□ 馬震宇 □ 耿 賽

英華達(dá)(上海)科技有限公司 上海 201114

1 設(shè)計(jì)背景

在“中國制造2025”國家戰(zhàn)略方針的推動下,隨著工業(yè)制造技術(shù)水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在我國的應(yīng)用正在朝普及化方向發(fā)展,機(jī)器換人成為我國制造業(yè)的一大熱點(diǎn)。在這一龐大的市場應(yīng)用過程中,機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品迭代為更多新產(chǎn)品的應(yīng)用提供了發(fā)展空間,復(fù)合型機(jī)器人由此應(yīng)運(yùn)而生。

復(fù)合型機(jī)器人大多采用自動導(dǎo)引車+多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu),兩者都是工業(yè)領(lǐng)域具有代表性的工業(yè)自動化產(chǎn)品。將自動導(dǎo)引車與多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合,使復(fù)合型機(jī)器人有更廣闊的應(yīng)用空間。復(fù)合型機(jī)器人具備人的特點(diǎn),擁有手和腳,隨著視覺導(dǎo)航技術(shù)的成熟，眼睛也更具類人性。

復(fù)合型機(jī)器人基于自動導(dǎo)引車的結(jié)構(gòu),具備精確定位的行走功能,所搭載的機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)在各種工況下的定制作業(yè)。

結(jié)合企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等信息系統(tǒng)的指令,復(fù)合型機(jī)器人可以與信息系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)作。調(diào)度人員通過系統(tǒng)向復(fù)合型機(jī)器人下達(dá)物料運(yùn)輸、上下料指令,車間智能化由此形成。

目前,擁有復(fù)合型機(jī)器人的制造企業(yè)每年都在增加。筆者設(shè)計(jì)了帶柔性夾爪的自動導(dǎo)引車，同樣屬于復(fù)合型機(jī)器人。

2 結(jié)構(gòu)組成

自動導(dǎo)引車結(jié)構(gòu)如圖1所示,外殼部件采用鈑金件+噴漆的工藝進(jìn)行加工,連接部件通過三維打印方式制造,關(guān)鍵零件通過外購方式購入。

▲圖1 自動導(dǎo)引車結(jié)構(gòu)

自動導(dǎo)引車系統(tǒng)框架如圖2所示,搭載機(jī)械手臂作業(yè)型機(jī)器人,在接到遠(yuǎn)端呼叫盒的呼叫請求后,運(yùn)動到指定地點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)。機(jī)器人的主控板通常需要具備比較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,用于處理海量實(shí)時數(shù)據(jù)。主控板一方面和底盤系統(tǒng)進(jìn)行信息溝通,另一方面和工廠遠(yuǎn)端生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行交互,從而完成多車交管系統(tǒng)運(yùn)行路線的派發(fā),以及實(shí)現(xiàn)多車調(diào)度系統(tǒng)。

生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)對車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集記錄,上傳至工廠企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)。通過定期對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析,可以對運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化,能夠及時發(fā)現(xiàn)車輛的運(yùn)行異常情況,進(jìn)行保養(yǎng)維修。

自動導(dǎo)引車硬件架構(gòu)如圖3所示。自動導(dǎo)引車底盤通過搭配麥克納姆輪，實(shí)現(xiàn)作業(yè)時的全向移動。采用Linux操作系統(tǒng),這是運(yùn)行機(jī)器人專用的操作系統(tǒng)。

Windows 10操作系統(tǒng)采用高規(guī)格的工控機(jī)配置,通過運(yùn)行自動導(dǎo)引車激光導(dǎo)航雷達(dá)自主導(dǎo)航算法，可以快速實(shí)時處理激光導(dǎo)航雷達(dá)的大量數(shù)據(jù)。同時需要處理機(jī)械手臂上二維相機(jī)的視覺數(shù)據(jù),對機(jī)械手臂的當(dāng)前位置進(jìn)行快速定位,計(jì)算出與目標(biāo)位置之間的偏移量,通知機(jī)械手臂移動到目標(biāo)位置進(jìn)行作業(yè)。

