面向粗定位工件的涂膠機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉凌云，羅 敏，方 凱

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

0 引言

為了追求制造過(guò)程更大的靈活性和更高的效率，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車的生產(chǎn)裝配過(guò)程［1］。特別是近年來(lái)在提高機(jī)器人噴涂/涂膠質(zhì)量方面，進(jìn)行了大量的噴槍運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的研究，但適用性有待進(jìn)一步提高［2-3］。某汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)裝配自動(dòng)線上為滿足飛輪殼體與缸體嚙合面密封的要求，在飛輪殼體裝配到基礎(chǔ)件(缸體)的前一工位，設(shè)置有一臺(tái)涂膠機(jī)器人對(duì)缸體相應(yīng)嚙合面進(jìn)行涂膠作業(yè)。但由于整個(gè)裝配自動(dòng)線采用輥道傳送運(yùn)動(dòng)方式，在裝配工位無(wú)精確定位裝置，只能依靠擋料停止器對(duì)輥道上的基礎(chǔ)件缸體進(jìn)行擋料，實(shí)際到位的缸體相對(duì)于理想位置和姿態(tài)有一定的微動(dòng)量。僅僅采用常規(guī)的在線或離線示教編程方法對(duì)作業(yè)路徑進(jìn)行規(guī)劃，不能滿足機(jī)器人涂膠作業(yè)任務(wù)的要求。

文中利用激光視覺搜索定位、高度偏差檢測(cè)及坐標(biāo)變換關(guān)系，提出一種快速檢測(cè)工件位姿微動(dòng)量的實(shí)用方法，并通過(guò)機(jī)器人編程對(duì)噴膠作業(yè)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以適應(yīng)實(shí)際到位缸體的噴膠作業(yè)任務(wù)的需要。

1 系統(tǒng)工作原理

涂膠機(jī)器人由機(jī)器人本體、供膠系統(tǒng)、噴嘴、視覺傳感子系統(tǒng)等組成。其中視覺傳感子系統(tǒng)采用Meta 公司Laser Pilot MTR 激光視覺系統(tǒng)，傳感器選用MT1/10，由激光視覺傳感器的視覺三角測(cè)量原理［4］可知:相對(duì)于正確位置而言，傳感器到工件的距離及水平偏差ΔH/ΔV 與激光條紋上的搜索點(diǎn)在CCD 中成像沿垂直/水平方向像素偏差Δh/Δν 成正比，通過(guò)對(duì)激光條紋圖像處理可獲得傳感器相對(duì)于工件表面某點(diǎn)的垂直/水平的二維距離偏差。該激光視覺系統(tǒng)與機(jī)器人配套使用可以工作在連續(xù)跟蹤、高度定位兩種工作模式［4］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人視覺定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

安裝時(shí)將噴嘴和激光視覺傳感器均固定在機(jī)器人手臂末端，構(gòu)成機(jī)器人的兩套工具坐標(biāo)系。建立機(jī)器人各坐標(biāo)系如圖2 所示，其中{W}、{E}分別為機(jī)器人基坐標(biāo)系(世界坐標(biāo)系)和末端坐標(biāo)系;由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是標(biāo)準(zhǔn)的箱體類零件，因此以其兩兩垂直的三個(gè)平面建立工件坐標(biāo)系較為方便，{U}為缸體處于理想位姿時(shí)的工件坐標(biāo)系;{S}為噴嘴坐標(biāo)系;{L}為激光視覺傳感器坐標(biāo)系。

圖2 涂膠機(jī)器人坐標(biāo)系示意圖

通過(guò)常規(guī)的三點(diǎn)示教法和七點(diǎn)示教法［5-9］，可對(duì)工件坐標(biāo)系{U}及工具坐標(biāo)系{S}、{L}進(jìn)行標(biāo)定，即獲得齊次變換矩陣WTU、ETL及ETS。其中WTU、ETS是對(duì)機(jī)器人涂膠作業(yè)離線或在線示教編程的依據(jù)。

2 工件位姿檢測(cè)數(shù)學(xué)模型

在工件坐標(biāo)系{U}的三個(gè)坐標(biāo)平面上分別選取三個(gè)、兩個(gè)、一個(gè)點(diǎn)作為示教點(diǎn)Pi(i =1，2，…，6)，即該六點(diǎn)在{U}中的坐標(biāo)(UPXi，UPYi，UPZi)T為已知量。機(jī)器人在涂膠作業(yè)之前，通過(guò)示教程序使激光傳感器分別到達(dá)這六個(gè)示教點(diǎn)，激光傳感器的接近矢量垂直于坐標(biāo)系{U}的相應(yīng)平面，如圖3 所示。在到達(dá)每一示教點(diǎn)處機(jī)器人啟動(dòng)高度搜索定位功能，獲取激光傳感器沿著其接近矢量方向的累積高度偏差量hi，從而獲得六個(gè)搜索定位點(diǎn)pi在{U}坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(UpXi，UpYi，UpZi)T。

