基于視覺導(dǎo)向的機(jī)械手設(shè)計(jì)與研究

曹宇杰

（上海電力學(xué)院，上海200090）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展應(yīng)用，各種可以代替人工的機(jī)械設(shè)備進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中，機(jī)械手作為代替人工操作、提高生產(chǎn)效率的典型作品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)。現(xiàn)在市面上主要的機(jī)械手從結(jié)構(gòu)上大體可以劃分為串聯(lián)機(jī)械手和并聯(lián)機(jī)械手兩種，而串聯(lián)機(jī)械手從結(jié)構(gòu)上來講十分簡單，相對運(yùn)動范圍也比較廣；而并聯(lián)機(jī)械手則有著準(zhǔn)度較高，速度較快的特點(diǎn)，適用于醫(yī)療等方面。

1 Delta結(jié)構(gòu)概述

在機(jī)器人技術(shù)日漸成熟的今天，各種機(jī)械架構(gòu)層出不窮，而Delta結(jié)構(gòu)就是并聯(lián)架構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)在空間內(nèi)三自由移動的技術(shù)之一。相對于其他架構(gòu)來說Delta結(jié)構(gòu)通過運(yùn)動學(xué)的逆運(yùn)算配合機(jī)器各部件的結(jié)構(gòu)計(jì)算出三個電機(jī)獨(dú)自運(yùn)作的角度、速度等參數(shù)，由此可見，這種并聯(lián)的結(jié)構(gòu)擁有并行操作、速度快的優(yōu)勢，同時它因?yàn)橛腥齻€電機(jī)所以承載能力也比較強(qiáng)，抓取的精度也比較高，所以運(yùn)用Delta技術(shù)可以在工作中實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的操作，目前其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工藝、藥品制造、包裝和電子元件制作的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過并行操作準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)抓取、擺放等操作。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

筆者經(jīng)過對各項(xiàng)技術(shù)的綜合分析，最后決定用Delta技術(shù)設(shè)計(jì)一套可以實(shí)現(xiàn)智能拾取功能的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)械手，利用視覺導(dǎo)向技術(shù)讓機(jī)械手擁有自主識別功能，初步計(jì)劃用高清攝像機(jī)獲取機(jī)械手運(yùn)動軌跡中的實(shí)時圖像并上傳到中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)完成相應(yīng)的識別操作并進(jìn)行定位，最后發(fā)送指令給機(jī)械手完成最終的抓取和釋放操作。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中主要系統(tǒng)由以下四方面實(shí)現(xiàn)：執(zhí)行模塊、中控系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動和視覺傳感系統(tǒng)，所以暫定需要光源、視頻采集卡、攝像頭、PC工作站和圖像處理軟件幾項(xiàng)來進(jìn)行測試和模擬。

機(jī)械手的模型以現(xiàn)有的Delta直線型機(jī)械手為主，在三個塔柱上安裝滑車，滑車的動力通過步進(jìn)電機(jī)拉動傳送帶提供，而動平臺的從動臂桿需要保持相對平行，用來保證動平臺的運(yùn)動是平行的。定位組件采用現(xiàn)有的VBAI組件，這個組件可實(shí)現(xiàn)快速處理目標(biāo)圖像的功能，通過處理目標(biāo)的灰度信息來進(jìn)行距離的厘定，在數(shù)據(jù)庫中匹配相似的模板，之后通過建立坐標(biāo)軸和以坐標(biāo)等為目標(biāo)進(jìn)行三維的定位操作。抓取放置等操作的實(shí)現(xiàn)通過夾取裝置來配合中控系統(tǒng)下發(fā)的各項(xiàng)操作命令根據(jù)單片機(jī)中提前設(shè)置的運(yùn)動軌跡完成。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，夾取裝置還可以通過在中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)對不同目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先級的編排，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定按照次序進(jìn)行抓取操作。

3 機(jī)械手運(yùn)動的分析

機(jī)械手運(yùn)動的簡易示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手運(yùn)動示意圖

由于Delta結(jié)構(gòu)三個從動臂的相對受力和運(yùn)動情況相同，所以在分析中只考慮Z軸即可。由于圖中各推桿的長度是固定不變的，假設(shè)推桿的長度為C，那么軸坐標(biāo)A，Z軸到動平臺中心的距離B可以穩(wěn)定成一個直角三角形。因?yàn)镃2=A2+B2，假設(shè)滑車運(yùn)動了a，那么動平臺的中心就會運(yùn)動b，此時可以得到C2=（A-a）2+（B+b）2，具體的變化過程如圖2所示。

圖2 以Z軸為例的攝影圖

4 視覺系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)

