張昆 張洪濤 胡婷

（安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京，100176）

0 引言

在風(fēng)電行業(yè)，變流柜中的電氣模塊價(jià)值較高，裝配過(guò)程中稍有磕碰就會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失，而且電氣模塊質(zhì)量一般超過(guò)50kg，通過(guò)人工搬運(yùn)將其裝配入柜，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在安全隱患[1]（如圖1 所示）。

圖1 變流柜中的電氣模塊

因?yàn)楣耋w和模塊導(dǎo)軌的位置在每次裝配時(shí)都存在少量變化，所以機(jī)器人程序無(wú)法重復(fù)再現(xiàn)地順利裝配。在以往研究中，有利用相機(jī)采集圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)軌跡修正的標(biāo)定方法[2]，還有計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人軌跡修正的實(shí)踐[3-4]。但這些技術(shù)對(duì)光源、測(cè)量空間和拍攝角度提出了較高要求，并不完全適用于在柜體中檢測(cè)導(dǎo)軌支架這種工況，程序算法方面也過(guò)于繁雜，不易排查誤差問(wèn)題，而且工業(yè)相機(jī)一般比較昂貴，會(huì)增加成本負(fù)擔(dān)。

為了應(yīng)對(duì)以上難題，筆者利用激光位移傳感器檢測(cè)柜體和導(dǎo)軌支架的位置，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果修正機(jī)器人的用戶坐標(biāo)和軌跡動(dòng)作，在不重新示教機(jī)器人程序的情況下，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確裝配。

本系統(tǒng)（如圖2 所示）使用日本安川電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的MH180 機(jī)器人，搭配攜帶激光位移傳感器的伺服抓手，完成對(duì)變流柜裝配位置的檢測(cè)后，從物流小車(chē)中依次抓取電氣模塊并裝入柜中。本文將著重介紹軟件開(kāi)發(fā)時(shí)所關(guān)注的主要問(wèn)題——激光檢測(cè)技術(shù)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的組成和使用情況。

圖2 系統(tǒng)硬件組成與裝配操作流程

1 激光檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理

1.1 激光位移傳感器的測(cè)量原理

激光位移傳感器的測(cè)量方法分為三角測(cè)量法和回波分析法兩種。激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，而激光回波分析法則用于對(duì)精度要求不太高的遠(yuǎn)距離測(cè)量。根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)需要，筆者選用適用于高精度、短距離測(cè)量的傳感器：日本KEYENCE（基恩士）生產(chǎn)的IL 系列CMOS 多功能模擬激光位移傳感器（如圖3 所示）。

圖3 激光位移傳感器

在傳感頭內(nèi)，激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD 線性相機(jī)接收；根據(jù)不同的距離，CCD 線性相機(jī)可以在不同的角度下看見(jiàn)這個(gè)光點(diǎn)；根據(jù)所見(jiàn)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離[5]，如圖4 所示。

圖4 激光三角測(cè)量法原理

同時(shí)，放大器有兩種容許誤差設(shè)定值：高（HIGH，上限）和低（LOW，下限），所顯示的值將對(duì)應(yīng)三種輸出信號(hào)：當(dāng)該值高于上限時(shí)（HIGH）；當(dāng)該值處于誤差范圍之內(nèi)時(shí)（GO）；當(dāng)該值低于下限時(shí)（LOW）[6]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的位姿控制原理

工業(yè)機(jī)器人在末端法蘭上裝有工具，可以在工具的某個(gè)點(diǎn)示教TCP （Tool Centre Position）。機(jī)器人的位置（X、Y、Z），是指某個(gè)TCP 點(diǎn)在某坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，機(jī)器人的姿態(tài)（Rx、Ry、Rz），是指以TCP 為原點(diǎn)的工具坐標(biāo)系相對(duì)于某坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換的歐拉角。如果確定了機(jī)器人程序中一些特征點(diǎn)的位置和姿態(tài)，即可確定程序運(yùn)行時(shí)機(jī)器人的軌跡動(dòng)作。

