工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王棟　花文超　李祺　朱劍　王飛　胡澤黎

摘要：為滿足本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，構(gòu)建Delta機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)配置的OMRON運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以NJ控制器為中心，通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)動(dòng)、邏輯、視覺控制等功能合而為一，利用軟件Sysmac Studio的配置、編程、仿真、監(jiān)控功能和視覺傳感器的檢測(cè)功能，在工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成了“檢測(cè)、跟蹤、抓取、搬運(yùn)”實(shí)驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；NJ控制器；Sysmac Studio；視覺分揀；物料搬運(yùn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP242 文章編號(hào)：1009-2374（2016）23-0027-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.012

Delta機(jī)器人屬于高速、輕載的并聯(lián)機(jī)器人，一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標(biāo)物體，由三個(gè)并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的運(yùn)輸、加工等操作，主要應(yīng)用于食品、藥品包裝和電子產(chǎn)品裝配等行業(yè)。

采用Sysmac Studio軟件設(shè)計(jì)的Delta機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過NJ控制器內(nèi)置的EtherCAT高速通信端口，提高圖像處理系統(tǒng)、控制器及伺服驅(qū)動(dòng)器輸入輸出數(shù)據(jù)處理的速度，實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，在線拾取移動(dòng)速度較快的工件。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了一體化控制，編程語言得到了統(tǒng)一，從開發(fā)和維護(hù)的角度來說，提高了實(shí)時(shí)性和維護(hù)性。此外，使用Sysmac Studio軟件平臺(tái)，通過簡(jiǎn)單的設(shè)定即可完成對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，并可使用NS統(tǒng)合模擬及仿真功能，提高程序的調(diào)試效率。而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，通過使用標(biāo)準(zhǔn)的RJ45連接器，即可將控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單快速連接，因此兩者的結(jié)合充分實(shí)現(xiàn)了Delta機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要側(cè)重于機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)和原理方面的介紹、串聯(lián)機(jī)器人示教編程的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用涉及較少，限制了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的動(dòng)手機(jī)會(huì)。本文構(gòu)建的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行多項(xiàng)并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)，再結(jié)合機(jī)器視覺系統(tǒng)，引入機(jī)器人分揀的概念，貼近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成

工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由OMRON自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、4軸Delta并聯(lián)機(jī)械手、OMRON機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)、編程設(shè)備及相關(guān)軟件4個(gè)部分組成。包括：

1.1 OMRON自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

包括：基于NJ501-4310CPU的機(jī)械手控制專用CPU主機(jī)單元、主機(jī)電源、高速計(jì)數(shù)單元、開關(guān)量輸入/輸出單元、伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)、觸摸屏、相關(guān)電纜，還有部分傳感器、開關(guān)、繼電器及連接線、接線端子等附件。

1.2 4軸Delta并聯(lián)機(jī)械手

包括：4軸Delta并聯(lián)機(jī)械手本體、外圍流水線機(jī)架（兩條輸送帶及控制輸送速度的變頻器、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、位置檢測(cè)相關(guān)傳感器等）。

1.3 OMRON機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)

包括：基于FZ3-350 Z的圖像傳感器控制器，F(xiàn)Z-SC2M系列200萬像素工業(yè)機(jī)及相關(guān)鏡頭、光源、顯示器、通訊電纜等。

2 機(jī)器人工作原理

2.1 Delta并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，Delta機(jī)器人的機(jī)械部分主要由固定支架、機(jī)械臂、可動(dòng)支架三部分組成。三臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)A0、A1、A2三個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)機(jī)架的定位。根據(jù)需要，在活動(dòng)機(jī)架上還可以安裝旋轉(zhuǎn)頭，由安裝在固定支架上的第四個(gè)伺服電機(jī)通過傳動(dòng)軸控制抓具（TCP）中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 Delta并聯(lián)機(jī)械手的動(dòng)作流程