線形滑軌電機(jī)可以在水平方向上左右滑動,通過將機(jī)械手臂安裝在線形滑軌上,可以顯著擴(kuò)大機(jī)械手臂的作業(yè)范圍。

▲圖2 自動導(dǎo)引車系統(tǒng)框架

▲圖3 自動導(dǎo)引車硬件架構(gòu)

機(jī)械手臂可以實(shí)現(xiàn)六個軸向的移動,通過控制氣動系統(tǒng)、氣動閥來控制柔性夾爪的抓取與收緊動作。

自動導(dǎo)引車軟件架構(gòu)如圖4所示。

▲圖4 自動導(dǎo)引車軟件架構(gòu)

由STM32F429單片機(jī)構(gòu)建嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),實(shí)時處理底盤伺服電機(jī)的數(shù)據(jù),進(jìn)行避障、報(bào)警,連接發(fā)光二極管、急停開關(guān)、安全邊界等保護(hù)性外設(shè),實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引車的全向移動。

運(yùn)行Ubuntu Linux操作系統(tǒng),與STM32F429單片機(jī)之間通過操作系統(tǒng)接口進(jìn)行通信連接。

Windows 10操作系統(tǒng)運(yùn)行交管系統(tǒng),與系統(tǒng)板之間通過無線網(wǎng)絡(luò)連接,支持消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議。

3 氣動抓取系統(tǒng)

自動導(dǎo)引車氣動抓取系統(tǒng)由柔性夾爪、氣動系統(tǒng)、氣動控制線路、機(jī)械手臂、線形滑軌、激光導(dǎo)航雷達(dá)、二維相機(jī)、麥克納姆輪、視覺系統(tǒng)等組成。

3.1 柔性夾爪

在抓取行業(yè),普遍采用機(jī)械夾爪、真空吸盤等傳統(tǒng)夾具對物品進(jìn)行抓取,但是經(jīng)常會受到產(chǎn)品外形、材質(zhì)的影響,導(dǎo)致無法順利抓取。為解決這一工業(yè)問題,有企業(yè)推出了基于柔性機(jī)器人技術(shù)的柔性夾爪,如圖5所示。單一夾爪可以抓取不同尺寸、形狀、質(zhì)量的工件,提高了生產(chǎn)線的自動化水平。

柔性夾爪不同于傳統(tǒng)的機(jī)械夾爪,具有柔軟的氣動手指,能夠自適應(yīng)包覆目標(biāo)物體,不需要預(yù)先了解目標(biāo)物體的準(zhǔn)確形狀和尺寸。柔性夾爪由柔性材質(zhì)構(gòu)成,抓持動作不會對工件造成任何損傷,尤其適用于易碎、軟質(zhì)和易劃傷的工件。

▲圖5 柔性夾爪

柔性夾爪可以抓取不規(guī)則且長寬不同的物體。柔性夾爪最大彎曲量為20 mm，自然狀態(tài)下兩個夾爪之間的距離為50～147 mm,單個夾爪用內(nèi)六角螺栓鎖附在支架上,指間距離可以手動調(diào)節(jié)。

柔性夾爪參數(shù)見表1。由表1可知，柔性夾爪最小抓取尺寸為 30～70 mm,最大抓取尺寸為 127～167 mm,可以按照實(shí)際工件進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。柔性夾爪自重加最大負(fù)載不能超過機(jī)械手臂的最大負(fù)載。

表1 柔性夾爪參數(shù)

柔性夾爪工作原理如圖6所示。氣泵用于抽取空氣,機(jī)械手臂通過輸入、輸出接口控制氣體換向閥,控制氣泵從外部環(huán)境抽取空氣進(jìn)入柔性夾爪,從而產(chǎn)生正壓,或從柔性夾爪抽出空氣進(jìn)入外部環(huán)境,從而產(chǎn)生負(fù)壓。柔性夾爪在負(fù)壓時處于釋放狀態(tài),在正壓時處于收緊狀態(tài)。

▲圖6 柔性夾爪工作原理

上位機(jī)可以通過串口通信監(jiān)測及調(diào)整氣體換向閥的參數(shù),控制氣體流動的方向。

3.2 氣動系統(tǒng)

因?yàn)閺S商提供的夾爪控制器采用無源控制系統(tǒng)，需要采用工業(yè)氣源,而自動導(dǎo)引車處于移動工作狀況，所以需要為自動導(dǎo)引車配備氣動系統(tǒng)。

