面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法*

陳潔濤 陳煥樂 譚炯鈺 蔣曉明

開發(fā)設(shè)計

面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法*

陳潔濤1陳煥樂1譚炯鈺1蔣曉明2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006 2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

針對當前瓷磚拼花行業(yè)依賴人工及瓷磚部件形狀各異、尺寸差別明顯的挑戰(zhàn)，設(shè)計一種面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法，提出多點吸附控制系統(tǒng)和基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點位優(yōu)化規(guī)劃算法。經(jīng)實驗，驗證了該算法的可行性以及對不同形狀尺寸瓷磚部件的適應(yīng)性。

機器人；多吸附點；可調(diào)吸附點；真空吸附；瓷磚拼花

0　引言

瓷磚拼花是通過水刀把瓷磚切割成不同的部件后，再將不同材質(zhì)、形狀、尺寸的瓷磚部件拼接成一塊完整的拼花瓷磚過程。瓷磚部件拼接是核心工藝之一。目前，瓷磚部件拼接采取純手工方式，存在拼接效率低、質(zhì)量無法保證等問題。隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，利用機器人實現(xiàn)瓷磚的自動化拼接成為趨勢[1-2]。同時，瓷磚部件的自動化拾取和放置引起廣泛關(guān)注和研究。

平整規(guī)則部件的拾取和放置常采用真空吸附方式。對于大型部件，可布置多個固定吸盤。但瓷磚部件形狀各異，尺寸差異較大，要求機器人末端執(zhí)行器需具備良好的形狀和尺寸差異適應(yīng)能力，吸附點的機構(gòu)及算法可自適應(yīng)調(diào)整[3-4]。

為此，本文設(shè)計面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法，通過同步帶實現(xiàn)3個吸附點位置調(diào)整的機器人末端執(zhí)行器——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置，并提出多點吸附控制系統(tǒng)和基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點位置優(yōu)化規(guī)劃算法[5-6]。

1　可調(diào)節(jié)真空吸附裝置

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置由1個步進電機、3個真空吸盤、3個滑塊導(dǎo)桿機構(gòu)、1條同步帶、1個同步帶輪、2個齒形惰輪、3個惰輪、上機架和下機架等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，裝置機構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖1 可調(diào)節(jié)真空吸附裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 可調(diào)節(jié)真空吸附裝置機構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的下機架設(shè)有3個呈120°分布的支架臂，每個支架臂上設(shè)有滑塊導(dǎo)桿機構(gòu)，真空吸盤設(shè)置在裝置中心TCP和滑塊底部。2個齒形惰輪和3個背面張緊型的惰輪將同步帶進行張緊導(dǎo)向，使其與3組滑塊導(dǎo)桿機構(gòu)的導(dǎo)向分別平行，滑塊均固定在同步帶上。由步進電機通過同步帶輪和同步帶與滑塊導(dǎo)桿機構(gòu)傳動，沿著裝置中心TCP方向調(diào)整吸附點。對于尺寸較小的部件，采用單個吸盤吸附；對于尺寸較大的部件，則采用多個不同組合的吸附點共同完成吸附。

2　多點吸附控制系統(tǒng)

多點吸附控制系統(tǒng)主要由工業(yè)相機、工控機PC、工業(yè)機器人、可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和可編程邏輯控制器PLC等組成，用于控制機器人，執(zhí)行相應(yīng)的拾取和放置操作。多點吸附控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 多點吸附控制系統(tǒng)框圖

工業(yè)機器人末端與可調(diào)節(jié)真空吸附裝置相連。在瓷磚拼花過程中，首先，工業(yè)相機拍攝瓷磚部件照片；然后，工控機PC進行圖像處理和吸附點規(guī)劃，將機器人末端姿態(tài)發(fā)送給工業(yè)機器人，并將吸附點調(diào)節(jié)所需的步進電機脈沖信號和真空吸盤啟停所需的I/O信號發(fā)送給可編程邏輯控制器PLC；最后，發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號驅(qū)動步進電機，調(diào)整可調(diào)節(jié)吸附點的位置。