工業(yè)機(jī)器人在外部工件上可建立用戶坐標(biāo)系，軌跡中的各點(diǎn)位置可以表示為用戶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，同理，機(jī)器人的姿態(tài)也可以表示為工具坐標(biāo)系相對(duì)于用戶坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換的歐拉角。這樣，機(jī)器人的軌跡可以隨用戶坐標(biāo)系的變化而變化。在工件位置相對(duì)于示教位置發(fā)生變化時(shí)，只需要在外部工件上重新確定相對(duì)位置關(guān)系不變的用戶坐標(biāo)系，即可直接使用關(guān)聯(lián)在此坐標(biāo)系上的相應(yīng)程序[7]，如圖5 所示。

圖5 相對(duì)程序軌跡隨用戶坐標(biāo)變化

根據(jù)以上原理，對(duì)于沿安裝在柜體內(nèi)的導(dǎo)軌裝配電氣模塊這種工況，修正機(jī)器人位置姿態(tài)等同于參考用戶坐標(biāo)系整體偏移機(jī)器人的軌跡動(dòng)作，即只需將程序關(guān)聯(lián)在指定用戶坐標(biāo)系上，并多次準(zhǔn)確更改用戶坐標(biāo)系則可，而檢測(cè)柜體和導(dǎo)軌位置的過(guò)程也就是重建用戶坐標(biāo)系的過(guò)程。

1.3 激光位移傳感器的安裝

粗定位柜體時(shí)，使用安裝在傳送導(dǎo)軌一側(cè)的3 個(gè)激光位移傳感器（#1-#3），測(cè)量柜體外表面的3 個(gè)點(diǎn)位置；精定位導(dǎo)軌支架時(shí)，使用安裝在伺服抓手探頭上的4 個(gè)激光位移傳感器（#4-#7），測(cè)量左右兩側(cè)導(dǎo)軌支架的位置，如圖6 所示。

圖6 激光位移傳感器的安裝與使用

2 激光檢測(cè)過(guò)程與坐標(biāo)重建方法

2.1 程序結(jié)構(gòu)及其組成

本項(xiàng)目中，機(jī)器人作業(yè)程序主要包括柜體檢測(cè)程序、支架檢測(cè)程序和搬運(yùn)程序。柜體檢測(cè)程序用于粗定位柜體并建立一號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(1)，以保證支架檢測(cè)程序以合理軌跡進(jìn)行檢測(cè)；支架檢測(cè)程序與一號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(1)關(guān)聯(lián)，用于精定位柜體內(nèi)的導(dǎo)軌支架并建立二號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(2)，以保證搬運(yùn)程序以準(zhǔn)確軌跡裝件；搬運(yùn)程序用于搬取電氣模塊并往導(dǎo)軌支架上安裝，包括取件、裝件及回原點(diǎn)三部分程序，其中取件和回原點(diǎn)程序軌跡動(dòng)作不變，裝件程序與二號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(2)關(guān)聯(lián)。程序結(jié)構(gòu)及其組成如圖7 所示。

圖7 程序結(jié)構(gòu)及其組成

2.2 激光檢測(cè)過(guò)程

如圖8 所示，本文中的方位定義，若無(wú)特別說(shuō)明，皆相對(duì)于機(jī)器人本體而言。X、Y、Z 對(duì)應(yīng)機(jī)器人笛卡爾直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸向（包括正負(fù)），Rx、Ry、Rz 對(duì)應(yīng)三個(gè)坐標(biāo)軸方向的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)（包括正負(fù)），且面對(duì)坐標(biāo)軸指向時(shí)的逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樾D(zhuǎn)正向。

圖8 機(jī)器人坐標(biāo)與各坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)方向示意

2.2.1 粗檢柜體位置

首先柜體沿傳送導(dǎo)軌移動(dòng)到某位置后（基本正對(duì)機(jī)器人，并由光電傳感器信號(hào)控制其停止），運(yùn)行柜體檢測(cè)程序，利用并排安裝在導(dǎo)軌一側(cè)的3個(gè)激光位移傳感器，建立位于柜體左前角的一號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(1)。