如圖3所示，從任意的點(diǎn)A（X1、Y1、Z1）開始到達(dá)傳送帶上的任意的點(diǎn)B（X2、Y2、Z2）為止進(jìn)行門型動(dòng)作。點(diǎn)A為Pick位置、點(diǎn)B為Place位置。往復(fù)動(dòng)作的方法如下：（1）絕對(duì)位置移動(dòng)。從當(dāng)前位置到某一點(diǎn)（X2、Y2、Z2）之間進(jìn)行絕對(duì)位置移動(dòng)；（2）Pick&Place動(dòng)作（輸送帶跟蹤）。從某一點(diǎn)（X1、Y1、Z1）到某一點(diǎn)（X2、Y2、Z2）之間進(jìn)行門型動(dòng)作，某一點(diǎn)（X2、Y2、Z2）示意的是傳輸帶上的工件坐標(biāo)，機(jī)械手與傳輸帶同步運(yùn)動(dòng)；（3）Pick&Place動(dòng)作（定點(diǎn)間）從某一點(diǎn)（X1、Y1、Z1）到某一點(diǎn)（X2、Y2、Z2）之間進(jìn)行門型動(dòng)作。

2.3 Delta機(jī)械手的拾取原理

機(jī)器人用NJ系列CPU單元中使用以下三種坐標(biāo)系：

2.3.1 軸坐標(biāo)系（ACS）。機(jī)械手主動(dòng)臂與固定支架平面在同一方向時(shí)的位置為0度，下側(cè)為正方向，上側(cè)為負(fù)方向，所有軸均相同。軸伺服驅(qū)動(dòng)器也根據(jù)此坐標(biāo)系設(shè)定，如圖4所示：

2.3.2 機(jī)床坐標(biāo)系（MCS）。如圖2所示（Xm，Ym，Zm）的笛卡爾坐標(biāo)系就是機(jī)床坐標(biāo)系（MCS），與軸坐標(biāo)系（ACS）有確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2.3.3 用戶坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系（UCS）是虛擬坐標(biāo)系，工件在機(jī)床坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)將統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成用戶坐標(biāo)系的坐標(biāo)（Xu，Yu，Zu），以方便機(jī)械手對(duì)傳送帶上的移動(dòng)工件通過視覺檢測(cè)來拾取。用戶坐標(biāo)系的Xu軸和輸送帶運(yùn)行方向一致，原點(diǎn)可以設(shè)計(jì)成和機(jī)床坐標(biāo)系相同。根據(jù)輸送帶上三個(gè)點(diǎn)MCS坐標(biāo)（Xmi，Ymi，Zmi）計(jì)算出用戶坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角度（Rx，Ry，Rz），從而確定用戶坐標(biāo)系。角度計(jì)算用功能塊“FB_3D_Coordinate_Conver”，確定坐標(biāo)系用功能塊“MC_DefineCoordSystem”。

如圖5所示，視覺傳感器可以識(shí)別通過輸送帶進(jìn)入視野區(qū)域中的工件，來自于NJ控制程序的視覺觸發(fā)信號(hào)根據(jù)輸送帶位置確定，輸送帶每移動(dòng)一個(gè)固定的長(zhǎng)度，發(fā)送一個(gè)信號(hào)給視覺控制器，觸發(fā)視覺拍照。獲取觸發(fā)時(shí)刻輸送帶位置和工件拍攝坐標(biāo)后，根據(jù)公式：輸送帶當(dāng)前位置-觸發(fā)時(shí)刻輸送帶位置+拍攝坐標(biāo)=工件當(dāng)前位置，當(dāng)循環(huán)計(jì)算出來的工件當(dāng)前位置在機(jī)械手可抓取區(qū)域內(nèi)時(shí)，發(fā)出機(jī)械手抓取信號(hào)，抓取的目標(biāo)位置為計(jì)算出的工件當(dāng)前位置。