氣動系統(tǒng)初始狀態(tài)如圖7所示。YA為二位四通換向閥,用于控制氣泵空氣的抽取方向，從而控制柔性夾爪的釋放及收緊。YB為二位二通保壓閥,用于控制氣泵與柔性夾爪之間空氣流動的通斷。壓力傳感器用于檢測流入柔性夾爪空氣的壓強(qiáng)是否在安全范圍內(nèi),壓強(qiáng)過大,可能會損壞柔性夾爪。

▲圖7 氣動系統(tǒng)初始狀態(tài)

氣動系統(tǒng)正壓收緊狀態(tài)如圖8所示。打開氣泵,關(guān)閉二位四通換向閥YA，打開二位二通保壓閥YB,氣泵從外部環(huán)境抽取空氣進(jìn)入柔性夾爪,此時柔性夾爪內(nèi)部為正向壓強(qiáng),柔性夾爪處于收緊狀態(tài)。當(dāng)柔性夾爪中氣壓值超過正壓預(yù)設(shè)值后,關(guān)閉二位二通保壓閥YB,并關(guān)閉氣泵以節(jié)約能源。

▲圖8 氣動系統(tǒng)正壓收緊狀態(tài)

氣動系統(tǒng)保壓抓取狀態(tài)如圖9所示。氣泵處于斷電狀態(tài),二位二通保壓閥YB也處于斷開狀態(tài),柔性夾爪內(nèi)部保持氣壓,并保持當(dāng)前狀態(tài)夾取物體。

▲圖9 氣動系統(tǒng)保壓抓取狀態(tài)

氣動系統(tǒng)負(fù)壓釋放狀態(tài)如圖10所示。打開氣泵、二位四通換向閥YA、二位二通保壓閥YB,此時空氣由柔性夾爪流入外部環(huán)境,柔性夾爪中空氣氣壓為負(fù)向壓強(qiáng),柔性夾爪處于釋放狀態(tài)。當(dāng)柔性夾爪中氣壓值小于負(fù)壓預(yù)設(shè)值后,關(guān)閉二位二通保壓閥YB,并關(guān)閉氣泵以節(jié)約能源。

▲圖10 氣動系統(tǒng)負(fù)壓釋放狀態(tài)

選用正壓中流量微型無刷氣泵,可抽氣及充氣兩用,正壓范圍為5 kPa～100 kPa，負(fù)壓范圍為-70 kPa～-5 kPa,峰值流量為15 L/min。采用高檔無刷電機(jī),壽命長，體積小，氣泵質(zhì)量為250 g,輕薄小巧。

經(jīng)過實(shí)物驗(yàn)證，氣動系統(tǒng)控制原理正確。氣動系統(tǒng)樣機(jī)驗(yàn)證如圖11所示。

3.3 視覺系統(tǒng)

自動導(dǎo)引車的視覺系統(tǒng)如圖12所示。視覺系統(tǒng)利用相機(jī)代替人眼來進(jìn)行各種測量和判斷,綜合光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個專業(yè)。

▲圖11 氣動系統(tǒng)樣機(jī)驗(yàn)證

▲圖12 視覺系統(tǒng)

在視覺系統(tǒng)方面,需要研究圖像獲取的正確性、視覺處理的快速性,包括特征提取、圖像分割、圖像辨識,確保圖像信息高效、快速傳送,通過控制系統(tǒng)使機(jī)器人高速、高精確動作。

3.3.1 機(jī)械手臂

自動導(dǎo)引車采用UR3機(jī)械手臂，具體參數(shù)見表2。

表2 機(jī)械手臂參數(shù)

因?yàn)闄C(jī)械手臂一般都需要根據(jù)不同要求安裝不同夾爪,很多夾爪的質(zhì)量對機(jī)械手臂的影響超出預(yù)期,所以最大有效負(fù)載是一個重要指標(biāo)。一般而言, 第六軸的夾具加上抓取物體的總質(zhì)量，不能超過機(jī)械手臂的最大負(fù)載。重復(fù)精度指機(jī)械手臂重復(fù)執(zhí)行多次任務(wù)之間的誤差,這一指標(biāo)會影響機(jī)械手臂完成任務(wù)的精度。例如,產(chǎn)線常見的貼敷標(biāo)簽作業(yè)，貼敷標(biāo)簽精度一般為0.1 mm,此精度值應(yīng)大于機(jī)械手臂的重復(fù)精度值,否則機(jī)械手臂無法完成正常作業(yè)。

