基于視覺反饋的工業(yè)機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)研究

吳海波 劉海龍

摘要：六自由度工業(yè)機(jī)器人在提升上下料作業(yè)效率和減少設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間等應(yīng)用中使用廣泛，采用位置控制方式具有速度快精度高的優(yōu)點(diǎn)，但無法有效解決機(jī)器人與環(huán)境接觸視覺控制問題。本文基于視覺反饋原理研究工業(yè)機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行系統(tǒng)自適應(yīng)性及效率測試。本文研究對(duì)企業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)市場需求變化、快速調(diào)整生產(chǎn)、節(jié)省設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間、保證設(shè)備作業(yè)質(zhì)量、提高設(shè)備作業(yè)效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；工業(yè)機(jī)器人；上下料

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）28-0168-02

1 引言

中小型企業(yè)占我國制造企業(yè)的絕大多數(shù)，一般采用多品種小批量加工的生產(chǎn)模式。單臺(tái)數(shù)控機(jī)床往往在數(shù)月或數(shù)周內(nèi)需要分批生產(chǎn)不同品種及材質(zhì)的產(chǎn)品。因此，對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行柔性化改造，集成上下料機(jī)器人，構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。

以車、銑工藝為例，針對(duì)機(jī)床柔性化改造問題，可以通過加裝自動(dòng)化刀庫、柔性多工位夾具、編制數(shù)控加工程序等方式解決。針對(duì)上下料機(jī)器人末端執(zhí)行器自動(dòng)換裝問題，可以通過為機(jī)器人安裝固定件，再夾持柔性活動(dòng)夾具的方式解決。針對(duì)機(jī)器人上下料系統(tǒng)，需要解決柔性和效率兩方面的問題。解決柔性問題的實(shí)質(zhì)就是現(xiàn)實(shí)多品種工件的上下料。

解決效率問題需要從提升上下料作業(yè)效率和減少設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間兩方面來考慮。目前用于上下料作業(yè)的六自由度機(jī)器人基本采用位置控制方式，具有速度快精度高的優(yōu)點(diǎn)，但無法有效解決機(jī)器人與環(huán)境接觸視覺控制問題。在自動(dòng)換裝條件下，采用合理的夾具識(shí)別及定位方法能有效地減少設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間。這些都涉及機(jī)器人控制方式的運(yùn)用策略問題。因此，針對(duì)上述關(guān)鍵問題展開研究，尋找提升系統(tǒng)柔性和效率的方法，對(duì)構(gòu)建機(jī)器人上下料系統(tǒng)有著十分重要的意義。

目前機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于目標(biāo)識(shí)別、位置檢測、完整性檢測、外觀尺寸檢測、表面檢測等典型應(yīng)用。本文通過考察傳統(tǒng) SIFT 算法的匹配性能，提出與 GDOH 描述子相結(jié)合的匹配算法，針對(duì) SIFT 特征匹配算法在工業(yè)應(yīng)用中有匹配魯棒性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，參考邊緣幾何特征的匹配算法，研究了改進(jìn)加速匹配策略的幾何特征匹配算法。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上下料作業(yè)所涉及的接觸視覺精確控制問題與主動(dòng)柔順裝配時(shí)的穿孔問題類似。Hogan通過研究首次提出阻抗控制，有效解決了軸孔裝配卡阻問題[2]。Connolly[3]等人以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為基礎(chǔ)，利用力/位混合控制完成了插孔實(shí)驗(yàn)。Chan和Liaw[4]研究了力矩阻抗控制方法進(jìn)行機(jī)器人裝配。Jarrah和Zheng[5]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)柔順運(yùn)動(dòng)的智能控制方法進(jìn)行了深入的研究。Antonio Lopes 和 Fernando Almeida[6]提出了RCID和工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合控制的策略，并將其應(yīng)用于與不確定環(huán)境接觸的工件的輪廓曲面跟蹤等任務(wù)。

