基于視覺(jué)的并聯(lián)機(jī)械手分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

史東強(qiáng)+張嫻

摘 要：DELTA并聯(lián)機(jī)械手具有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、運(yùn)行速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)生產(chǎn)線上作為裝配或分揀機(jī)構(gòu)。本文以三菱Q系列PLC為核心控制器，以QD75P2定位模塊和三菱伺服驅(qū)動(dòng)單元為運(yùn)動(dòng)控制部件，制作了一臺(tái)DELTA機(jī)械手裝置，利用SVM等視頻智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同形狀和不同特點(diǎn)物體的識(shí)別和分揀，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)械手 三菱QPLC QD75 視覺(jué)分析

1 引 言

機(jī)器人可以代替人類(lèi)進(jìn)行很多繁重和危險(xiǎn)的工作，是過(guò)去數(shù)千年一貫的夢(mèng)想。人類(lèi)進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，讓機(jī)器人逐漸由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)成為信息和自動(dòng)化行業(yè)蓬勃發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上可以分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類(lèi)，串聯(lián)機(jī)器人具有工作空間大、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，雖然在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，但是它也存在承載能力低、動(dòng)力學(xué)性能差和關(guān)節(jié)誤差累積等缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中需要機(jī)器人具有高的承載能力、良好的動(dòng)力學(xué)性能以及高精度等要求時(shí)，這就迫切需要有另外一種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人可供選擇。在這種情況下，并聯(lián)機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生了。并聯(lián)機(jī)器人與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有運(yùn)行速度快、承載能力強(qiáng)、高柔性化、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，因而在航天、航空、航海、機(jī)電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動(dòng)機(jī)械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

并聯(lián)機(jī)械手由于其諸多的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)在研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，由于其運(yùn)行速度快、承載能力強(qiáng)、高柔性化、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，已在航天、航空、航海、機(jī)電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動(dòng)機(jī)械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。PLC的控制使得并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制更加的科學(xué)化、人性化?？勺詣?dòng)按程序完成工件的檢測(cè)、抓取、放置、按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行工作，保證了伺服電機(jī)、主軸、從動(dòng)軸等各執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

2硬件方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)械手主要由三條主動(dòng)臂、三條從動(dòng)臂和上下兩個(gè)平臺(tái)組成，每條主動(dòng)臂上由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)鋁制主動(dòng)臂和一組碳棒組成的從動(dòng)臂連接，兩個(gè)平臺(tái)也分別是用鋁材料打造而成。三個(gè)伺服電機(jī)固定在主平臺(tái)上，電機(jī)與鋁制主動(dòng)臂是通過(guò)鍵結(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)使電機(jī)與主動(dòng)臂聯(lián)為一體，主動(dòng)臂另一端同從動(dòng)臂連接，從動(dòng)臂與動(dòng)平臺(tái)框架連接。當(dāng)機(jī)構(gòu)圓點(diǎn)回歸運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)臂末端連接的三個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)作用于動(dòng)平臺(tái)，這樣就可以讓動(dòng)平臺(tái)位于固定的一點(diǎn)，全部結(jié)構(gòu)由三維建模軟件SOLIDWORKS設(shè)計(jì)并仿真，在完成仿真后進(jìn)行分零件加工。并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型圖如下圖1所示。

當(dāng)機(jī)構(gòu)需要對(duì)物體進(jìn)行抓取時(shí)，則需要伺服電機(jī)同時(shí)輸出不同的脈沖數(shù)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置。動(dòng)平臺(tái)框架上可以根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際需要來(lái)安裝不同形式的抓手。本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀鎳鐵合金物體的抓取，采用了電磁鐵，用于拾取工作臺(tái)內(nèi)的鎳鐵金屬物件（例如螺絲，螺帽，硬幣等），體現(xiàn)機(jī)械手整體的靈活性、精確度而選擇，為了不影響吸取周?chē)慕饘傥锛?，吸盤(pán)的周?chē)黾恿司彌_套，為了能吸到物件偏離而設(shè)計(jì)，也可以防止吸到其他的物件，選擇吸盤(pán)不止可以金屬分類(lèi)，也可以對(duì)金屬和非金屬的雜物進(jìn)行篩選。在動(dòng)平臺(tái)不但可以裝電磁鐵，也可以和切割、畫(huà)圖、掃描等功能多元化結(jié)合，可以拓展的功能多種多樣。

