基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)

吳德剛，趙利平，陳乾輝

（商丘工學(xué)院機械工程學(xué)院，商丘 476000）

0 引言

機械手是一種可編程的機械手臂結(jié)構(gòu)，具有與人體手臂相似的應(yīng)用能力，既可以作為獨立的機構(gòu)原件，也能夠作為復(fù)雜機器人的一部分且大多數(shù)機械手都必須在連接關(guān)節(jié)的作用下，才能完成旋轉(zhuǎn)、搬運、夾持等執(zhí)行動作。從宏觀層面來看，如果機械結(jié)構(gòu)能抓住一個物體，并可以在維持抓取狀態(tài)的情況下，對該物體進行傳遞，那么就可以將這類型機械結(jié)構(gòu)稱為機械手。

機器視覺作為人工智能領(lǐng)域的一個分支研究方向，能夠模擬人眼功能，判別并測量機械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，并可以在關(guān)聯(lián)應(yīng)用技術(shù)的作用下，將攝取到的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化成圖像信號的輸出形式，經(jīng)由專用導(dǎo)線，反饋給核心處理主機[1]。近年來，機器視覺技術(shù)快速發(fā)展，使得精密機械元件的加工成為了可能，特別是具有穩(wěn)定夾持能力的機械手結(jié)構(gòu)更是成為了主流設(shè)計對象。但現(xiàn)有技術(shù)水平并不能完全精準(zhǔn)控制機械手夾持角的變化形態(tài)，其表現(xiàn)在元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長較長、關(guān)鍵行為角度變化量較大等多個方面，基于上述背景，針對基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)展開研究。

1 機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)由夾持器機械元件、角位置傳感器、拉壓力控制結(jié)構(gòu)三部分共同組成，具體設(shè)計方法如下。

1.1 夾持器機械元件

夾持器機械元件作為機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)中的核心執(zhí)行結(jié)構(gòu)，采用雙旋杠桿的工作原理，同時具有磨損程度低、傳動精度高等多項應(yīng)用優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)形式相對簡單，在完成物理作用力傳導(dǎo)的過程中，幾乎不會產(chǎn)生任何的噪聲，而且還能夠較好維持傳感器與供應(yīng)電機之間的電量平衡配比關(guān)系。夾持器末端的傳感器元件可以聯(lián)合平行二指結(jié)構(gòu)，對機械手所感應(yīng)到的物理作用力進行傳導(dǎo)處理，并可控制螺母組的連接緊密度，從而使得機架組織能夠穩(wěn)定支撐整個夾持器機械元件，從而使得應(yīng)用電機可以在電機卡槽中，為整個自動化控制系統(tǒng)提供足量的傳輸電壓與電流。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾珠軸承能夠調(diào)節(jié)滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦力表現(xiàn)強度，一般來說，為使機械手夾持角擴張數(shù)值水平保持穩(wěn)定，水平與豎直方向上的滑動摩擦力數(shù)值比應(yīng)盡可能接近1：1。

圖1 夾持器機械元件示意圖

在機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)中，平行二指結(jié)構(gòu)的閉合速度始終與動力脈沖波的傳輸速度保持正比關(guān)系，因此，動力脈沖的傳輸速度越快，夾持器匹配電機的物理轉(zhuǎn)速也就越快。

1.2 角位置傳感器

機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)中角位置傳感器的功能是采集夾持器機械元件的偏轉(zhuǎn)角數(shù)值，并將這種角度偏轉(zhuǎn)關(guān)系直接映射到活動手結(jié)構(gòu)當(dāng)中，從而控制活動手完成開合指令，因此該類型傳感器的行為性能對于機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)的影響能力極強[2]。在實際應(yīng)用過程中，為更好適應(yīng)機器視覺原理的表現(xiàn)需求，角位置傳感器選型多為E40S6-L-5型元件（如圖2所示），其前端為一個電量探頭結(jié)構(gòu)，可深入夾持器機械元件的電機輸出端接口當(dāng)中，并從中提取大量的電量信號，以供角位置傳感器的自由支配與利用。

圖2 E40S6-L-5型角位置傳感器

考慮機器視覺理論的影響，可認(rèn)為角位置傳感器分辨率指標(biāo)的選取，遵循脈沖單位必須與角度變化量完全對應(yīng)的原則。

1.3 拉壓力控制結(jié)構(gòu)