工業(yè)機器人與工業(yè)相機分別與工控機PC通過TCP/IP以太網(wǎng)連接；可編程邏輯控制器PLC與工控機PC通過RS485串口連接；壓力傳感器、電磁閥、步進電機等與可編程邏輯控制器PLC連接。其中，壓力傳感器監(jiān)測真空壓力的大小進而判斷真空吸盤吸附狀態(tài)；電磁閥控制真空發(fā)生器的氣流通斷；步進電機調(diào)整可調(diào)節(jié)吸附點的位置。

3　多吸附點位優(yōu)化規(guī)劃算法

3.1　評價準則

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和多點吸附控制系統(tǒng)要滿足不同部件的吸附需求，還需設(shè)計與裝置匹配的多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法，其中吸附穩(wěn)定性至關(guān)重要[7-8]。本文以無內(nèi)輪廓的平面部件為例，吸附穩(wěn)定性由3個可調(diào)節(jié)吸附點形成的三角形外接圓半徑來評價。若部件平面面積大多在外接圓內(nèi)，可減少在吸附過程中部件重量對吸盤組的傾覆力矩，即吸盤組的多吸附點離質(zhì)心越遠，吸附越穩(wěn)定[9-10]。吸附穩(wěn)定性可描述為

式中：

——可調(diào)節(jié)吸附點形成的三角形外接圓的半徑；

——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置中心TCP與部件質(zhì)心之間的距離。

在不考慮可調(diào)節(jié)真空吸附裝置中心TCP和部件質(zhì)心偏置的情況下，可將公式(1)簡化為公式(2)：

由于部件形狀各異，本文以部件質(zhì)心為中心，繪制半徑為的最小外接圓以描述部件平面空間的大?。辉賹⑽近c離質(zhì)心的距離和部件外接圓半徑的比值與可行的吸附點數(shù)量進行加權(quán)，得到穩(wěn)定性優(yōu)化函數(shù)：

式中：

——由部件質(zhì)心與尺寸決定。

3.2　算法流程

多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法流程圖如圖4所示。

圖4 多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法流程圖

1）利用工業(yè)相機拍攝部件圖像，并通過OpenCV算子對圖像進行濾波和二值化等預(yù)處理，分割出部件圖像的形狀和背景；

2）在工控機PC上利用findContours()函數(shù)檢測并提取部件輪廓，計算其輪廓矩，判斷是否存在內(nèi)輪廓，計算單一輪廓或鏤空輪廓的輪廓矩和質(zhì)心點；

3）以圓形結(jié)構(gòu)元素對輪廓進行腐蝕，將外輪廓向內(nèi)偏置（內(nèi)輪廓向外偏置）一個安全距離，即略大于一個真空吸盤的半徑，獲得部件的可吸附區(qū)域；

4）給輪廓做外接最小矩陣，通過比較矩陣的長寬與可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的最小吸附范圍的大小，確定采用三點規(guī)劃模式還是兩點規(guī)劃模式。

圖5 三點規(guī)劃模式

兩點規(guī)劃模式如圖6所示。給偏置后的輪廓建立AABB包圍盒，以輪廓中心點為中心，遍歷在可吸附范圍內(nèi)的輪廓點，設(shè)為點；以點和點作直線，找出與包圍盒相交的兩點1和2；從2點往點遍歷找出在可吸附范圍內(nèi)離點最遠的點，從而找出最佳吸附點點和點。對于可吸附范圍小于min的部件輪廓，可只采用點為吸附點。

圖6 兩點規(guī)劃模式

4　實驗

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的可調(diào)節(jié)吸附點范圍在距離裝置中心TCP的50 ～ 140 mm，可滿足大部分瓷磚部件的吸附需求。實驗選取部分常見的具有代表性輪廓的瓷磚部件為實驗對象，如尺寸差異大、細長或含內(nèi)輪廓的瓷磚部件。

對一些常規(guī)輪廓、細長輪廓以及含有多個內(nèi)部輪廓的瓷磚部件進行多吸附點優(yōu)化規(guī)劃的仿真測試，結(jié)果顯示在吸附范圍內(nèi)可根據(jù)部件輪廓計算出質(zhì)心并找出多個分布較遠的吸附點，如圖7所示。

