工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

金 鑫

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡，438002）

1 設(shè)計(jì)背景

在工業(yè)應(yīng)用中，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人裝配系統(tǒng)的要求越來越高，自動(dòng)裝配系統(tǒng)要求精度高、穩(wěn)定性好且自動(dòng)化程度也要高；并且隨著工業(yè)機(jī)器人裝配技術(shù)廣泛應(yīng)用在智能制造的各個(gè)領(lǐng)域，例如大到航空航天設(shè)備制造、小到微米級(jí)的電子元件設(shè)備制造等，機(jī)器人裝配技術(shù)有了較好的發(fā)展及應(yīng)用，但是現(xiàn)有機(jī)器人裝配系統(tǒng)容易產(chǎn)生噪音及粉塵，影響生產(chǎn)環(huán)境。為解決這個(gè)問題，一般需要安裝降噪模塊（片式消聲器及噪聲傳感器）和吸塵模塊（真空吸塵器及粉塵濃度傳感器），但因裝配環(huán)境惡劣，隨著粉塵累積，傳感器性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致吸塵、降噪效果不明顯，且能耗較高。因此，為提高效率，開發(fā)了一種工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)。

2 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)由主控、數(shù)據(jù)采集、視覺采集、測(cè)距、吸塵、降噪等6 個(gè)模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示；其中視覺采集、測(cè)距、吸塵、降噪模塊安裝在隔音墻上，隔音墻由蜂窩隔音材料及隔音玻璃組成，隔音墻模型如圖2 所示；機(jī)器人裝配系統(tǒng)[1]放置于隔音墻組成的裝配空間內(nèi)；其中數(shù)據(jù)采集模塊為高清攝像頭，測(cè)距模塊內(nèi)置激光測(cè)距儀，吸塵模塊內(nèi)置真空吸塵器及粉塵濃度傳感器，降噪模塊由隔音墻、噪聲傳感器及片式消聲器組成測(cè)距、視覺模塊連接于數(shù)據(jù)采集模塊上，并與主控集成于總控柜中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

本設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何利用測(cè)距、視覺采集、數(shù)據(jù)采集和主控模塊提高在非高斯噪聲下識(shí)別數(shù)字調(diào)制信號(hào)的能力，要求能從信號(hào)集{2FSK、BPSK、MSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM} 中識(shí)別出的QPSK，8PSK，16QAM 和64QAM 等信號(hào)，以此來提高系統(tǒng)控制精度[2]，實(shí)現(xiàn)分段式除塵、降噪，節(jié)能降耗、改善裝配環(huán)境、提高生產(chǎn)效率。

圖1 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 隔音墻模型圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 各模塊功能

2.2.1 測(cè)距模塊

測(cè)距模塊連接在數(shù)據(jù)采集模塊端口上，通過激光測(cè)距儀測(cè)量周圍空間距離。

2.2.2 視覺采集模塊

視覺采集模塊也連接在數(shù)據(jù)采集模塊端口上，利用高清攝像頭進(jìn)行裝配環(huán)境監(jiān)控；本設(shè)計(jì)高清攝像機(jī)除安裝在蜂窩隔音墻上之外，在工業(yè)機(jī)器人手臂前端也安裝一臺(tái)高清攝像機(jī)，以便于通過機(jī)器人視覺系統(tǒng)[3]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配視覺系統(tǒng)模型如圖4 所示。

圖4 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配視覺系統(tǒng)模型圖

本設(shè)計(jì)將偏微分方程圖像降噪的混合模型應(yīng)用在視覺采集模塊，原理如下：

各向同性擴(kuò)散是非常典型的PDE 降噪模型，其能量泛函表達(dá)式為：

其對(duì)應(yīng)的方程為：

因?yàn)楦飨蛲詳U(kuò)散降噪模型在各個(gè)方向上具有相同的擴(kuò)散度，因此在去除噪聲的同時(shí)會(huì)濾除圖像中的重要細(xì)節(jié)。

混合降噪模型使用加權(quán)方法，通過平衡PM和TV 模型獲得其能量函數(shù)，并通過最小化能量函數(shù)來降低噪音。能量函數(shù)的表達(dá)式為：

其中k0和L 是常數(shù)，Δt 是步長，N 是迭代次數(shù)，相對(duì)應(yīng)的參數(shù)表達(dá)式為：

相對(duì)應(yīng)的歐拉方程為：

根據(jù)梯度下降[4]流法，新模型可以寫為以下方程式：

2.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

主控、視覺采集和測(cè)距模塊等均連接在數(shù)據(jù)采集模塊上，它能將在測(cè)距、視覺模塊中采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并將其發(fā)送到主控模塊。

2.3.4 主控模塊

數(shù)據(jù)采集、吸塵和降噪模塊均連接在主控模塊上，它將根據(jù)采集到的信息控制并優(yōu)化機(jī)械裝配過程；主控模塊包含方向控制、裝配調(diào)度、夾持和無線通信等模塊。其中用于操作控制方向的是方向控制模塊；用于實(shí)行裝配調(diào)度操作的是裝配模塊；通過機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人夾持工具操作的是夾持模塊；通過無線方式進(jìn)行控制操作的是無線通信模塊。其具體方法與步驟如下：

