串聯(lián)機(jī)械臂及視覺控制探究

張景晰，曹奇，左攀，張文龍，唐偉，李新科

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東廣州，510520）

串聯(lián)機(jī)械臂及視覺控制探究

張景晰，曹奇，左攀，張文龍，唐偉，李新科

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東廣州，510520）

本文從串聯(lián)機(jī)器人和視覺技術(shù)的應(yīng)用方面，對(duì)機(jī)器人如何通過(guò)視覺完成復(fù)雜的包裝工作進(jìn)行探究。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；并聯(lián)機(jī)器人；串聯(lián)機(jī)器人；視覺；包裝；控制技術(shù)

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是推動(dòng)制造業(yè)的升級(jí)的重要?jiǎng)恿?，?yīng)用范圍也越來(lái)越多。機(jī)器人按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)分，可分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。機(jī)器人的主要指標(biāo)有工作空間，自由度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)特性等。串聯(lián)機(jī)器人剛好和并聯(lián)機(jī)器人有一定的互補(bǔ)性，通常負(fù)載都可以優(yōu)于并聯(lián)型機(jī)器人，尤其是在裝配、搬運(yùn)、焊接等對(duì)負(fù)載要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

視覺技術(shù)作為一種全新技術(shù)進(jìn)入了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)和視覺技術(shù)的結(jié)合是為了擴(kuò)展機(jī)器人的視覺功能，加上先進(jìn)的編程算法，使得機(jī)器人的應(yīng)用空間更加廣泛，適用于更加復(fù)雜的應(yīng)用。

1 機(jī)器人技術(shù)原理

1.1 串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)

顧名思義，串聯(lián)機(jī)器人它的各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)是是串在一起的，而如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，需要從以下幾個(gè)方面的相關(guān)技術(shù)和知識(shí)來(lái)了解。

1.2 位姿描述和參考系

參考系即指設(shè)定的一個(gè)空間坐標(biāo)系，位姿描述是指在這個(gè)參考系中物體的位置和姿態(tài)。通常情況下把機(jī)器人的安裝部分即固定底座的參考系稱為基坐標(biāo)系{B}，末端操作工具參考系稱為工具坐標(biāo)系{T}，平臺(tái)坐標(biāo)系稱為工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}，腕坐標(biāo)系{W}。在控制算法內(nèi)，必須進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換才能對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，即通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡并到達(dá)指定的位姿。

1.2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

串聯(lián)機(jī)器人是由連桿和關(guān)節(jié)組成，通過(guò)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。在一般研究中，需要在D-H參數(shù)和坐標(biāo)系建立的情況下，通過(guò)坐標(biāo)系變換的方法，求解末端執(zhí)行器在工作空間的位置和姿態(tài)，屬于機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。

串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)是指在已知工具坐標(biāo)系{T}相對(duì)于工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}的期望位置和姿態(tài)，如何計(jì)算出合適的關(guān)節(jié)角。通過(guò)算法，找到最優(yōu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解，就解決了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。

1.2.2 控制算法實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是為了實(shí)現(xiàn)某種工作要求，所以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程必須遵循最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡才能實(shí)現(xiàn)，控制算法計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)所期望的力矩。控制算法還應(yīng)該能夠通過(guò)在有干擾和誤差的情況下，通過(guò)線性或者非線性的位置控制方法實(shí)現(xiàn)跟隨軌跡的運(yùn)動(dòng)路徑，從而完成所要求的的工作。本文主要關(guān)于機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用方面技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

2 視覺技術(shù)原理

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)

視覺技術(shù)正在改變著制造行業(yè)，機(jī)器視覺類似于人的眼睛，可以通過(guò)非接觸的傳感器技術(shù)，借助于先進(jìn)的算法，完成更復(fù)雜更強(qiáng)大的功能。借助于檢測(cè)和跟蹤程序，制造商可以自始至終地跟蹤產(chǎn)品。視覺向?qū)C(jī)器人使得機(jī)器人解決方案在曾經(jīng)不可能的領(lǐng)域成為可能。

攝像機(jī)在有光源（可見光或不可見光）的情況下，攝像機(jī)工作與光源的控制同步，從而采集到檢測(cè)物的圖像。圖像采集卡將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征[3]，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、有/無(wú)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。

2.2 機(jī)器人的視覺控制原理

機(jī)器人視覺方案主要是用視覺技術(shù)幫助機(jī)器人在視覺技術(shù)確定工作點(diǎn)的位置和姿態(tài)，從而用于指引機(jī)器人在大范圍內(nèi)的操作和行動(dòng)，如從料斗送出的雜亂工件堆中揀取工件并按一定的方位放在傳輸帶或其他設(shè)備上（即料斗揀取問題）。如圖2所示的凌云公司機(jī)器人視覺方案中，在機(jī)器人末端執(zhí)行器（E）處增加了攝像頭（C）和光源（B），機(jī)器人在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)前，通過(guò)視覺技術(shù)對(duì)目標(biāo)位（A）進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，機(jī)器人沿算法生成的運(yùn)動(dòng)軌跡控制完成撿取動(dòng)作。

圖1 凌云公司機(jī)器人視覺方案

3 復(fù)雜包裝應(yīng)用的算法

3.1 實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)

為了對(duì)串聯(lián)機(jī)器人的視覺技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中，如何完成工作要求的方法進(jìn)行探究。運(yùn)用算法使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多規(guī)格產(chǎn)品的包裝，是本次的工作任務(wù)。

對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的紙箱完成其包裝任務(wù)，這類的包裝工作任務(wù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)算法的核心問題。

（1）每個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品的體積大小、長(zhǎng)寬高是不相同的。

