基于機(jī)器視覺智能機(jī)器人高速搬運(yùn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李和仙，林宗德，胡志超

（閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700）

隨著制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)及新型項(xiàng)目的應(yīng)用，在當(dāng)前的現(xiàn)代化發(fā)展過程中，以智能機(jī)器人自身發(fā)展為動(dòng)力，堅(jiān)持新理念——機(jī)器視覺技術(shù)引領(lǐng)新機(jī)器人，采取機(jī)器視覺技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的策略，使柔性化與自動(dòng)化“合二為一”。機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，改變傳統(tǒng)機(jī)器的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制方式，擺脫固有的初始位置、中間位置、終止位置的三位模式［1］。該機(jī)器視覺智能機(jī)器人不僅把傳統(tǒng)機(jī)器人的簡單搬運(yùn)轉(zhuǎn)變成高速搬運(yùn)，而且具備質(zhì)檢視覺功能。

1 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)作為工業(yè)機(jī)器人的眼睛和大腦，在人機(jī)結(jié)合的同時(shí)，依靠QD75 定位模塊精準(zhǔn)定位，通過內(nèi)外部傳感器，進(jìn)行圖像采集、處理、分析，對(duì)工件識(shí)別定位，并檢測(cè)相關(guān)特征（速度、位置、顏色、形狀、重量、距離等）［2］。當(dāng)對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，利用兩個(gè)電荷耦合器件（CCD）完成角度智能檢測(cè)，經(jīng)圖像處理、分析后輸出至PLC智能模塊，如圖1所示。

圖1 利用兩個(gè)CCD完成角度智能檢測(cè)

2 機(jī)器人的定位模塊

整個(gè)智能系統(tǒng)如圖2 所示，由對(duì)射式光電傳感器、視覺相機(jī)、PLC 智能模塊（QD75 定位模塊）、伺服放大器、搬運(yùn)機(jī)器人等幾部分組成，其主要元器件型號(hào)如表1 所示。利用兩個(gè)CCD 完成角度智能檢測(cè)，視覺處理和分析后傳輸至PLC 智能模塊。根據(jù)信號(hào)反饋，為了滿足控制系統(tǒng)的高速運(yùn)行［3］，設(shè)置QD75 參數(shù)時(shí)，基本參數(shù)1 中的單位參數(shù)設(shè)為3：pulse，每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和移動(dòng)量參數(shù)都設(shè)為3 600 pulse；基本參數(shù)2中的加速度時(shí)間、減速度時(shí)間參數(shù)設(shè)為1 ms；詳細(xì)參數(shù)2的加速度時(shí)間1、加速度時(shí)間2、減速度時(shí)間1、減速度時(shí)間2 參數(shù)設(shè)為1 000 ms，JOG速度限制值參數(shù)設(shè)為20 000 pulse/s，JOG 運(yùn)行加速時(shí)間和JOG 運(yùn)行減速時(shí)間選擇參數(shù)都設(shè)為0：1，快速停止減速時(shí)間參數(shù)設(shè)為1 000 ms，定位完成信號(hào)輸出時(shí)間參數(shù)設(shè)為300 ms；原點(diǎn)回歸基本參數(shù)的原點(diǎn)回歸速度和爬行速度參數(shù)都設(shè)為5 000 pluse/s，偏差計(jì)數(shù)器清除信號(hào)輸出時(shí)間參數(shù)設(shè)為11 ms。

圖2 智能控制系統(tǒng)

表1 主要元器件

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 信號(hào)目標(biāo)位置

當(dāng)目標(biāo)盤機(jī)構(gòu)上的對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)，同時(shí)視覺相機(jī)檢測(cè)到目標(biāo)的位置［4］時(shí)，PLC智能模塊能記錄下當(dāng)前的位置。設(shè)流水線速度為v，檢測(cè)到第1 個(gè)信號(hào)圖像采集至完成搬運(yùn)的時(shí)間為t1，則信號(hào)搬運(yùn)前的位置坐標(biāo)為（x1，y1），信號(hào)搬運(yùn)后的位置坐標(biāo)為（x1，y1+vt1）。以此類推，第n個(gè)信號(hào)圖像采集至完成搬運(yùn)的時(shí)間為tn，則信號(hào)搬運(yùn)前的位置坐標(biāo)為（xn，yn），信號(hào)搬運(yùn)后的位置坐標(biāo)為（xn，y1+vtn），具體如表2所示。