利用已知的機(jī)器人某一TCP 點(diǎn)的當(dāng)前位置、激光傳感器的測(cè)距值，可以分別確定#1、#2、#3 傳感器的測(cè)量原點(diǎn)（即測(cè)距讀數(shù)為0 時(shí)的光點(diǎn)位置）在機(jī)器人坐標(biāo)系（位于機(jī)器人本體）中的位置。同時(shí)，已知#1、#2 傳感器的安裝間距與三個(gè)傳感器的投射方向，且柜體俯視為長(zhǎng)方形，根據(jù)幾何關(guān)系和測(cè)得的3 個(gè)距離值，可以推算出投射到柜體外表面的3 個(gè)光點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置。檢測(cè)程序即根據(jù)這3 個(gè)光點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)建立用戶坐標(biāo)UF#(1)，如圖9 所示。

圖9 粗檢柜體時(shí)的俯視圖

2.2.2 精檢支架位置

再將帶有4 個(gè)短距激光位移傳感器的測(cè)量探頭伸入柜體示教支架檢測(cè)程序，檢測(cè)導(dǎo)軌支架位置（包括角度），并調(diào)整探頭位姿（位置與姿態(tài)）與其一致后，建立二號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(2)；將此程序與一號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(1)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)支架檢測(cè)程序軌跡與其隨動(dòng)的目的。

測(cè)量探頭的安裝如圖10 所示，其俯視簡(jiǎn)圖如圖11所示，#4、#5 傳感器向右投射，#6、#7 傳感器向左投射。取探頭中間部位一點(diǎn)校驗(yàn)為0 號(hào)工具TCP，取4 個(gè)短距激光位移傳感器的測(cè)量原點(diǎn)校驗(yàn)出4 個(gè)工具（#4-#7），機(jī)器人可以分別讀到對(duì)應(yīng)TCP（TCP0 & TCP4-7）在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置。當(dāng)讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)獲取TCP4-7 的位姿數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)整探頭時(shí)調(diào)整TCP0 的位姿。

圖10 抓手與探頭的安裝

圖11 精檢支架時(shí)的俯視圖

上文提到，激光位移傳感器不僅能顯示投射光點(diǎn)與測(cè)量原點(diǎn)間的距離，還能根據(jù)測(cè)量值和容許誤差的閾值，輸出3 種不同的信號(hào)，來(lái)判斷此距離是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。根據(jù)柜體和導(dǎo)軌支架的參考尺寸及相對(duì)位置，可以確保檢測(cè)過(guò)程中，導(dǎo)軌支架所在平面的位置正好在此預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，而柜體壁所在平面在此預(yù)設(shè)范圍外，這樣，既可以讀取到導(dǎo)軌支架與傳感器之間的距離，又可以根據(jù)輸出信號(hào)的不同，確定激光束剛好掃描到（或掃描不到）導(dǎo)軌支架時(shí)的機(jī)器人位置數(shù)據(jù)，如圖12 所示。

圖12 導(dǎo)軌支架及激光掃描位置示意

測(cè)量探頭伸出后向正前方（X+）移動(dòng)，#4、#6 傳感器激光束首先掃描到支架并分別記錄此刻TCP4、TCP6在機(jī)器人坐標(biāo)系中的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)P4、P6，再前進(jìn)一小段，可得到距離值L4、L6。因?yàn)橐阎笥蚁鄬?duì)的兩個(gè)導(dǎo)軌支架的理論間距S1，所以根據(jù)幾何三角函數(shù)關(guān)系，可以大致計(jì)算出探頭前端面與兩支架端部所在平面的夾角：

導(dǎo)軌支架上帶有用于支撐電氣模塊的凸起，激光位移傳感器的光點(diǎn)打在上面時(shí)，測(cè)得距離值在預(yù)設(shè)范圍之外，借此使測(cè)量探頭豎直向下移動(dòng)，當(dāng)信號(hào)剛好消失時(shí)記錄TCP4-7 的當(dāng)前位置P,4、P5、P,6、P7。根據(jù)其高度平均值調(diào)整探頭高度至：