圖3 視覺搜索定位示意圖

由p1～p6六點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)六點(diǎn)定位原理可得實(shí)際到位缸體所確定的工件坐標(biāo)系{U'}相對(duì)于理想工件坐標(biāo)系{U}的位姿描述。

其中，單位法向量nz、ny、nx滿足如下關(guān)系式［10］:

θ 為向量p1p2、p1p3之間的夾角;φ 為向量p4p5、nz之間的夾角。工件坐標(biāo)系{U'}的原點(diǎn)O'在{U}坐標(biāo)系中的坐標(biāo)UPO'滿足關(guān)系式:

3 機(jī)器人噴膠作業(yè)軟件設(shè)計(jì)

在Motoman Up6 工業(yè)機(jī)器人與MTR 激光視覺子系統(tǒng)組成的涂膠機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人噴膠作業(yè)任務(wù)包括缸體位姿檢測(cè)及作業(yè)軌跡校正兩個(gè)階段。所開發(fā)得軟件工作流程如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人涂膠作業(yè)流程圖

3.1 機(jī)器人與視覺子系統(tǒng)通訊接口及搜索定位子程序設(shè)計(jì)

利用UP6 工業(yè)機(jī)器人的通用模塊CN11 的I/O端口IN9 ～I(xiàn)N16、OUT9 ～OUT16 與激光傳感子系統(tǒng)之間建立了握手信號(hào)，如機(jī)器人向傳感器子系統(tǒng)發(fā)送工作模式選擇、啟動(dòng)偏差量檢測(cè)、暫停等指令，同時(shí)檢測(cè)傳感器子系統(tǒng)所處狀態(tài)、偏差量檢測(cè)值是否準(zhǔn)備好、定位點(diǎn)是否找到(搜索結(jié)束)、報(bào)警等信息。兩者之間應(yīng)答流程如圖5 所示。傳感器子系統(tǒng)檢測(cè)的高度偏差信號(hào)以±10V 以內(nèi)的模擬電壓信號(hào)輸入到機(jī)器人XCP-02B 的輸入端口2，供機(jī)器人控制器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算。

圖5 機(jī)器人與視覺子系統(tǒng)應(yīng)答流程

在激光傳感器定位到某一示教點(diǎn)Pi(i =1，2，…，6)處，啟動(dòng)視覺傳感子系統(tǒng)搜索工作模式，借助于通用傳感功能指令GETSFT 及增量位移指令I(lǐng)MOV，機(jī)器人獲取激光傳感器檢測(cè)的距離偏差，并驅(qū)動(dòng)激光傳感器沿著其接近矢量方向移動(dòng)直到最終傳感器檢測(cè)高度偏差為零，期間累積高度偏差D001 即為示教點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際到位缸體表面沿接近矢量方向的距離偏差hi。部分搜索定位子程序如下所示，工件坐標(biāo)/激光傳感器工具坐標(biāo)的標(biāo)定矩陣WTU、ETL所描述的位姿已分別在#1、#2 用戶坐標(biāo)文件中設(shè)定，主程序初始化時(shí)六個(gè)示教點(diǎn)在{U}中的坐標(biāo)值已寫入位置型變量P001 ～P006 中。

NOP

SCALIB TCH#(0);校正激光傳感器的兩個(gè)輸入通道

DOUT OT#(13)ON;DO13 輸出高電平，機(jī)器人系統(tǒng)準(zhǔn)備好

* LABEL1;

JUMP * LABEL1 IF IN#(11)=OFF;若IN11 輸入為低電平，檢測(cè)系統(tǒng)未準(zhǔn)備好，等待

DOUT OT#(14)ON;DO14 輸出高電平，啟動(dòng)搜索模式

SUB D001 D001

* LABEL2;

GETSFT P000

GETE D000 P000(3);選出位置變量中的z 坐標(biāo)元素賦給D000

MUL D000－1;將D000 再乘以－1，結(jié)果賦給D000

ADD D001 D000

SETE P000(3)D000;給位置變量中的z 坐標(biāo)元素設(shè)定數(shù)據(jù)D000

DOUT OT#(13)OFF;搜索模式中機(jī)器人沒有準(zhǔn)備接收偏差數(shù)據(jù)

IMOV P000 V=0.8 PL=0 TF#(2);從當(dāng)前位置起以直線插補(bǔ)方式移動(dòng)所設(shè)定的增加部分

DOUT OT#(13)ON;搜索模式中機(jī)器人已準(zhǔn)備好接收偏差數(shù)據(jù)