費(fèi)燕瓊、趙錫芳[6]等人提出了可以識(shí)別三維空間凸多面體裝配件接觸狀態(tài)的預(yù)測算法。夏妍春、白躍偉等人進(jìn)行了類梁軸件插入孔的裝配實(shí)驗(yàn)。吳遙[利用裝配過程中獲得的力信息，結(jié)合螺旋理論和虛功原理對(duì)當(dāng)前裝配狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)并生成控制方案，最后成功在并聯(lián)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)軸孔裝配。但上述研究所選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象特征單一，沒有面向采用多孔或曲面軸孔定位方式的工件展開討論，所以并不能完全解決上下料作業(yè)時(shí)的機(jī)器人視覺精確控制問題。這也是本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)之一。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文試驗(yàn)工件樣本如表1所示。主要考慮有視覺精確定位及坐標(biāo)控制需求的工件（無視覺控制需求的工件上下料作業(yè)只需采用機(jī)器人位置控制方式實(shí)現(xiàn)）在上下料作業(yè)時(shí)面臨的環(huán)境約束問題，尋找柔性上下料作業(yè)的視覺控制模型，研究基于視覺反饋的機(jī)器人控制算法。

為更好地測試機(jī)器人上下料系統(tǒng)的效率，本文采用一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)為兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床上下料的形式，對(duì)1臺(tái)KUKA KR16-2工業(yè)機(jī)器人和2臺(tái)瑞雕M600精雕機(jī)進(jìn)行集成，開展基于視覺反饋的工業(yè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)研究。其技術(shù)路線如圖1所示。在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（圖1中虛線框）時(shí)，機(jī)器人夾具和機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制作將滿足試驗(yàn)工件夾持與固定的要求。

將上面的研究方案中進(jìn)行分解，分以下三個(gè)步驟實(shí)施。

1）分析機(jī)器人、機(jī)床、傳輸鏈之間的位置關(guān)系，構(gòu)建一體化的基坐標(biāo)系，簡化設(shè)備間的位置關(guān)系表達(dá)；標(biāo)定各型機(jī)器人末端執(zhí)行器（夾具）TCP，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換裝時(shí)的工具坐標(biāo)系快速切換；為機(jī)床加工臺(tái)、傳輸鏈工作面構(gòu)建統(tǒng)一的工件坐標(biāo)系，并對(duì)各型機(jī)床夾具、傳輸鏈載具中心點(diǎn)進(jìn)行工件坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)定與轉(zhuǎn)換研究，以簡化工件位置變化的空間表達(dá)。

2）利用視覺檢測各型工件、機(jī)器人及機(jī)床夾具、傳輸鏈載具，建立特征參數(shù)表單，為柔性調(diào)用數(shù)控加工程序、合理規(guī)劃機(jī)器人力/位混合控制策略提供依據(jù)；研究基于視覺反饋的機(jī)器人位置控制算法，完成工件定位數(shù)學(xué)建模和機(jī)器人位姿求解；分析由于工件特征差異所引起的機(jī)器人與機(jī)床夾具之間的接觸力控制需求差異，研究基于視覺反饋的機(jī)器人主動(dòng)柔順控制算法。

3）將上下料作業(yè)分解成拾取毛坯件（取件）、搬運(yùn)毛坯件（搬運(yùn)）、將毛坯件放到機(jī)床夾具上（上料）、成品件從機(jī)床夾具上取出（下料）、搬運(yùn)成品件（搬運(yùn)）、擺放成品件（擺件）等6個(gè)任務(wù)段，分析各任務(wù)段對(duì)位置控制與力控制要求的差異，劃分快速定位與慢速趨近區(qū)間，設(shè)計(jì)分段式力/位混合控制策略，編寫機(jī)器人程序，并進(jìn)行自適應(yīng)性及效率測試。

4 結(jié)論

綜上所述，基于視覺反饋的工業(yè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)利用視覺檢測對(duì)各型工件、夾具、載具，并進(jìn)行特征識(shí)別與配對(duì)；研究基于視覺反饋的機(jī)器人位置控制和基于力覺反饋的機(jī)器人主動(dòng)柔順控制算法，并建立補(bǔ)償機(jī)制對(duì)因環(huán)境約束引起的誤差進(jìn)行傳感器信號(hào)補(bǔ)償；然后將上下料作業(yè)分解成多個(gè)任務(wù)段，劃分快速定位與慢速趨近區(qū)間，設(shè)計(jì)分段式力/位混合控制策略；最后建立機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)自適應(yīng)性及效率測試。本文研究對(duì)企業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)市場需求變化、快速調(diào)整生產(chǎn)、節(jié)省設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間、保證設(shè)備作業(yè)質(zhì)量、提高設(shè)備作業(yè)效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】