2.3 坐標(biāo)重建方法

經(jīng)調(diào)整，測(cè)量探頭的位置處于兩導(dǎo)軌支架間中央，其姿態(tài)與導(dǎo)軌支架一致。然后，以此位置為原點(diǎn)，以探頭即0 號(hào)工具坐標(biāo)的正方向?yàn)檩S（前為X 軸向，右為Y軸向），建立用戶坐標(biāo)UF#(2)。最后，示教好模塊搬運(yùn)程序，并將其中的裝件程序關(guān)聯(lián)到UF#(2)，實(shí)現(xiàn)裝件程序軌跡與UF#(2)位置隨動(dòng)的目的。

每次有新柜體到位，則會(huì)依次執(zhí)行柜體檢測(cè)程序，支架檢測(cè)程序和搬運(yùn)程序，支架檢測(cè)程序根據(jù)柜體檢測(cè)程序確定的一號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(1)更新支架檢測(cè)軌跡，搬運(yùn)程序根據(jù)支架檢測(cè)程序確定的二號(hào)用戶坐標(biāo)UF#(2)更新裝件軌跡。

3 系統(tǒng)中包含的其他技術(shù)

3.1 伺服抓手與力控系統(tǒng)[1]

伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)可以對(duì)電氣模塊的入柜過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

如果系統(tǒng)測(cè)得電機(jī)力矩超過(guò)設(shè)定值，機(jī)器人會(huì)立即調(diào)用退回程序，伺服抓手自動(dòng)抓取模塊，沿原軌跡后撤并將其放回小車(chē)，以保證裝配過(guò)程中模塊的安全。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和追溯管理系統(tǒng)[1]

本系統(tǒng)配備了掃碼槍?zhuān)梢杂涗浢總€(gè)柜體和模塊的編碼，并支持對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、每次模塊入柜時(shí)的激光檢測(cè)結(jié)果與位置調(diào)整量的存儲(chǔ)記錄。

MES 系統(tǒng)可以根據(jù)編碼對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯查詢，使客戶隨時(shí)了解生產(chǎn)線的運(yùn)行情況。

3.3 周邊裝備（柜門(mén)和小車(chē)）及其控制系統(tǒng)

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，盡量減少人工操作，筆者還分別設(shè)計(jì)了柜門(mén)和小車(chē)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用外部信號(hào)控制氣缸運(yùn)動(dòng)，開(kāi)合變流柜相應(yīng)的柜門(mén)；配備定位導(dǎo)向裝置和光電裝置，使搭載電氣模塊的小車(chē)準(zhǔn)確到位，并通知機(jī)器人需要抓取的位置編號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

激光檢測(cè)系統(tǒng)采用多組激光位移傳感器，同時(shí)對(duì)變流柜及柜內(nèi)導(dǎo)軌支架進(jìn)行位置測(cè)量，利用測(cè)得的位置數(shù)據(jù)，修改機(jī)器人程序中的示教軌跡。在不重新示教機(jī)器人程序的情況下，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)13 個(gè)電氣模塊的準(zhǔn)確裝配，有效解決了裝配對(duì)象位置偏差過(guò)大對(duì)機(jī)器人裝配精度的干擾問(wèn)題，如圖13 所示。

圖13 裝配中的機(jī)器人

本文激光檢測(cè)、伺服力矩控制、柜門(mén)和小車(chē)控制、MES 系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)，在機(jī)器人裝配領(lǐng)域的綜合應(yīng)用尚屬首次，對(duì)今后的項(xiàng)目應(yīng)用具有很大的參考價(jià)值。目前，該系統(tǒng)成功滿足了客戶需求，并已投入運(yùn)行，客戶自動(dòng)化改造完成后，作業(yè)人員由原來(lái)的4 人減少為1 人，正常裝配全過(guò)程僅需時(shí)間8-9min，極大地節(jié)省了人力資源，提高了生產(chǎn)效率。