3.3.2 線形滑軌

為擴(kuò)大機(jī)械手臂的抓取范圍,增加單向線形滑軌,滑軌行程為300 mm。線形滑軌外形如圖13所示。

▲圖13 線形滑軌

線形滑軌由伺服電機(jī)驅(qū)動，采用直線絲杠方式,重復(fù)定位精度為0.02 mm。機(jī)械手臂通過內(nèi)六角螺栓鎖附在滑軌底座上。

3.3.3 相機(jī)

相機(jī)固定位置對比如圖14所示。

▲圖14 相機(jī)固定位置對比

相機(jī)固定在機(jī)械手臂第五軸,優(yōu)點(diǎn)為柔性夾爪固定于機(jī)械手臂第六軸中心,可以360°轉(zhuǎn)動；缺點(diǎn)為相機(jī)和柔性夾爪相對位置不固定,視覺算法較復(fù)雜,軟件無法計(jì)算出相機(jī)位置和機(jī)械手臂關(guān)于大地坐標(biāo)的精確轉(zhuǎn)換關(guān)系。

相機(jī)固定在機(jī)械手臂第六軸,優(yōu)點(diǎn)為相機(jī)與柔性夾爪相對位置固定，相機(jī)隨柔性夾爪一起轉(zhuǎn)動,視覺算法較簡單,軟件編程容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)為由于支架原因,相機(jī)和柔性夾爪無法實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動,只能在-120°～60°范圍內(nèi)運(yùn)動,超過這一范圍將會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,如圖15所示。

對兩種方案中的相機(jī)支架都進(jìn)行了三維打印制作,經(jīng)過測試確認(rèn),采用相機(jī)固定于第六軸的方案。

采用500萬像素相機(jī),C口鏡頭，8 mm固定焦距，光圈范圍為F1.8～F22。相機(jī)采用的是定焦鏡頭,在機(jī)械手臂高度固定的情況下,視覺范圍是固定的。

3.4 激光導(dǎo)航雷達(dá)

激光導(dǎo)航雷達(dá)參數(shù)見表3。激光導(dǎo)航雷達(dá)通過RS 422接口即時輸出目標(biāo)物體的距離、角度信息,從而建立環(huán)境地圖,實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位。

▲圖15 機(jī)械手臂與相機(jī)位置干涉

表3 激光導(dǎo)航雷達(dá)參數(shù)

3.5 麥克納姆輪

麥克納姆輪外形如圖16所示，由輪轂和輥?zhàn)咏M成。輪轂是整個麥克納姆輪的主體支架,輥?zhàn)邮前惭b在輪轂上的鼓狀物。麥克納姆輪的輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸間角度為45°。理論上,這個夾角可以是任意值,根據(jù)不同的夾角值可以制作出不同的麥克納姆輪,但最常用的是45°。

▲圖16 麥克納姆輪外形

麥克納姆輪運(yùn)行軌跡如圖17所示。自動導(dǎo)引車的運(yùn)動通過麥克納姆輪間的正反轉(zhuǎn)和停止來實(shí)現(xiàn),主要包括沿Y方向前進(jìn)和后退、沿X方向左右橫移、順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)。

4 樣機(jī)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證步驟

(1) 隨機(jī)擺放的 I、A、C三塊字母方塊, 位于自動導(dǎo)引車指定視覺識別區(qū)域，區(qū)域尺寸為280 mm×230 mm，如圖18所示。

▲圖17 麥克納姆輪運(yùn)行軌跡

▲圖18 隨機(jī)擺放方塊

(2) 自動導(dǎo)引車通過激光導(dǎo)航雷達(dá)無軌導(dǎo)引行駛至小桌，用機(jī)械手臂的相機(jī)進(jìn)行輔助定位,對位置進(jìn)行微調(diào)，如圖19所示。