表2 信號(hào)的坐標(biāo)位置

3.2 信號(hào)系統(tǒng)控制

信號(hào)目標(biāo)位置確定后傳送至PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)將目標(biāo)盤當(dāng)前的位置和補(bǔ)償厚度位置處理后，得到最佳位置，然后將垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人、水平關(guān)節(jié)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)至該位置，PLC發(fā)出“釋放元件”信號(hào)。由于三菱工業(yè)機(jī)器人程序是按步執(zhí)行的，所以當(dāng)工業(yè)機(jī)器人程序執(zhí)行到“等待釋放手抓”信號(hào)時(shí)，PLC發(fā)出“釋放元件”信號(hào)才是有效的，其他時(shí)候是無效的［5］。系統(tǒng)控制電路如圖3 所示。部分PLC 程序如圖4 所示［6］，其中M0、M2 控制人機(jī)界面的啟動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人高速搬運(yùn)系統(tǒng)初始化，SM400 讀取信號(hào)位置信息，將位置信息傳送至M4、X26，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理，處理后的信號(hào)Y32 輸出，最后M6、Y3E復(fù)位。

圖3 系統(tǒng)控制電路

圖4 部分PLC程序

3.3 目標(biāo)盤、流水線系統(tǒng)控制

QD75 定位模塊安裝到伺服放大器MR-J4-20A 模塊上。視覺相機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析，傳送至PLC 智能模塊（QD75 定位模塊）和伺服放大器。QD75 定位模塊以差動(dòng)輸出模式把脈沖輸出給機(jī)器人，對(duì)目標(biāo)盤、流水線系統(tǒng)進(jìn)行控制，機(jī)器人執(zhí)行搬運(yùn)動(dòng)作［7］。伺服放大器MR-J4-20A 模塊有32 個(gè)I/O 點(diǎn)，而機(jī)器人的X軸、Y軸對(duì)多個(gè)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。偏差計(jì)數(shù)器將QD75 定位模塊采集的脈沖信號(hào)串進(jìn)行積累和反饋，并發(fā)送到D/A 轉(zhuǎn)換器中，D/A 轉(zhuǎn)換器將差值脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流模擬電壓，使之成為控制伺服電機(jī)的速度控制指令，經(jīng)伺服放大器MR-J4-20A 的偏差計(jì)使電機(jī)保持運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)速受偏差計(jì)數(shù)器的累積脈沖影響，當(dāng)偏差計(jì)數(shù)器的累積脈沖減少時(shí)，轉(zhuǎn)速變慢；當(dāng)偏差計(jì)數(shù)器的累積脈沖為0 時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。故QD75 定位模塊和伺服放大器MR-J4-20A 能支持2 軸進(jìn)行高速的獨(dú)立定位動(dòng)作和連續(xù)定位動(dòng)作的插補(bǔ)，還為機(jī)器人原點(diǎn)回歸控制、快速原點(diǎn)回歸及原點(diǎn)回歸重試提供6 種控制方式［8］，豐富的高速控制功能使其高速化和通訊遠(yuǎn)程化。QD75 定位模塊和伺服放大器MR-J4-20A 的控制電路如圖5所示。

圖5 QD75定位模塊和伺服放大器MR-J4-20A控制電路

4 結(jié)語

綜上所述，將機(jī)器視覺技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合，相比以往的工業(yè)機(jī)器人有很大的改變。機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用為機(jī)器人柔性化生產(chǎn)提供有力的后盾。采用QD75 定位模塊和伺服放大器MR-J4-20A 對(duì)視覺技術(shù)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，建立視覺識(shí)別坐標(biāo)信息與定位。該機(jī)器人控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一個(gè)較完善的視覺機(jī)器人高速搬運(yùn)控制功能。