在建立好三維坐標(biāo)后，需要視覺系統(tǒng)把觀察到的坐標(biāo)通過傳感器傳到控制器中獲取拾取和釋放操作的命令，其大致工作流程如下：首先需要建立一個攝像機(jī)的模型，對應(yīng)坐標(biāo)系中幾個觀察點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)中觀察點(diǎn)的關(guān)系，方便圖像采集和定位操作，然后進(jìn)行圖像采集并傳送給中控系統(tǒng)；其次要進(jìn)行圖像的處理操作，通過攝像頭獲得的圖像解析出相對應(yīng)的三維坐標(biāo)，同時完成對進(jìn)行操作的目標(biāo)進(jìn)行識別和判斷；最后對機(jī)械發(fā)出控制的命令，通過控制器給出釋放和夾取操作信號，同時對處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時反饋，如果結(jié)果有誤差及時進(jìn)行修正處理。

5 控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)

在對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要用到計(jì)算機(jī)作為控制和處理中心，將處理步驟等燒制到單片機(jī)上，在單片機(jī)中對步進(jìn)電機(jī)、視覺系統(tǒng)、伺服電機(jī)和電源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。并給出控制命令的操作。

視覺系統(tǒng)由機(jī)械手上的攝像頭和采集卡，計(jì)算機(jī)上的圖形處理軟件、上位機(jī)等組成，這樣可對采集到的圖像進(jìn)行快速處理和識別，完成將三維物體迅速定位到坐標(biāo)系中的操作。此時中控系統(tǒng)通過計(jì)算結(jié)果對三個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制操作，在控制中實(shí)時獲取視覺系統(tǒng)的信息來判斷操作是否有誤，對后續(xù)的處理和計(jì)算操作進(jìn)行更正。而最終機(jī)械手的實(shí)現(xiàn)部分由夾取裝置來完成，通過中控系統(tǒng)給出的各種運(yùn)動參數(shù)來控制角度和方向。另外，中控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)電源的控制和照明的提供，以防環(huán)境亮度較低時不能準(zhǔn)確計(jì)算出相對坐標(biāo)。

6 工作站系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)設(shè)計(jì)

在機(jī)械手設(shè)計(jì)初步完成后，要在工作站完成相應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過終端上的應(yīng)用程序發(fā)出指令，中控系統(tǒng)接到指令后安排機(jī)械手完成相應(yīng)操作的功能。

在工作站數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，首先分為以下幾部分來進(jìn)行表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：

第一，建立用來存儲視覺傳感系統(tǒng)傳回的影像、照片信息的存儲空間，為視覺導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行分析打好基礎(chǔ)；

第二，建立虛擬坐標(biāo)系各參數(shù)的存儲表，將不同計(jì)算公式、數(shù)據(jù)字典設(shè)置好，一旦系統(tǒng)完成了對圖像的分析操作，可以及時建立數(shù)據(jù)庫完成相應(yīng)計(jì)算，有利于中控系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行快速定位，為之后下發(fā)抓取、釋放命令做好鋪墊；

第三，建立下發(fā)命令的記錄表，這個表可記錄由工作站下發(fā)的所有命令，同時將命令轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系中需要達(dá)成的參數(shù)，這樣中控系統(tǒng)就做到了有據(jù)可依，也可根據(jù)這張表查詢對機(jī)械手下達(dá)命令的歷史記錄，一旦測試發(fā)現(xiàn)問題可以進(jìn)行快速定位；

第四，建立參數(shù)設(shè)置備份表，在測試機(jī)械手性能時可能會有一些失誤操作，通過給機(jī)械手下達(dá)錯誤的指令、錯誤的換算關(guān)系、錯誤的目標(biāo)識別維度，導(dǎo)致其不能正常工作，一旦出現(xiàn)這些問題，利用這張表可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回滾操作，恢復(fù)工作站上一次為機(jī)械手創(chuàng)建的正確配置，這樣就可以在測試中不斷完善機(jī)械手的功能。

7 結(jié)語

筆者基于以上方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，制作出了基于視覺導(dǎo)向的機(jī)械手樣機(jī)，并對樣機(jī)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，樣機(jī)抓取速度較快，最快可達(dá)285 mm/s，最大加速度可達(dá)220 mm/s2，灰度測試正常，坐標(biāo)軸各方向定位精度平均為0.8 mm，能較準(zhǔn)確地識別物體，識別率為95%。從樣機(jī)測試來看，機(jī)械手基本可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，但想要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，還需要提高速度和識別度，這就需要在后期的研發(fā)中優(yōu)化和更新圖像處理算法，同時不斷完善單片機(jī)程序，以達(dá)到優(yōu)化作業(yè)路徑、加快夾取速度的目的。