(3) 柔性夾爪將字母方塊抓取放入小桌上的托盤中，如圖20所示。

▲圖20 字母方塊放入托盤

4.2 驗(yàn)證流程

驗(yàn)證通過包括激光導(dǎo)航雷達(dá)、交管系統(tǒng)、主控程序、機(jī)械手臂在內(nèi)的軟硬件模塊系統(tǒng)協(xié)調(diào)操作完成,驗(yàn)證流程如圖21所示。

▲圖21 驗(yàn)證流程

4.3 激光導(dǎo)航雷達(dá)無軌導(dǎo)引

通過Hector_mapping指令接收激光導(dǎo)航雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù),經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理,輸出地圖與位姿數(shù)據(jù)。激光導(dǎo)航雷達(dá)和地圖掃描如圖22所示。

▲圖22 激光導(dǎo)航雷達(dá)和地圖掃描

地圖繪制完成之后,控制自動導(dǎo)引車移動至目標(biāo)點(diǎn),將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)保存至路線文件。運(yùn)行路線如圖23所示。

交管系統(tǒng)是人機(jī)交互的控制界面,主要實(shí)現(xiàn)車體、激光導(dǎo)航雷達(dá)、主控等模塊的通信與統(tǒng)一調(diào)度,交管系統(tǒng)界面如圖24所示。

自動導(dǎo)引車運(yùn)行過程中,車頭方向始終朝前。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時,先調(diào)整車頭方向,再向前運(yùn)行。

自動導(dǎo)引車沿著直線行走,當(dāng)行駛位置與路線的偏差超過0.2 m時,調(diào)整車頭方向,再向前行走。自動導(dǎo)引車與目標(biāo)點(diǎn)間距離小于0.5 m時,利用麥克納姆輪的優(yōu)勢,使自動導(dǎo)引車向目標(biāo)點(diǎn)平移。

▲圖23 運(yùn)行路線

▲圖24 交管系統(tǒng)界面

根據(jù)自動導(dǎo)引車當(dāng)前位姿與目標(biāo)點(diǎn)的距離，動態(tài)調(diào)整避障區(qū)域。避障區(qū)域如圖25所示。

▲圖25 避障區(qū)域

4.4 視覺辨識

視覺系統(tǒng)與機(jī)械手臂主要由主控程序調(diào)度,完成目標(biāo)物的識別與取放。采用8 mm焦距定焦鏡頭,當(dāng)機(jī)械手臂達(dá)到最高點(diǎn)時,相機(jī)能夠識別的區(qū)域?yàn)?80 mm×230 mm。

4.5 驗(yàn)證演示

字母方塊的尺寸如圖26所示。

▲圖26 字母方塊尺寸

演示過程如下:

(1) 發(fā)出指令,自動導(dǎo)引車按照激光導(dǎo)航雷達(dá)規(guī)劃路線行駛,交管系統(tǒng)顯示路線軌跡，如圖27所示;

▲圖27 自動導(dǎo)引車按規(guī)劃路線行走

(2) 自動導(dǎo)引車按照規(guī)劃路線到達(dá)桌子附近,因?yàn)檠b備有麥克納姆輪,所以可以側(cè)向平移;

(3) 二維相機(jī)拍照識別字母方塊，柔性夾爪按照總控要求對字母方塊進(jìn)行位置調(diào)整并抓取,如圖28所示;因?yàn)槿嵝詩A爪能夠柔性抓取方塊的長邊和短邊,所以無需調(diào)整法蘭螺栓鎖附；

▲圖28 抓取字母方塊

(4) 柔性夾爪將字母方塊按照順序放入指定位置,如圖29所示。

▲圖29 字母方塊放入指定位置

5 結(jié)束語

現(xiàn)代智能化工廠處于從“工業(yè)3.0”目標(biāo)向“工業(yè)4.0”目標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時期,工廠內(nèi)部制造復(fù)雜程度越來越高，人們對自動化、柔性化的需求正迎來加速釋放。相對于單一機(jī)器人各自完成某一環(huán)節(jié)任務(wù),對多個機(jī)器人進(jìn)行搭配組裝,集合成具備多功能特性的復(fù)合型機(jī)器人，正在成為企業(yè)和市場發(fā)展的全新方向。

筆者對帶柔性夾爪的自動導(dǎo)引車進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和系統(tǒng)集成,取得了良好的效果。