吳文俊，孫洋，魏武，夏蕾，陳曉斌，陳小建，方鋒

一種汽車零配件生產(chǎn)線系統(tǒng)集成方案概述

吳文俊，孫洋，魏武，夏蕾，陳曉斌，陳小建，方鋒

（琦星智能科技股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317600）

由工業(yè)機(jī)器人組成的現(xiàn)代生產(chǎn)線系統(tǒng)越來越普遍，針對(duì)個(gè)性化應(yīng)用現(xiàn)場，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人難以滿足小批量、多樣化、生產(chǎn)柔性和智能化等諸多個(gè)性細(xì)節(jié)的要求。介紹了一種靈活的、適用于多種應(yīng)用環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人的二次開發(fā)方案，其能夠具體應(yīng)用于汽車零配件生產(chǎn)線。

汽車零配件；工業(yè)機(jī)器人；生產(chǎn)線；智能生產(chǎn)

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色[1]，隨著生產(chǎn)流程越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的普通機(jī)器人系統(tǒng)無法滿足生產(chǎn)制造業(yè)小批量、多樣化、生產(chǎn)柔性和智能化等諸多個(gè)性細(xì)節(jié)的要求。在實(shí)際的系統(tǒng)集成應(yīng)用中，需要對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足不同應(yīng)用現(xiàn)場的個(gè)性化要求。具體的個(gè)性化應(yīng)用要求一般包括簡單的示教流程、靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境和高安全性。本文介紹一種基于傳統(tǒng)機(jī)器人的應(yīng)用二次開發(fā)方案，解決汽車零配件生產(chǎn)線的機(jī)加工生產(chǎn)過程中前序加工后物料堆疊規(guī)整性不足、難以通過常規(guī)定位手段確定機(jī)器人初始抓取位姿的問題。

1 機(jī)器人系統(tǒng)二次優(yōu)化

1.1 友好的人機(jī)界面簡化示教流程

傳統(tǒng)的機(jī)器人示教主要是手動(dòng)在線試教和離線試教，該類示教都是基于特定的機(jī)器人編程語言實(shí)現(xiàn)的，機(jī)器人操作者需要有一定的編程基礎(chǔ)，這極大地增加了機(jī)器人應(yīng)用推廣的難度。本方案開發(fā)的人機(jī)友好的“菜單式”示教系統(tǒng)，研究視角系統(tǒng)軟件在PC、PAD、智能手機(jī)等平臺(tái)通用，使用后可因地制宜部署機(jī)器人。結(jié)合協(xié)作機(jī)器人的特性，研究拖拽試教、跟隨示教等多種方式的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，讓用戶能夠通過簡單的拖拽或視覺跟隨就可以完成示教過程，以降低機(jī)器人使用的門檻，提高機(jī)器人部署的速度。此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要三維仿真和逆向在線技術(shù)的支持。通過轉(zhuǎn)換程序，將AutoCAD、3DS/3DMAX等3D圖形設(shè)計(jì)軟件制作的DXF和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組，結(jié)合OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)器人的三維仿真，這樣就能夠在離線的情況下對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程[2]。

1.2 基于機(jī)器人動(dòng)態(tài)力反饋的人機(jī)協(xié)作安全技術(shù)

機(jī)器人的安全始終是最重要的環(huán)境，傳統(tǒng)的機(jī)器人都采用攔、堵、隔的方式，讓人與機(jī)器人保持一定的安全距離。針對(duì)人員密集型生產(chǎn)線人機(jī)交互頻繁、難以獨(dú)立設(shè)置機(jī)器人工作空間的問題，本方案依據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡和負(fù)載狀態(tài)預(yù)測機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的方法，繼而通過在機(jī)器人中設(shè)置三軸加速度傳感器，結(jié)合高精度電機(jī)電流傳感器，研究傳感信息融合機(jī)理，建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)狀態(tài)同傳感信息的映射模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各工作臂的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人與人體發(fā)生接觸等意外狀況時(shí)，依據(jù)工作臂異常動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，及時(shí)控制機(jī)械臂執(zhí)行安全動(dòng)作，保證人員的安全。

1.3 機(jī)器人路徑規(guī)劃與軌跡生成技術(shù)