2.2.5 吸塵模塊

吸塵模塊內(nèi)置真空吸塵器及粉塵濃度傳感器；吸塵模塊連接在主控模塊上，通過內(nèi)置的真空吸塵器清潔環(huán)境中的粉塵。

2.2.6 降噪模塊

降噪模塊由隔音墻、噪聲傳感器及片式消聲器組成；同時(shí)，降噪[6]模塊也連接在主控模塊上，它通過隔音墻和消音器消除工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配過程中所產(chǎn)生的各種噪音。

3 系統(tǒng)工作流程

首先，測(cè)量模塊通過激光測(cè)距儀測(cè)量周圍空間距離；同時(shí)視覺采集模塊利用攝像機(jī)進(jìn)行裝配環(huán)境監(jiān)控。

其次，數(shù)據(jù)采集模塊將在測(cè)距、視覺模塊中采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換[7]并將其發(fā)送到主控模塊。

再次，主控模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)控制方向、裝配調(diào)度、夾持模塊對(duì)機(jī)械裝配過程進(jìn)行調(diào)度，并通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

最后，系統(tǒng)在裝配過程中所產(chǎn)生的噪音和粉塵，則將通過降噪模塊和吸塵模塊來進(jìn)行消除和清理。其中吸塵模塊通過內(nèi)置的真空吸塵器清潔環(huán)境中的粉塵；降噪模塊通過消音器消除工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配過程中所產(chǎn)生的各種噪音, 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)工作流程如圖5 所示。

圖5 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配系統(tǒng)工作流程圖

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)及科學(xué)性、先進(jìn)性分析

4.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1.1 增加蜂窩隔音墻，可保證基本降噪隔音效果。

4.1.2 增加測(cè)距模塊，通過激光測(cè)距儀測(cè)量周圍空間距離。

4.1.3 增加視覺[8]采集模塊，利用攝像機(jī)進(jìn)行裝配環(huán)境監(jiān)控。

4.1.4 增加數(shù)據(jù)采集模塊，可分類識(shí)別出在Al pha 穩(wěn)定分布噪聲下的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)，以此來提高系統(tǒng)控制精度，實(shí)現(xiàn)分段式除塵、降噪，節(jié)能降耗、改善裝配環(huán)境、提高生產(chǎn)效率。

4.2 設(shè)計(jì)科學(xué)性分析

本設(shè)計(jì)在原有系統(tǒng)中增加了蜂窩隔音墻，可保證基本降噪隔音效果；另新增測(cè)距、視覺采集及數(shù)據(jù)采集模塊，通過激光測(cè)距儀測(cè)量周圍空間距離；利用高清攝像頭進(jìn)行裝配環(huán)境監(jiān)控；通過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并調(diào)制，再通過提高數(shù)字調(diào)制信號(hào)識(shí)別能力，提高控制精度，實(shí)時(shí)調(diào)整吸塵、降噪模塊的啟、停，實(shí)現(xiàn)分段控制，節(jié)能降耗、提高效率。

4.3 設(shè)計(jì)先進(jìn)性分析

4.3.1 降噪效果明顯

在蜂窩隔音墻外1 米處設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[9]，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位通過10 次測(cè)試，得到結(jié)論如下：改裝前平均噪聲為95dB,改裝后為47dB，符合工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排[10]放標(biāo)準(zhǔn)（GB12348-2008）。

4.3.2 吸塵效果明顯

通過檢測(cè)，改裝后自動(dòng)裝配室內(nèi)工業(yè)無組織粉塵濃度低于《大氣綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB16297-1996要求，有效降低粉塵污染。

4.3.3 節(jié)能降耗效果好

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)分段式除塵、降噪，平均降低能耗50%。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)能夠高效完成除塵、降噪，改善裝配環(huán)境，并且節(jié)能降耗，提高了生產(chǎn)效率，推廣應(yīng)用前景較好。

5.1 應(yīng)用價(jià)值強(qiáng)

受限于信號(hào)采集及信息處理能力，現(xiàn)有自動(dòng)裝配系統(tǒng)控制精度不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)中的信號(hào)識(shí)別方法可分類識(shí)別出在Alpha 穩(wěn)定分布噪聲下的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，而且也解決了處于Alpha 穩(wěn)定分布噪聲下的信號(hào)不具有二階以上統(tǒng)計(jì)量的問題；系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)，能夠提高主控模塊的控制精度，推廣應(yīng)用價(jià)值強(qiáng)。

5.2 應(yīng)用范圍廣泛

本設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍廣泛、實(shí)施簡單方便、節(jié)能降耗效果良好；本設(shè)計(jì)可應(yīng)對(duì)所有工業(yè)企業(yè)的除塵、降噪，對(duì)絕大部分非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備均可參照此方案進(jìn)行改造；并且該設(shè)計(jì)中所采用設(shè)備的技術(shù)成熟，成本較低，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分段式除塵、降噪，節(jié)能降耗效果好，提高了生產(chǎn)效率。