拉壓力控制結(jié)構(gòu)可用來檢測機械手裝置末端所承擔(dān)的拉壓力水平，作為夾持角自動化控制系統(tǒng)的必要組成部件，該類型物理結(jié)構(gòu)的連接形式必須隨著角位置傳感器感應(yīng)能力的改變的不斷變化，并最終對物理力學(xué)行為信號進行匯總處理。具體的元件結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表1所示。

表1 拉壓力控制結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)

為適應(yīng)不同的機械手夾持角變換需求，拉壓力控制結(jié)構(gòu)、角位置傳感器、夾持器機械元件三類應(yīng)用結(jié)構(gòu)總是保持完全一致的連接狀態(tài)。

2 基于機器視覺的夾持力控制

遵循機器視覺理論，按照抓取圖像預(yù)處理、力控制切換、運動控制函數(shù)建立的執(zhí)行流程，完成針對機械手的夾持力分析，再聯(lián)合相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 抓取圖像預(yù)處理

為準(zhǔn)確監(jiān)控機械手夾持角的變化情況，應(yīng)設(shè)置多個觸發(fā)器相機對元件結(jié)構(gòu)的運動行為進行采集，由于誤差角等其他外界因素的干擾，所以極易使一些無用信息混雜在原始采集圖像中，此時就要針對已抓取到的圖像信息進行預(yù)處理，而對于這些信息參量的分辨與篩選則應(yīng)參考機器視覺理論[3]。

在機器視覺理論中，任何一個機械手夾持角變動行為都可被看作一個信號向量。設(shè)a表示機械手夾持角的初始數(shù)值，sina、cosa分別表示該角度的正弦與余弦數(shù)值，Δy表示機械臂結(jié)構(gòu)在Y軸上的投影長度，Δx表示機械臂結(jié)構(gòu)在X軸上的投影長度，→q 表示機械手運動行為圖像中的夾持角變動法向量。聯(lián)立上述物理量，可將基于機器視覺的抓取圖像預(yù)處理表達公式定義為：

在考慮機器視覺原理的情況下，任何微小的夾持角變動行為都有可能導(dǎo)致抓取圖像出現(xiàn)明顯變化，因此在實施圖像預(yù)處理的過程中，必須針對機械手元件的行為與運動方式進行仔細(xì)分析。

式中，c 是常數(shù)， 取 c＝6.0， 其子小波為 ψa，b （x）=以此作為為基本小波，具有波動性和衰減性。

2.2 力控制切換條件

力控制切換也叫力學(xué)控制作用切換，主要由圖3所示的兩個行為階段共同組成。

圖3 機械手夾持角力控制切換的行為階段

1）第一階段：對于機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)而言，在力控制切斷的第一執(zhí)行階段中，力學(xué)作用總是由機械手結(jié)構(gòu)指向目標(biāo)物體，若所抓取到的力學(xué)圖像不會發(fā)生改變（抓取行為遵循機器視覺理論），則可認(rèn)為所施加物理力學(xué)作用的強度越大，機械手元件與目標(biāo)物體之間的摩擦力數(shù)值也就越大，此時角位置傳感器所采集到的夾持角物理數(shù)值也就越大。

2）第二階段：在力控制切斷的第一執(zhí)行階段中，力學(xué)作用總是施加在機械手結(jié)構(gòu)外側(cè)[4]。因此，在考慮機械手元件與目標(biāo)物體之間的摩擦力數(shù)值時，必須將機械手結(jié)構(gòu)的自身物理重量考慮在內(nèi)。

設(shè)f1、f2表示兩個不同的摩擦力取值條件，表示f1與f2的物理平均值，β表示基于機器視覺理論的機械手運動圖像抓取頻度，表示單次抓取過程中的夾持角運動變化權(quán)限，i表示力學(xué)作用的初始施加強度，G表示機械手結(jié)構(gòu)的自身物理重量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(1)，可將基于機器視覺的自動化控制系統(tǒng)力控制切換條件表示為：

由于機械手夾持角所處的數(shù)值區(qū)間范圍并不完全固定，所以自動化控制系統(tǒng)的力控制切換條件必須具備較強的適應(yīng)性能力。

2.3 運動控制函數(shù)

在機器視覺理論作用下，運動控制函數(shù)能夠直接約束機械手夾持角的數(shù)值變化情況，對于自動化控制系統(tǒng)來說，由于所抓取圖像中包含了大量的非固定節(jié)點組織，且受到力控制切換條件的影響，節(jié)點與節(jié)點之間的力學(xué)作用形式也并不唯一[5]。所謂運動控制函數(shù)是將夾持角數(shù)值變化狀態(tài)完全考慮在內(nèi)的機械手控制執(zhí)行指令，在已知機器視覺理論為唯一控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可認(rèn)為機械手元件的動作范圍越廣，所建立函數(shù)的實際控制能力也就越強。

