雙目雙臂協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)與研發(fā)

胡 仰 溫秀蘭* 倪浩君 李子康 趙藝兵

（南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211167）

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，單臂工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)，替代人工完成鑄造、焊接、沖壓和碼垛等操作。但是在一些需要精細(xì)裝配、精細(xì)操作的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景上會(huì)遇到很大的障礙。為了適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜性以及操作精度提高的要求，由兩個(gè)單臂組成的雙臂機(jī)器人相互協(xié)作、相互配合的去完成某種作業(yè)的需求越來(lái)越大。同時(shí)雙目的加入使雙臂機(jī)器人的末端位姿能被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到，保證協(xié)作抓取過(guò)程中的準(zhǔn)確與高效，能夠適應(yīng)更多樣化的環(huán)境，減少技術(shù)工人的工作量，提高生產(chǎn)加工的效率。

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在雙臂機(jī)器人領(lǐng)域取得重大突破[1]，國(guó)內(nèi)有關(guān)雙臂機(jī)器人研究也得到了穩(wěn)步推進(jìn)，已有一系列關(guān)于雙臂協(xié)作機(jī)器人的理論與實(shí)踐研究[2-3]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不規(guī)則零件的識(shí)別與定位，并通過(guò)雙臂協(xié)作控制算法實(shí)現(xiàn)待裝配工件的組合裝配。通過(guò)對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工件識(shí)別與定位、雙臂協(xié)作抓取運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)工件定位、抓取、協(xié)作裝配的雙目雙臂協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)，適用于復(fù)雜任務(wù)與精細(xì)操作任務(wù)要求，順應(yīng)工業(yè)4.0 與中國(guó)制造2025發(fā)展的新時(shí)代要求。

1 方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)由操作層、控制層和運(yùn)動(dòng)層三部分組成，如圖1所示。其中操作層完成工件信息、協(xié)作抓取和末端位姿監(jiān)測(cè)的功能；控制層包括樹(shù)莓派4B對(duì)工件輪廓與位置信息的識(shí)別與標(biāo)定，通信模塊的傳遞，STM32對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)信息的處理，來(lái)控制各自由度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙臂的協(xié)作控制；運(yùn)動(dòng)層完成控制功能的實(shí)現(xiàn)。在完成一只機(jī)械臂對(duì)一個(gè)工件的抓取后，另一只機(jī)械臂會(huì)對(duì)另一待裝配工件進(jìn)行抓取及裝配，實(shí)現(xiàn)雙臂協(xié)作抓取裝配任務(wù)。上位機(jī)通過(guò)調(diào)用雙目攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)協(xié)作裝配環(huán)節(jié)，并反饋各自由度舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于振動(dòng)產(chǎn)生的偏差值。在針對(duì)不規(guī)則工件時(shí)，借助OpenCV視覺(jué)庫(kù)中的輪廓識(shí)別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不規(guī)則工件的定位，效果顯著。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件由主控制器、舵機(jī)控制板、總線舵機(jī)、雙目攝像頭、力矩壓力傳感器和末端機(jī)械手等組成。主控制器采用樹(shù)莓派4B，舵機(jī)控制板使用STM32F1，總線舵機(jī)采用LDX-227和LDX-180。雙目攝像頭采用S1030-IR-120/Mono小覓攝像頭，深度分辨率為60fps。傳感器采用LZ-N7靜態(tài)扭矩傳感器和SBT674圓柱形壓力傳感器。

舵機(jī)控制板借助AD軟件自行設(shè)計(jì)繪制而成，其主控芯片采用STM32F103ZGT6，拓展出32路I/O口供舵機(jī)連接，同時(shí)加裝了外部FLASH緩存用于存儲(chǔ)上傳的動(dòng)作組文件。上位機(jī)通過(guò)USB線和舵機(jī)控制板上的Micro-USB連接，由CH341芯片負(fù)責(zé)USB與STM32串口UART之間的通信，在上位機(jī)設(shè)置正確的端口號(hào)與波特率即可進(jìn)行實(shí)時(shí)舵機(jī)控制以及動(dòng)作組的燒錄。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的舵機(jī)控制、識(shí)別定位、協(xié)作抓取和實(shí)施監(jiān)測(cè)四大實(shí)驗(yàn)功能，由QT語(yǔ)言編寫，主要由操作界面程序、串口程序、舵機(jī)程序以及接口程序構(gòu)成。在舵機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中，操作人員可以在操作界面上通過(guò)拖動(dòng)舵機(jī)拖動(dòng)條，例如“舵機(jī)ID：1”右側(cè)滑動(dòng)條，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)左機(jī)械臂一號(hào)舵機(jī)控制，其控制范圍為0～2700。當(dāng)點(diǎn)擊舵機(jī)復(fù)位按鈕，該按鈕會(huì)調(diào)用示教還原算法來(lái)恢復(fù)舵機(jī)上電時(shí)的初始值。操作人員還可通過(guò)動(dòng)作組控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)左、右機(jī)械臂的連貫動(dòng)作演示。

識(shí)別定位實(shí)驗(yàn)如圖2所示，在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)選擇攝像頭的端口并正確連接后，操作人員可以進(jìn)行一系列標(biāo)定方法與圖像處理方法的研究，下圖為不規(guī)則工件的邊緣檢測(cè)前后對(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)邊緣檢測(cè)算法能較準(zhǔn)確的將不規(guī)則工件的輪廓勾勒出。

圖2 識(shí)別定位實(shí)驗(yàn)界面

3 實(shí)物模型搭建及功能測(cè)試

該機(jī)器人的實(shí)物模型如圖3所示，機(jī)器人機(jī)械部分由左機(jī)械臂、右機(jī)械臂和雙目攝像頭三部分組成。左、右機(jī)械臂各由六個(gè)舵機(jī)通過(guò)連接件固定在各自的底盤裝置上。雙目攝像頭連接著可折疊的攝像頭支架，其高度與角度是可調(diào)節(jié)的，左、右機(jī)械臂為對(duì)稱式安裝結(jié)構(gòu)，其連接件大小尺寸完全一致。

圖3 實(shí)物模型圖

在組合裝配測(cè)試中，如圖所示的待抓取組合工件為無(wú)螺紋的螺桿和套筒組成，其組合時(shí)有一定的間隙。在組合時(shí)，在不影響右機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的前提下，左機(jī)械臂會(huì)抓取套筒至一定高度；隨后，右機(jī)械臂抓取螺桿至另一位置處；最后，左、右機(jī)械臂在桌面指定位置處完成組合裝配任務(wù)，并回到初始位置，等待其他待組合工件的請(qǐng)求，有極高的成功率。

在機(jī)械臂末端位姿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能測(cè)試中，借助OpenCV視覺(jué)庫(kù)來(lái)對(duì)特定形狀的機(jī)械手背部形狀進(jìn)行跟蹤會(huì)存在一定的抖動(dòng)，這是由于實(shí)時(shí)邊緣檢測(cè)算法受光反射、折射與漫反射的影響，所以該機(jī)器人需工作在光線充足的環(huán)境中。

4 結(jié)論

本文研發(fā)了一種能夠?qū)ぜ?shí)時(shí)定位、抓取、協(xié)作裝配的雙目雙臂協(xié)作機(jī)器人。該機(jī)器人采用STM32和Raspberry4B作為主控單元，用OpenCV視覺(jué)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，上位機(jī)用QT語(yǔ)言編寫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)不規(guī)則零件的識(shí)別與定位、協(xié)作抓取和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且用戶界面友好，便于推廣應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性。