為了進(jìn)行視覺(jué)信息的采集，本機(jī)構(gòu)中采用了攝像頭模塊，其分辨率為320*640像素，視角為75度廣角鏡頭，主要功能是捕捉工作臺(tái)上的物件位置外觀，可以附件工作錄像、實(shí)施拍照等功能，增加攝像頭可以大大提升了設(shè)備的智能化水平，對(duì)于不同的器件的分揀，只需要擴(kuò)展其識(shí)別類(lèi)別即可。攝像頭的工作內(nèi)容為識(shí)別工件的位置、形狀等信息，將相關(guān)信息傳輸?shù)饺藱C(jī)界面，人機(jī)界面將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸?shù)絇LC，等待PLC計(jì)算并控制機(jī)械手動(dòng)作并對(duì)其監(jiān)視，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行下次識(shí)別工作。

PLC可編程控制器作為本裝置的控制核心處理器，選擇的是三菱Q系列PLC，作為一款中型PLC產(chǎn)品，三菱Q系列PLC具有更高的處理速度和更多的智能模塊可以選擇。具體的各模塊型號(hào)如下：Q61P電源、Q30UDCPU、QD75D2N定位模塊、QX40輸入模塊、QY10輸出模塊、QJ71E71-100以太網(wǎng)模塊，伺服運(yùn)動(dòng)控制器選擇：三個(gè)MR J3-10A伺服驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)HF-KP13伺服電機(jī)。

本裝置狀態(tài)的監(jiān)控采用三維力控監(jiān)控軟件，作為一款主流的控制監(jiān)控HMI，力控提供了性能優(yōu)異的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、多設(shè)備接口、專業(yè)的HMI等功能，為完成機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。

3軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制模塊

在PLC程序中采用雙精度64位的浮點(diǎn)型傳送指令將實(shí)物中的主動(dòng)臂長(zhǎng)度，從動(dòng)臂長(zhǎng)度輸入到某個(gè)指定的位置中，如"EDMOVP E20 D2"。然后，運(yùn)用PLC程序里的浮點(diǎn)型算法指令"ED*、ED/、ED-、ED+"編寫(xiě)上述計(jì)算出夾角的方程，PLC程序中動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)P的坐標(biāo)是通過(guò)外部信號(hào)傳輸給它的，每一次P點(diǎn)的坐標(biāo)更新都會(huì)通過(guò)PLC編寫(xiě)的算法重新進(jìn)行計(jì)算，PLC算法最終是計(jì)算出主動(dòng)臂和XY平面的浮點(diǎn)型弧度角，所以需要再通過(guò)PLC轉(zhuǎn)化，將算出來(lái)的浮點(diǎn)型弧度值轉(zhuǎn)化，如"DINTD D0 D4"。最后對(duì)計(jì)算出來(lái)的弧度進(jìn)行放大處理轉(zhuǎn)化為三個(gè)伺服電機(jī)的脈沖數(shù)，讓三個(gè)電機(jī)運(yùn)行到硬幣位置，電磁鐵得電硬幣被吸引實(shí)現(xiàn)抓取，抓取后運(yùn)動(dòng)到指定區(qū)域后電磁鐵失電實(shí)現(xiàn)硬幣放置，完成本次智能識(shí)別抓取任務(wù)，并進(jìn)行下一次識(shí)別動(dòng)作準(zhǔn)備。

3.2 定位模塊參數(shù)設(shè)置

伺服放大器MR-J3-10A具有更高性能和更高功能，其控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，廣泛用于機(jī)械工具和工業(yè)機(jī)械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制。伺服控制參數(shù)的設(shè)定是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，通過(guò)Q系列PLC的參數(shù)設(shè)置使用編程軟件Works2對(duì)其自帶定位參數(shù)進(jìn)行修改，伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，是根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)可編程控制器的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而使PLC通過(guò)脈沖來(lái)控制伺服放大器來(lái)對(duì)伺服電機(jī)控制，通過(guò)設(shè)置機(jī)械設(shè)備和相應(yīng)電機(jī)的速度來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行速度控置。

