噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和視覺(jué)補(bǔ)償

王智明

摘 ?要：噴涂機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和智能化的代表產(chǎn)物之一，在我國(guó)也有了較為廣泛的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)方面對(duì)于噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和智能方面都提出了更高的要求，相比于傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人，新一代的噴涂機(jī)器人為斜交腕六自由度機(jī)器人，具有更靈活、快速和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)能力，使得生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確率得到了顯著提升。文章主要研究了斜交腕六自由度噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和視覺(jué)補(bǔ)償方式，希望通過(guò)文章的閱讀，能夠給噴涂機(jī)器人研發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的研究工作者提供一定的幫助和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：噴涂機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)控制;視覺(jué)補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0022-02

Abstract： Spraying robot is one of the representative products of mechanized and intelligent industrial production， and it also has a wide range of research and application basis in our country. With the development and progress of science and technology， industrial production has put forward higher requirements for the movement and intelligence of the spraying robot. Compared with the traditional six-axis robot， the new generation of spraying robot is a skew wrist six-degree-of-freedom robot， with more flexible， fast and accurate movement ability， the production efficiency and accuracy have been significantly improved. This paper mainly studies the kinematics modeling and visual compensation of the skew wrist six-degree-of-freedom spraying robot， hoping that through the reading of the paper， it can provide some help and inspiration to the researchers in the fields related to the research and development of the spraying robot.

Keywords： spraying robot; motion control; visual compensation

前言

噴涂機(jī)器人顧名思義，是一種代替人力實(shí)施噴涂工作的智能器械工具，在機(jī)械設(shè)備和智能機(jī)器人廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)流水線作業(yè)的今天，噴涂機(jī)器人在研發(fā)和制造上并不算其中的頂尖。不過(guò)由于歷史原因，我國(guó)對(duì)于機(jī)器人的相關(guān)研究整體上要普遍落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家以及日韓等國(guó)，很多工廠的噴涂機(jī)器人還依賴(lài)進(jìn)口或者是國(guó)外的技術(shù)扶持，在自主研發(fā)方面尚有很長(zhǎng)的路要走。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

1.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

1.2 噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

噴涂機(jī)器人的機(jī)械臂的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中相鄰三個(gè)關(guān)節(jié)的軸線交于一點(diǎn)或者平行，是噴涂機(jī)器人斜交腕六自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的必要條件，此時(shí)需要對(duì)噴涂機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解，只有存在封閉逆解的時(shí)候，才能證明斜交末端的開(kāi)發(fā)的可靠性。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求解過(guò)程中，需要結(jié)合噴涂機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)范圍和象限特性對(duì)結(jié)果進(jìn)行舍棄，保留有意義的解。

2 逆解仿真

逆解仿真的目的是為了檢驗(yàn)機(jī)器人的機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)精度，從正解的角度來(lái)看，噴涂機(jī)器人末端的位姿解，實(shí)際上就是一條運(yùn)動(dòng)軌跡，而通過(guò)結(jié)合對(duì)噴涂工作的深入了解，我們知道噴涂機(jī)器人在進(jìn)行噴涂工作的時(shí)候，機(jī)械臂的末端實(shí)際上是在工件上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)曲線為類(lèi)正弦曲線，將該曲線帶入到運(yùn)動(dòng)學(xué)逆算法中，能夠逆解出六自由度的機(jī)器人各個(gè)機(jī)械臂的角度，將這些角度值帶入到正解的方程中，就能解出另一條曲線，利用軟件進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)兩條曲線基本重合，從而肯定了斜交腕六自由度噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。

除了直接逆解仿真機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)軌跡之外，我們還可以對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)向量進(jìn)行跟蹤，上文中矩陣中的n向量、o向量和a向量都可以進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的向量與規(guī)劃器生成的向量，之間具有微小的差距，從這方面，也能對(duì)其運(yùn)動(dòng)精確度進(jìn)行肯定。

3 視覺(jué)補(bǔ)償

所謂的噴涂機(jī)器人視覺(jué)補(bǔ)償，就是利用攝像機(jī)對(duì)待噴涂工件的空間特性和參數(shù)進(jìn)行抓取，之后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的成像和分析，計(jì)算出工件的笛卡爾空間位置，這樣能夠讓機(jī)器人的噴涂工作變得更加精準(zhǔn)，想要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)補(bǔ)償，就要通過(guò)以下的幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 攝像機(jī)標(biāo)定