引入基于人工勢場法的相關(guān)理論，在機(jī)器人工作環(huán)境中引入目標(biāo)引力和障礙物排斥力的思想策略，形成具有自適應(yīng)的目標(biāo)引力。基于快速擴(kuò)展隨機(jī)樹（RRT）的路徑規(guī)劃算法，通過對(duì)狀態(tài)空間中的采樣點(diǎn)進(jìn)行碰撞檢測，避免對(duì)空間的建模，有效解決高維空間和復(fù)雜約束的路徑規(guī)劃問題。該方法的特點(diǎn)是能夠快速、有效地搜索高維空間，通過狀態(tài)空間的隨機(jī)采樣點(diǎn)，把搜索導(dǎo)向空白區(qū)域，從而尋找到一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的規(guī)劃路徑，適合解決多自由度機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。通過以上兩種方式，即首先根據(jù)機(jī)器人所處的環(huán)境空間和障礙物空間位姿構(gòu)建人工勢場，然后在雙向RRT算法在擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過周圍環(huán)境有無障礙物形成引力勢場來控制隨機(jī)樹的生長方向，最終引導(dǎo)新節(jié)點(diǎn)朝著目標(biāo)點(diǎn)方向擴(kuò)展生長，并有效避開障礙物。這樣可以大幅度提高機(jī)器人軌跡生成的效率。機(jī)器人路徑規(guī)劃和軌跡生成技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 機(jī)器人路徑規(guī)劃和軌跡生成技術(shù)方案

2 三維機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)方法的無序零件快速識(shí)別

針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的零件經(jīng)常處于無序堆疊的狀態(tài)與機(jī)器人抓取必須具備準(zhǔn)確位姿的矛盾，采用三維機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)，在三維空間中識(shí)別目標(biāo)物體，利用實(shí)時(shí)信息來規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線，以支持在線運(yùn)功規(guī)劃和控制。使用雙目或深度相機(jī)為載體，利用開源點(diǎn)云運(yùn)算庫（Point Cloud Library）中的平面分割、歐式聚類、ICP點(diǎn)云匹配等算法，實(shí)現(xiàn)三維空間物體的快速、準(zhǔn)確定位。以Alexnet、Googlenet等開源卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究針對(duì)特定物體的深度學(xué)習(xí)方法[3]。結(jié)合支持向量機(jī)等智能分類算法，提出針對(duì)特定物體的快速定位技術(shù)。機(jī)器人目標(biāo)物視覺識(shí)別與位姿計(jì)算方案如圖2所示。

圖2 機(jī)器人目標(biāo)物視覺識(shí)別與位姿計(jì)算方案

3 智能工業(yè)機(jī)器人工程化應(yīng)用

針對(duì)典型汽車零配件機(jī)加工生產(chǎn)過程中前序加工后物料堆疊規(guī)整性不足、難以通過常規(guī)定位手段確定機(jī)器人初始抓取位姿的問題，本項(xiàng)目擬將所研發(fā)的智能機(jī)器人運(yùn)用到機(jī)床物料連線環(huán)節(jié)，通過導(dǎo)入前述人工智能技術(shù)訓(xùn)練視覺系統(tǒng)，使機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)抓取物的當(dāng)前位姿，準(zhǔn)確抓取目標(biāo)零件并調(diào)整姿態(tài)送入機(jī)床夾具。這樣做也可以降低對(duì)物料輸送料盤技術(shù)要求，提高生產(chǎn)線的柔性程度。導(dǎo)入機(jī)床和機(jī)器人工作環(huán)境三維數(shù)據(jù)，建立人工勢場，驗(yàn)證并完善機(jī)器人軌跡規(guī)劃和路徑生成技術(shù)以及機(jī)器人安全技術(shù)[4]。通過與操作人員溝通論證示教系統(tǒng)人機(jī)友好型，研究完善智能機(jī)器人工程系統(tǒng)。工程化應(yīng)用技術(shù)研究方案如圖3所示。

圖3 工程化應(yīng)用技術(shù)研究方案

4 結(jié)論

本文概述性介紹了一種工業(yè)機(jī)器人的二次開發(fā)方案，主要是滿足現(xiàn)代化智能工廠制造中的小批量、多樣化、生產(chǎn)柔性的要求。該方案降低了機(jī)器人的使用門檻，提高了機(jī)器人的使用安全。最后應(yīng)用在汽車零配件機(jī)加生產(chǎn)線的現(xiàn)場環(huán)境中，解決了其前序加工后物料堆疊規(guī)整性不足、難以通過常規(guī)定位手段確定機(jī)器人初始抓取位姿的問題。

［1］王田苗，陶永.我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（9）：1-13.

［2］何柳飛.基于Linux的3D圖形技術(shù)的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

［3］尹寶才，王文通，王立春.深度學(xué)習(xí)研究綜述［J］. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（1）：48-59.

［4］闞濤，趙躍東.汽車零配件標(biāo)識(shí)的3D成像識(shí)別在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2019（2）：223-225.

U468

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.008

2095－6835（2019）16－0022－02

吳文?。?973—），男，河南羅山人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事管理和產(chǎn)品研發(fā)工作，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

〔編輯：王霞〕