3 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)功能

3.1 門型物料搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)

Delta機(jī)械手抓取目標(biāo)工件時(shí)，以走門字形運(yùn)動(dòng)軌跡為主。本系統(tǒng)Pick&Place動(dòng)作軌跡規(guī)劃如圖6所示，其中點(diǎn)A為Pick位置、點(diǎn)B為Place位置，點(diǎn)C為一個(gè)動(dòng)作流程的結(jié)束位置。其中點(diǎn)A的位置由視覺處理分析獲得，而點(diǎn)B和點(diǎn)C位置由用戶設(shè)定。當(dāng)視覺傳感器檢測(cè)到工件時(shí)，執(zhí)行MC_SyncLinearConveyor指令，機(jī)器人與輸送帶做同步動(dòng)作，機(jī)器人從當(dāng)前位置追隨工件，追上后抓取工件，并與輸送帶繼續(xù)同步動(dòng)作，如圖示動(dòng)作①和②。經(jīng)過軌跡目標(biāo)時(shí)間后，工件當(dāng)前反饋的位置與指令設(shè)定的目標(biāo)位置一致時(shí)，執(zhí)行MC_SyncOut指令，采用同步停止的方式解除同步，如圖示動(dòng)作③。然后執(zhí)行MC_MoveTimeAbsolute指令，向點(diǎn)B做門型動(dòng)作，當(dāng)在指定時(shí)間內(nèi)到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，機(jī)械手的TCP變?yōu)镕ALSE，如圖示動(dòng)作④。再通過C_MoveTimeAbsolute指令，向B點(diǎn)正上方的C點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，如圖示動(dòng)作⑤，此時(shí)一個(gè)動(dòng)作流程結(jié)束。當(dāng)傳感器檢測(cè)到下一個(gè)工件時(shí)，如圖動(dòng)作⑥所示，機(jī)械手向A點(diǎn)進(jìn)行門型動(dòng)作，動(dòng)作原理同動(dòng)作①，只是此時(shí)的開始位置變成了點(diǎn)C。如此循環(huán)執(zhí)行Pick&Place動(dòng)作，直到有停止指令。

3.2 在線視覺分揀實(shí)驗(yàn)

在使用視覺獲取坐標(biāo)并控制機(jī)械手進(jìn)行抓取時(shí)，首先統(tǒng)一視覺與機(jī)械手兩者之間的坐標(biāo)系，然后按輸送帶移動(dòng)長(zhǎng)度定間隔觸發(fā)視覺，根據(jù)循環(huán)計(jì)算的結(jié)果，控制機(jī)械手在可抓取區(qū)域抓取工件。本系統(tǒng)可通過視覺處理進(jìn)行工件形狀、顏色、缺陷的NG（合格性）判斷，決定是否對(duì)工件進(jìn)行抓取，也可以抓取流動(dòng)的混合工件定點(diǎn)擺放。同時(shí)通過識(shí)別工件在輸送帶上的擺放姿勢(shì)，輸出位置偏移角度數(shù)據(jù)，控制機(jī)械手抓取后，通過旋轉(zhuǎn)伺服軸實(shí)現(xiàn)定位擺放。

4 結(jié)語

Delta機(jī)器人作為大學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其高效、高精度的特點(diǎn)與現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展緊密結(jié)合，學(xué)生通過相關(guān)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛄私夂褪煜elta機(jī)器人的原理，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目中軟硬件系統(tǒng)均符合當(dāng)前自動(dòng)化系統(tǒng)開放式、模塊化、可重構(gòu)和智能化等發(fā)展趨勢(shì)，掌握應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)，為后續(xù)開發(fā)這類自動(dòng)化生產(chǎn)線提供典型案例和積累經(jīng)驗(yàn)，開辟機(jī)器人在新型產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的廣闊前景。

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作者簡(jiǎn)介：王棟（1994-），男，四川巴中人，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：機(jī)械電子工程。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）