攝像機(jī)就是機(jī)器人的眼睛，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺(jué)補(bǔ)償?shù)谋匾獥l件，而為了提升視覺(jué)補(bǔ)償過(guò)程中對(duì)工件的空間定位的精準(zhǔn)度，需要對(duì)機(jī)器人攜帶的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。一般來(lái)講，噴涂機(jī)器人的攝像機(jī)標(biāo)定方法會(huì)選擇張正友標(biāo)定法，這是一種應(yīng)用非常廣泛攝像機(jī)標(biāo)定法，原理是小孔成像，實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)標(biāo)的物在不同角度進(jìn)行拍攝，要求選擇至少兩個(gè)角度進(jìn)行拍攝和標(biāo)定，不過(guò)在實(shí)際的工作中，一般會(huì)選擇5～7個(gè)角度進(jìn)行拍攝，以此來(lái)提高標(biāo)定的精確度。

3.2 高斯濾波

在實(shí)際工作中，工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境并不理想，由于傳送帶和其他設(shè)備存在，圖像生成過(guò)程中可能有大量的干擾和噪音存在，使得工業(yè)相機(jī)拍攝的照片十分模糊，對(duì)這樣的圖像進(jìn)行處理，就難以得到工件的實(shí)際空間位置信息，造成工作精度的降低。

面對(duì)這種在工作中不可避免干擾，我們使用高斯濾波將雜波濾除，保證圖像的清晰程度。

3.3 特征識(shí)別

特征識(shí)別的主要步驟是將工件的信息進(jìn)行提取后，通過(guò)特征匹配，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)果進(jìn)行匹配，能夠快速提取同種類(lèi)的工件空間特征。這種方法能夠迅速確認(rèn)元件的種類(lèi)，直接提取元件的空間特性，進(jìn)行噴涂工作。但是灰度直方圖匹配，在精確度上存在一定劣勢(shì)，因此，在進(jìn)行元件加工的過(guò)程中，如果元件的特征不明顯，或者與數(shù)據(jù)庫(kù)中的其他元件發(fā)生錯(cuò)誤的匹配，可能會(huì)影響操作的精度。

3.4 特征識(shí)別目標(biāo)匹配

特征識(shí)別的目標(biāo)匹配工作，選擇灰度直方圖匹配方式不可取，可能會(huì)降低匹配精度，因此通常使用輪廓匹配的方法。輪廓匹配是對(duì)工件的輪廓直接進(jìn)行抓取和識(shí)別的一種目標(biāo)匹配方式，由于工件的輪廓具有不變性，因此在實(shí)際工作中，采用輪廓匹配能夠很好地提高圖像采集過(guò)程中的抗噪性，從而增加工作的精度。由于這種方法忽略了工件內(nèi)部細(xì)節(jié)而注重工件的輪廓，所以在一定程度上，減少了機(jī)器人的運(yùn)算量，提升了工作的效率和準(zhǔn)確率。

但是在實(shí)際的生產(chǎn)工作中，一些工件的形狀是較為復(fù)雜的組合形式，對(duì)這樣的工件進(jìn)行輪廓匹配的時(shí)候，需要對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行掃描，實(shí)時(shí)性和效率都會(huì)大打折扣，針對(duì)這樣的情況，我們建議將工件進(jìn)行拆分掃描，只針對(duì)單一的目標(biāo)，把工件拆分成簡(jiǎn)單的形狀單元，之后分類(lèi)的進(jìn)行匹配和捕捉，讓后根據(jù)既定的程序進(jìn)行噴涂。

4 思考與發(fā)現(xiàn)

本次對(duì)斜交腕六自由度噴涂機(jī)器人進(jìn)行了研究，在研究過(guò)程中，不斷的思考和討論，有了以下幾點(diǎn)較為有意義的發(fā)現(xiàn)：

（1）噴涂機(jī)器人的機(jī)械臂末端軌跡，主要是由前四個(gè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)影響的。

（2）在進(jìn)行逆解的過(guò)程中，如果將擬牛頓迭代法中的雅克比矩陣的階數(shù)從6階降到4階，對(duì)結(jié)果不產(chǎn)生影響，因此能夠?qū)τ?jì)算過(guò)程進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。

（3）第二點(diǎn)中提到的雅克比矩陣的階數(shù)下降，還能提高計(jì)算的精度，減少計(jì)算的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，對(duì)于噴涂機(jī)器人為代表的工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人的機(jī)械臂的靈活度和精度的研究，我國(guó)目前也已經(jīng)日趨成熟和完善起來(lái)，雖然距離西方發(fā)達(dá)國(guó)家尚有差距，但是隨著我國(guó)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信終有一天能夠?qū)崿F(xiàn)趕超和領(lǐng)先。對(duì)于噴涂機(jī)器人來(lái)講，本文驗(yàn)證了斜交腕六自由度機(jī)器人的機(jī)械臂的靈活度和工作的精確度，證明了其具有非常廣闊的未來(lái)前景和應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)行推廣和普及。

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