（2） 每個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品的位置是不確定的。

（3）每個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品的底部是相同的平面，且放置時(shí)不傾斜。

由于采用機(jī)器人的視覺控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)，我們假設(shè)視覺控制算法和機(jī)器人控制算法是成熟可靠的，且假設(shè)控制過(guò)程和技術(shù)是可靠的。本文只對(duì)視覺技術(shù)如何加入到算法設(shè)計(jì)中，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)進(jìn)行分析和探討。

3.2 控制算法的框圖

3.2.1 串聯(lián)機(jī)器人工作原理

圖2 坐標(biāo)系的位置示意圖

串聯(lián)機(jī)器人需要完成包裝工作，對(duì)于紙箱的位置和大小要進(jìn)行確認(rèn)，也就是圖2中的工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}內(nèi)的目標(biāo)坐標(biāo){G}，工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}相對(duì)于基坐標(biāo)系{B}的關(guān)系是確定的，可以通過(guò)得到工件坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

工具坐標(biāo)系相對(duì)于腕坐標(biāo)系也是相對(duì)固定的，可以通過(guò)確定工具坐標(biāo)系。機(jī)器人系統(tǒng)需要通過(guò)算法計(jì)算一系列的關(guān)節(jié)角度，使關(guān)節(jié)一次運(yùn)動(dòng)，工具坐標(biāo)系從初始位置運(yùn)動(dòng)到{T}={G}時(shí)，即機(jī)器人末端執(zhí)行工具到達(dá)了目標(biāo)位置和姿態(tài)，可以開始設(shè)定的包裝工作任務(wù)。

3.2.2 控制算法和設(shè)計(jì)思想

由第1小節(jié)的分析可知，如果需要機(jī)器人完成拾取和包裝任務(wù)，必須先確定目標(biāo)坐標(biāo)，而目標(biāo)坐標(biāo){G}通常是針對(duì)工作態(tài)度坐標(biāo)系{S}來(lái)描述的，由于串聯(lián)機(jī)器人在機(jī)器人的末端固定位置增加了視覺系統(tǒng)，可以通過(guò)視覺技術(shù)來(lái)確定目標(biāo)紙箱的坐標(biāo)：

（1）機(jī)器人到達(dá)指定位置T1（上方），確定紙箱的擺放位置P1。

（2）機(jī)器人到達(dá)指定位置T2（側(cè)面），確定紙箱的高度H1。

（3）通過(guò)視覺控制技術(shù)確定，目標(biāo)紙箱相對(duì)于工作臺(tái)坐標(biāo)系的坐標(biāo)TG。

運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)角度，隨后，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使工具坐標(biāo)系{T}={G}時(shí)，即機(jī)器人末端執(zhí)行工具到達(dá)了目標(biāo)位置和姿態(tài)，可以開始設(shè)定的包裝工作任務(wù)。

3.3 需要解決的問題

3.3.1 視覺技術(shù)的準(zhǔn)確性問題

要想實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲得桌子、瓶子、瓶蓋之間的相對(duì)位置和三維信息，對(duì)目前的科技水平來(lái)說(shuō)還是一個(gè)難點(diǎn)。這一問題只能通過(guò)目前熱門的雙目或者多目的三維測(cè)量、姿態(tài)跟蹤、姿態(tài)識(shí)別等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這些方法也存在一些缺點(diǎn)需要解決。機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)于外部環(huán)境和光源要求比較高，如果出現(xiàn)外部環(huán)境干擾等影響，有可能無(wú)法完成視覺控制算法，或者計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)，從而影響機(jī)器人工作任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

機(jī)器人的控制離不開逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，而求解機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題常用的逆陣十分復(fù)雜。機(jī)器人視覺控制技術(shù)中，需要機(jī)器人先完成固定的一些圖像拍攝任務(wù)，從而根據(jù)視覺控制算法形成三維結(jié)構(gòu)或者給出控制信號(hào)，機(jī)器人需要更強(qiáng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解能力。機(jī)器人模型的誤差和運(yùn)動(dòng)的誤差，加上攝像機(jī)的誤差，及視覺控制器的誤差，對(duì)于機(jī)器人的精度都有影響，如果要完成復(fù)雜的工作任務(wù)，必須克服各種影響。

4 小結(jié)

機(jī)器人視覺控制技術(shù)可以完成更復(fù)雜的工作任務(wù)，因?yàn)橐曈X技術(shù)相比較傳統(tǒng)傳感器技術(shù)，視覺信息包含信息量大，可以非接觸地感知環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，如果有合適的算法能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)的功能，勝任復(fù)雜任務(wù)。這將會(huì)使我國(guó)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。

參考資料

[1]（美）克來(lái)格（John J.Craig）著，贠超等譯.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].機(jī)械工業(yè)出版社. 2006.6.

[2]康博.工業(yè)機(jī)器人軌跡跟蹤控制算法研究[D].華南理工大學(xué).2012.

[3]岳曉峰.計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)及其在工業(yè)中應(yīng)用的研究[D].吉林大學(xué).2006.

[4]趙清杰，連廣宇，孫增圻.機(jī)器人視覺伺服綜述[J].控制與決策. 2001, 16(6):849-853 .

[5]鐘玉琢.機(jī)器人視覺技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.

Series mechanical arm and visual control

Zhang Jingxi,Cao Qi,Zuo Pan,Zhang Wenlong,Tang Wei,Li Xinke
（The blond technology co., LTD. ,Guangzhou Guangdong,510520）

This article from the aspects of serial robot and the application of visual technology, the robot how to visually explore the complex packing work.

robot;parallel robot;serial robots;vision;packaging;control technology