JUMP * LABEL2 IF IN#(9)= OFF;若IN9 輸入為低電平，尚未找到定位點(diǎn)，繼續(xù)搜索。

END;程序結(jié)束

3.2 噴膠作業(yè)軌跡校正

實(shí)際到位缸體上六個(gè)定位點(diǎn)的坐標(biāo)值經(jīng)公式(1)～(3)所確定的算法程序運(yùn)算，即可獲得用戶坐標(biāo)的變換矩陣UTU'，將此變換矩陣寫入某一位置型變量(設(shè)計(jì)程序中為P013)，以P013 為偏移量，調(diào)用機(jī)器人的平移/取消平移功能指令SFTON/SFTOF，即可對(duì)涂膠作業(yè)示教程序進(jìn)行軌跡糾正。部分程序如下:

…

MOVL V=50;噴頭運(yùn)動(dòng)到噴膠作業(yè)前的一示教點(diǎn)

SFTON P013 UF#(1);啟動(dòng)示教軌跡糾正功能

CALL JOB:Work_spread;調(diào)用涂膠作業(yè)的示教程序Work_spread

SFTOF;關(guān)閉示教軌跡糾正功能

END

4 位姿檢測(cè)算法驗(yàn)證與涂膠實(shí)驗(yàn)

在自主開發(fā)的涂膠機(jī)器人作業(yè)程序中，包含了上述工件位姿檢測(cè)和涂膠軌跡規(guī)劃兩部分。采用此軟件，在Motoman Up6 機(jī)器人上開展了工件位姿檢測(cè)算法驗(yàn)證和涂膠作業(yè)試驗(yàn)。首先對(duì)工件坐標(biāo)系{U}及工具坐標(biāo)系{S}、{L}進(jìn)行標(biāo)定，獲得齊次變換矩陣:

理想位姿工件上選擇六個(gè)示教點(diǎn)時(shí)使角度θ、φ 為90°，這樣對(duì)實(shí)際到位工件檢測(cè)時(shí)，θ、φ 偏離90°不至于過(guò)大，從而減小角度誤差對(duì)最終位姿測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)際選取點(diǎn)p1～p6的坐標(biāo)分別為:(50，50，0)、(50，200，0，)、(300，50，0)、(50，0，100)、(300，0，100)、(0，100，100);實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將工件(發(fā)動(dòng)機(jī)缸體)安裝在三自由度的變位機(jī)上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)精確改變工件的位姿，由變位機(jī)編碼器反饋脈沖數(shù)可得到位姿變換矩陣UTU'的計(jì)算值T1，而運(yùn)行機(jī)器人的工件位姿檢測(cè)程序可獲得矩陣UTU'的檢測(cè)值T2。比較T1與T2即可獲得機(jī)器人工件位姿檢測(cè)誤差T。重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人的工件位姿檢測(cè)程序25次，然后對(duì)T2i(i=1，2…25)計(jì)算所得測(cè)量統(tǒng)計(jì)量與計(jì)算值T1的對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 位姿偏差量計(jì)算值與重復(fù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)量對(duì)照表

多次改變工件位姿，重復(fù)上述過(guò)程即可得到不同位姿下的檢測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)平移量均小于10.0mm、旋轉(zhuǎn)量小于15°時(shí)平移量平均誤差≤±0.6mm，旋轉(zhuǎn)量平均誤差≤±1.5°。而當(dāng)平移量大于15mm 或旋轉(zhuǎn)量大于30°后誤差會(huì)顯著增加，這主要是由于機(jī)器人搜索定位時(shí)移動(dòng)次數(shù)增加以及公式(2)中θ、φ 偏離90°過(guò)大所致;位姿檢測(cè)結(jié)果的誤差來(lái)源于激光傳感器與理想工件表面的垂直度誤差、激光傳感器測(cè)量誤差、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解誤差、重復(fù)定位誤差及計(jì)算截?cái)嗾`差等。

將該機(jī)器人涂膠系統(tǒng)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配自動(dòng)線上，滿足了對(duì)缸體相應(yīng)嚙合面涂膠作業(yè)要求，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于采用基于高度搜索定位的六點(diǎn)定位位姿檢測(cè)算法，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以簡(jiǎn)化對(duì)激光傳感器坐標(biāo)系{L}的標(biāo)定，即變換矩陣ETL中只需精確標(biāo)定激光傳感器的接近矢量，而位置矢量和另外兩個(gè)方向矢量可任意指定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及機(jī)器人實(shí)際作業(yè)運(yùn)行表明，上述位姿檢測(cè)算法及設(shè)計(jì)程序是可行有效的。對(duì)上述六點(diǎn)定位位姿檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)，可以將該涂膠機(jī)器人系統(tǒng)推廣應(yīng)用到非箱體類零件的位姿檢測(cè)及機(jī)器人作業(yè)軌跡的實(shí)時(shí)校正。

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