(a) 瓷磚部件輪廓 (b) 瓷磚部件可吸附區(qū)域 (c) 吸附點分布示意圖

實驗采用IRB2600六自由度機器人、MER-2000- 19U3M相機對部分尺寸、形狀不一的瓷磚部件進行吸附拾取實驗，其中瓷磚部件隨機擺放在背光板上，工業(yè)相機置于背光板正上方。

(a) 多吸附點規(guī)劃結(jié)果 (b) 機器人吸附瓷磚部件

表1 瓷磚部件吸附參數(shù)與穩(wěn)定性評價指標

對不同尺寸的瓷磚部件進行針對性分析：2、3、4號瓷磚部件，最大吸附穩(wěn)定性max= 5；1、6號細長形瓷磚部件，最大吸附穩(wěn)定性max= 3；尺寸小于裝置可吸附范圍的5號瓷磚部件，采用單點吸附，穩(wěn)定性依賴于是否對瓷磚部件的質(zhì)心進行吸附。

實驗結(jié)果分析：首先，瓷磚部件的吸附穩(wěn)定性趨于最優(yōu)，在忽略瓷磚部件形狀和尺寸對吸附穩(wěn)定性的影響下，說明多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法所得的吸附點分布可達到穩(wěn)定性最優(yōu)；然后，可調(diào)節(jié)真空吸附裝置及所提出的多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法適用于大部分瓷磚部件的輪廓，其自適應(yīng)性和可行性也得到驗證；最后，實驗過程中根據(jù)瓷磚部件的輪廓規(guī)劃出吸附點，并讓機器人對背光板上隨機擺放的瓷磚部件進行吸附，說明多點吸附控制系統(tǒng)的可行性。

5　結(jié)論

本文針對形狀各異、尺寸差別明顯的瓷磚拼花部件的自動化拾取和放置，提出一種可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和多點吸附控制系統(tǒng)，并提出一種基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點優(yōu)化規(guī)劃算法。

通過瓷磚部件仿真以及機器人吸附瓷磚部件實驗，面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法能滿足不同瓷磚部件的自適應(yīng)吸附需求，同時驗證了機器人末端執(zhí)行器——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置、多吸附點規(guī)劃優(yōu)化算法和多點吸附控制系統(tǒng)的可行性，對常見輪廓、含內(nèi)輪廓等特征和細長輪廓等不同瓷磚部件具有較好的適應(yīng)性，且能達到吸附穩(wěn)定性最優(yōu)。

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Robot End Effector and Adsorption Point Planning Algorithm for Tile Mosaic

CHEN Jietao1CHEN Huanle1TAN Jiongyu1JIANG Xiaoming2

(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China 2. Institute of Intelligent Manufacturing, Guangdong Academy of Science, Guangzhou 510070, China)

In view of the challenge that the current tile mosaic industry depends on manpower and tile parts with different shapes and sizes, a robot end effector and adsorption point planning algorithm for tile mosaic are designed, and a multi-point adsorption control system and a multi-point adsorption point optimization planning algorithm based on the optimal adsorption grasping stability are proposed. Experiments verify the feasibility of the algorithm and its adaptability to ceramic tile parts with different shapes and sizes.

robot; multiple adsorption points; adjustable point; vacuum adsorption; tile mosaic

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項資金項目（2015B090922003）

陳潔濤,陳煥樂,譚炯鈺,等.面向瓷磚拼花的機器人末端執(zhí)行器及吸附點規(guī)劃算法[J].自動化與信息工程, 2022,43(1):33-37.

CHEN Jietao, CHEN Huanle, TAN Jiongyu, et al. Robot end effector and adsorption point planning algorithm for tile mosaic[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(1):33-37.

陳潔濤，男，1994年生，碩士研究生，主要研究方向：機器視覺、智能制造。E-mail: 630502426@qq.com

蔣曉明（通信作者），男，1973年生，博士，副研究員，主要研究方向：電力電子裝備技術(shù)。E-mail: xm.jiang@giim.ac.cn

TP242.2;TP391.41

A

1674-2605(2022)01-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.01.006