設(shè)v1、v2、…、vn表示n個不同的機械手夾持角數(shù)值定義項指標(biāo)，·k 表示基于機器視覺理論的機械手元件運動特征值，Rs表示控制權(quán)限為s時的機械手元件行為指征。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(2)，可將運動控制函數(shù)表示為：

3 實例分析

選取如圖4所示的機械手結(jié)構(gòu)作為實驗對象。首先，利用基于機器視覺的自動化應(yīng)用系統(tǒng)對機械手元件進行控制，所得數(shù)據(jù)指標(biāo)作為實驗組變量；其次，利用雙閉環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)對機械手元件進行控制，所得數(shù)據(jù)指標(biāo)作為對照組變量；然后，分別將實驗組、對照組變量與理想數(shù)值進行對比；最后，總結(jié)實驗組、對照組控制系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)律。

圖4 實驗用機械手結(jié)構(gòu)

機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時長，能夠反映夾持角所表現(xiàn)出來的行為狀態(tài)，一般來說，機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時間越長，則表示夾持角所表現(xiàn)出來的數(shù)值水平越大，此時系統(tǒng)主機對于機械手元件的控制能力相對較弱；反之，若機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時間越短，則表示夾持角所表現(xiàn)出來的數(shù)值水平越小，此時系統(tǒng)主機對于機械手元件的控制能力相對較強。

下圖反映了當(dāng)電機驅(qū)動速度取值分別為2000PPS、4000PPS、6000PPS時，實驗組、對照組機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時長，及其與理想時長的數(shù)值對比情況。

分析圖5可知，當(dāng)電機驅(qū)動速度等于2000PPS時，機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的理想曲線呈現(xiàn)出先上升、再穩(wěn)定、然后上升、最后再次穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)，其全局最大值達到了30.02s；機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的實驗組曲線變化趨勢基本與理想曲線保持一致，整個實驗過程中，其全局最大值達到了26.08s，與理想極大值相比，下降了3.94s；機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的對照組曲線則始終呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中，其全局最大值達到了42.63s，與理想極大值相比，上升了12.61s，遠(yuǎn)高于實驗組數(shù)值水平。

圖5 消耗時間變化曲線（電機驅(qū)動速度等于2000PPS）

分析圖6可知，當(dāng)電機驅(qū)動速度等于4000PPS時，機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的理想曲線、實驗組曲線、對照組曲線均呈現(xiàn)持續(xù)上升的數(shù)值變化狀態(tài)，但明顯對照組曲線的均值水平較高、實驗組曲線的均值水平較低。整個實驗過程中，實驗組最大值49.98s與對照組最大值75.01s相比，下降了25.03s。

圖6 消耗時間變化曲線（電機驅(qū)動速度等于4000PPS）

分析圖7可知，當(dāng)電機驅(qū)動速度等于6000PPS時，機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的實驗組曲線、理想曲線均保持先上升、然后逐漸趨于穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中，前者最大值達到了64.99s，與后者最大值80.98s相比，下降了15.99s；機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需消耗時長的對照組曲線則保持先上升、然后連續(xù)穩(wěn)定、最后繼續(xù)上升的數(shù)值變化狀態(tài)，整個實驗過程中，其最大值達到了89.95s，與理想最大值相比，下降了8.97s，更遠(yuǎn)高于實驗組數(shù)值水平。

圖7 消耗時間變化曲線（電機驅(qū)動速度等于6000PPS）

綜上可知，隨著基于機器視覺的機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時長得到了較好控制，這就表示夾持角所表現(xiàn)出來的數(shù)值水平相對較小，系統(tǒng)主機對于機械手元件的控制能力相對較強。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，新型機械手夾持角自動化控制系統(tǒng)在機器視覺原理的作用下，重新規(guī)劃了角位置傳感器、拉壓力控制結(jié)構(gòu)所處的實時連接位置，又通過力控制切換處理的方式，建立完整的運動控制函數(shù)表達式。從實用性角度來看，在實際應(yīng)用過程中，這種新型控制系統(tǒng)能夠縮小機械手元件到達預(yù)設(shè)位置所需的消耗時長，不但可以避免夾持角表現(xiàn)出過于明顯的擴張狀態(tài)，也能夠突出系統(tǒng)主機對于機械手元件的控制有效性，更為符合實際應(yīng)用需求。