+，RX-，則第5軸轉(zhuǎn)動，使手腕彎曲；按RX+，RX-，則第6軸轉(zhuǎn)動，帶動法蘭回轉(zhuǎn)。通過手持操控器，讓學(xué)生了解每個軸的性能、運動范圍，以及多軸組合運動時的特點。

2.2 機器人視覺系統(tǒng)

了解與機器人配套的攝像頭的基本性能，了解視覺處理器的相關(guān)概念。攝像頭如何將對象的相關(guān)信息(大小、位置等)轉(zhuǎn)換成圖像信號；掌握圖像處理系統(tǒng)將相關(guān)信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的原理，如何對這些信號進行各種運算來提取目標特征，進而控制機器人做出各種設(shè)定動作。

2.3 上位機編程

要求學(xué)生熟悉編程軟件及界面，并能夠?qū)C器人的各軸進行簡單控制。本系統(tǒng)采用納智自帶的編程軟件：FDonDesk Light，可在筆記本上直接編程，編程界面如圖3所示。上位機進行圖像處理，獲取處理對象的像素點位置坐標和角度，通過換算，轉(zhuǎn)換成機器人的位置坐標和角度，再通過套接字通訊發(fā)送給控制柜?？刂乒窠邮盏叫畔⒑?，執(zhí)行程序，控制機器人到達指定坐標并對目標對象實施設(shè)定的動作。

圖3 編程界面

3 哈密瓜雕花實驗設(shè)計

學(xué)生了解了機器人的工作原理后，開始設(shè)計雕花機器人。如圖4所示，在攝像頭、裝夾平臺以及雕刻刀的配合下，完成哈密瓜雕花實驗。

圖4 哈密瓜雕花機器人

3.1 執(zhí)行終端及其控制部分設(shè)計

針對哈密瓜的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計如圖5所示的裝夾平臺，考慮到機器人存在小范圍的死區(qū)，因此裝夾平臺有3個自由度：沿x，y方向移動、繞z軸旋轉(zhuǎn)，此外還包括一個可移式抱緊裝置。抱緊裝置為兩個帶L型彈簧鋼片的抱緊片，外觀呈半圓形，由左右絲桿驅(qū)動，可以將不同大小、形狀的哈密瓜抱緊，抱緊片外殼采用3D打印[9-10]技術(shù)制作而成。

自制的雕刻刀可以固定在機器人自帶的法蘭盤上，雕刻刀不僅可以對哈密瓜進行雕刻，刀具前端還特制了鉤狀結(jié)構(gòu)，配合碎塊清理程序，可以將切下來的哈密瓜碎塊清理。雕刻刀尾部固定結(jié)構(gòu)采用3D打印，方便與機器人第6軸的法蘭盤相連接。

圖5 裝夾平臺

圖6 雕刻刀

裝夾平臺采用STM32F103單片機控制，如圖7所示，單片機可與上位機進行串口通訊。上位機對單片機發(fā)送哈密瓜的尺寸信息，單片機根據(jù)哈密瓜尺寸信息，將哈密瓜可靠固定，并控制裝夾平臺移動到設(shè)定位置。

圖7 單片機控制電路圖

3.2 視覺系統(tǒng)

攝像頭可快速、準確地將哈密瓜大小信息(見圖8)轉(zhuǎn)換成圖像信號(見圖9)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，使其得到被攝目標的形態(tài)信息。根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號進行準確處理，圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制機器人終端的動作，其工作流程圖如10所示。

圖8 哈密瓜原始照片

圖9 圖像處理后的照片

3.3 上位機編程

在Windows操作系統(tǒng)下，進入納智自帶的編程軟件進行編程。編程包括3個部分，圖像處理部分編程(visual studio)、機器人動作編程(FD on Desk)、機器人終端編程(裝夾平臺，單片機編程)。上位機將哈密瓜的像素坐標轉(zhuǎn)換為機器人的機械坐標，下位機通過MOVEX函數(shù)，控制機器人完成雕花動作?？刂茩C器人動作的程序流程如圖11所示。哈密瓜雕刻程序包括如下內(nèi)容：① 待雕刻的哈密瓜到達操作平臺后，攝像頭快速準確捕捉哈密瓜的坐標位置、大小，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給上位機。② 上位機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將哈密瓜的坐標位置信息傳遞給單片機，裝夾平臺接收指令后調(diào)整位置。③ 攝像頭將哈密瓜的截面信息發(fā)送給上位機，上位機結(jié)合客戶的設(shè)定(花瓣數(shù)量、形狀等)調(diào)用程序，機器人完成雕刻。

圖10 圖像處理工作流程

圖11 程序流程圖

如圖12所示為上位機中OpenCV的俯視視覺圖，通過OpenCV函數(shù)引用cv2類里的輪廓周長變量，perimeter=cv2.arcLength(cnt,True)，計算出哈密瓜輪廓的周長。假設(shè)周長為60 cm，并且希望雕刻16個花瓣，則在其輪廓上均布取16點，再以這16個點為中心，形成32個等距線段，雕刻刀均勻切割32刀，形成16個花瓣，相鄰兩個花瓣的距離為60/16=3.75 cm。32刀對應(yīng)的x，y，z軸坐標可通過計算得到?；ò甑膫€數(shù)、形狀均可由用戶事先自定義設(shè)置。

圖12 上位機中OpenCV俯視圖

圖13為正在執(zhí)行雕刻動作的哈密瓜雕花機器人。

4 結(jié) 語

通過本實驗，要求學(xué)生掌握如下技能：① 工業(yè)機器人性能及其編程；② 機器視覺及其編程；③ 機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計與控制(本實驗采用單片機控制，也可采用PLC等)，其中前兩點的結(jié)合是難點和重點。當目標對象大小、形狀不同時，就必須借助攝像頭，判斷對象的狀態(tài)，修正機器人行進路徑。當更換目標對象(如西瓜、木瓜等)時，還需要重新設(shè)計執(zhí)行終端。通過本實驗，學(xué)生將工業(yè)機器人、攝像頭、機器人末端執(zhí)行器三者組成一個機器人系統(tǒng)，完成特定任務(wù)。本實驗貼近生活，學(xué)生非常感興趣，且科技含量高，難度大，綜合性強，可作為創(chuàng)新實驗或者開放性實驗[11-13]，非常適合培養(yǎng)新工科人才[14-15]。