3.3 PLC控制模塊

視覺(jué)識(shí)別模塊主要完成對(duì)硬幣形狀、顏色、大小的識(shí)別。它是整個(gè)裝置中的核心信息驅(qū)動(dòng)模塊，主要由工業(yè)攝像機(jī)和相關(guān)軟件組成。工業(yè)攝像機(jī)可以清晰的拍攝到物料圓槽中的所有飾品，并形成圖像傳遞給信息處理計(jì)算機(jī)，為了完成飾品原料的精確抓取，需要完成樣本庫(kù)的創(chuàng)建、圖像的抓取、二值化、輪廓識(shí)別、子圖摳取、子圖旋轉(zhuǎn)、矢量化運(yùn)算、樣本比對(duì)等環(huán)節(jié)，最終完成每個(gè)飾品的位置、方位、傾角、文字符號(hào)的定位和模式識(shí)別。得到這些信息后，機(jī)械手才能正常的完成工作。因此視覺(jué)識(shí)別模塊為系統(tǒng)核心模塊和其他模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要條件。

4系統(tǒng)調(diào)試

4.1 程序編輯

使用三菱編程軟件GX Works2進(jìn)行程序的編輯，打開(kāi)GX Works2軟件，設(shè)置相關(guān)PLC參數(shù)，進(jìn)入主程序編輯界面，輸入相關(guān)程序，編輯QD75P2模塊的相關(guān)參數(shù)。具體操作步驟如下：

（1）新建程序文檔，更改程序文件名；

（2）進(jìn)入軟件，更改PLC類(lèi)型、程序語(yǔ)言；

（3）輸入用戶程序，在程序編輯框內(nèi)，逐條輸入程序指令；

（4）編輯程序，如果程序中有語(yǔ)法錯(cuò)誤，則給出錯(cuò)誤的數(shù)量。

4.2 模擬調(diào)試

通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC連接，使用編程軟件GX Works2上的模擬調(diào)試功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，虛擬調(diào)試不需要連接設(shè)備減小了系統(tǒng)損耗，也使程序編寫(xiě)更加方便，是系統(tǒng)調(diào)試必須要進(jìn)行的環(huán)節(jié)，具體操作步驟如下：

（1）在斷電情況下，用編程電纜（PC/PPI電纜）將計(jì)算機(jī)和PLC主機(jī)相連；

（2）接通計(jì)算機(jī)與PLC的工作電源；

（3）在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行GX Works2軟件，并進(jìn)行正確的通信參數(shù)設(shè)置；

（4）通過(guò)GX Works2軟件，將機(jī)械手的控制系統(tǒng)程序?qū)胫罰LC中，并將相關(guān)的定位數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入PLC中；

（5）建立計(jì)算機(jī)和PLC主機(jī)的在線聯(lián)系；

（6）用戶程序監(jiān)視運(yùn)行；

（7）用戶程序動(dòng)態(tài)調(diào)試。

結(jié)合程序監(jiān)視運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯示，分析程序運(yùn)行的結(jié)果，以及影響程序運(yùn)行的因素，然后在STOP狀態(tài)下對(duì)程序進(jìn)行修改編輯，重新編譯、下載、監(jiān)視運(yùn)行，如此反復(fù)修改調(diào)試，直至得出正確運(yùn)行結(jié)果為止。

4.3聯(lián)機(jī)調(diào)試

在斷電條件下硬件線路接好，按照電路圖要求，將PLC和外部設(shè)備通過(guò)航空插座相連，同時(shí)將PLC和編程計(jì)算機(jī)，伺服放大器與伺服電機(jī)相連。將系統(tǒng)所有設(shè)備接通電源后，PLC在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視下運(yùn)行用戶程序。觀察系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求。伺服電機(jī)執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，定位啟動(dòng)按鍵斷開(kāi)，按下"原點(diǎn)回歸"按鍵，近位開(kāi)關(guān)將回到起始位置。第一步定位完成。 當(dāng)攝像頭成功的識(shí)別出物體后，PLC將位置數(shù)據(jù)傳送給各個(gè)伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)定位點(diǎn)，接著，PLC控制電磁鐵得電，將物體吸引實(shí)現(xiàn)抓??；最后，當(dāng)機(jī)械手抓到物體后，再將抓取物體先提升到指定高度，平移，最后下移，到達(dá)指定高度后，將物體放置下來(lái)，并做好對(duì)下一物體的抓取準(zhǔn)備，完成了一個(gè)抓取周期。

5 結(jié) 論

并聯(lián)機(jī)械手由于其剛度大、承載能力弱、響應(yīng)速度快、精度高以及慣性小等特點(diǎn)，在輕工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了機(jī)械代替人力的典型范例。隨著機(jī)械手應(yīng)用的普及，機(jī)械手向著專用化、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化的方向發(fā)展，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加的靈活準(zhǔn)確多樣化，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，其應(yīng)用將有著更大的發(fā)展空間。

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