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论文写作模式-基于视觉的搬运机器人本体设计

2021-06-04 15:07:06
作者:杭州千明

  目前,机器视觉技术在工业机器人上的应用,是反映一个国家工业智能化水平的重要标准,实现机器人对操作机械零部件的自主识别,是实现工业智能的重要手段。将视觉反馈技术运用于工业机器人上,利用机器视觉系统来识别目标以实现快速精准搬运作业的目的,已成为组建智能化工厂的重要策略。因此,研究设计一款基于视觉的搬运机器人是很有必要的。

  本课题结合视觉系统,设计一种用于搬运小型机械零部件的搬运机器人机械臂及其末端执行器的结构。机器人以六轴工业机器人为主体,利用机器视觉来识别位置和状态,并由机械爪抓取目标以实现到达指定位置的工作。通过视觉系统的手眼系统,以及相机和图像处理,达到确定目标位姿,实现准确把握目标对象,抓取搬运符合要求的小型机械零件的目的。

  该搬运机器人主要用来搬运小型机械零部件,需要设计机器人本体机械结构、传动方式、传动单元,以及机械爪的结构、驱动方式等。每一个组件的尺寸和参数设计完毕后,将其在Solid works完成三维建模及装配,并输出搬运机器人的连杆等部件的工程图纸。

  智能制造行业的发展日新月异,越来越多的功能齐全的工业机器人被用于各行各业的生产过程中,代替手工劳动。工业机器人的应用与发展是一门集智能、精密、大数据、软件应用开发等先进学科为一体的技术。工业机器人可以在一些特殊环境下工作,对降低成本、提高生产安全性、提高效率等有着重要意义。随着不断的发展,机器人在生产实践中的相关技术已经越来越成熟,目前已形成较为完备的使用策略,达到可以既保证产品质量,又极大地提高工业生产效率的目的。

  当环境发生变化时,机器人的适应能力就非常有限,这极大地限制了工业机器人的发展和使用。这是因为机器人系统缺乏识别外部因素的能力。就目前工业机器人的应用而言,大多采用离线编程或视角的方式。由于目标物体的起始位置和结束位置都是人为设定的,机器人只能完成指定的点对点运动。而以视觉技术能将摄像机采集到的图像信息传输给计算机进行处理,它可以模拟人的感知能力来处理图像,并根据数据的分析结果来指导工业机器人系统的智能完成任务。

  现如今,在实际工业生产过程中,视觉系统已经成为保证生产效率和质量的重要组成部分。基于视觉反馈的机器人对目标物位置的变化进行管理,既实现了人工作业的自动化,又做到延长生产线正常运行时间,减少生产过程中可能存在的安全隐患,还能通过零件检验功能提升产品质量。因此,基于视觉反馈的工业机器人技术已经被广泛使用。

  1.2研究意义

  当前,我国的工业智能化的发展速度很快,对机器视觉与工业机器人需求也越来越多,因此,研究基于视觉系统的工业机器人是很有必要的。本课题结合视觉系统,设计一种用于搬运小型机械零部件的搬运机器人的机械臂及其末端执行器的结构。以六自由度工业机器人为主体,采用机器视觉标定目标位置和状态的方法,由机器人末端执行器对目标进行抓取以实现指定作业。要实现该项工作,需要在对机器人视觉系统及其与末端执行器相对位置准确地校准的基础上,通过目标识别定位,根据机器人运动学规律确定工作点与目标之间相对位置,最后由机器人控制器控制机器臂及末端执行器完成指定工作。

  1.3国内外研究现状和发展趋势

  1.3.1国外研究现状

  国外研究人员对基于机器视觉的工业机器人合作引导技术研究多年,许多国外机器人企业在基于机器视觉的机器人控制技术方面已经有了较为成熟的应用。

  图1-1 ABB Flex Picker抓取系统

  如图1-1所示,ABB Flex Picker机器人具有运行速度快、抓取精度高的特点,在分拣工件方面具有很大的优势。该机器人支持运行外部图像采集设备,结合Cognex公司配备的视觉软件,机器人可以进行准确的拾取操作,特别适合于流水线上工件分拣或包装的作业。

  图1-2 FANUC视觉系统

  发那科公司的红外视觉系统平台也已经广泛运用在工业生产的各个领域,如图1-2码垛机器人正在使用红外2.5D码垛视觉,摄像机对目标工件进行拍摄,根据目标工件的尺寸计算出目标物体的深度信息,计算出相应的偏移量进行补偿,最后实现基于视觉控制的码垛操作。

  此外,发那科公司的红外视觉3DL视觉采集系统是基于地面安装的3D激光传感器进行视觉数据采集的视觉解决方案,用于解决因工件表面位置变化造成的定位偏差。因为要处理的工件是一个毛料,在被抓取后,定位孔的位置可能会改变,甚至工件上料时平面发生倾斜,通过这种技术可以自动补偿的位置变化,实现高精度的操作。

  1.3.2国内研究现状

  一方面,中国对各种机器人的需求量很大,但国内知名的机器人制造商却不多,机器人系统核心技术拥有量仍然有限。一些重要部件需要依赖进口,控制精度往往难以达到国际领先水平。另一方面,为了引进重要的机器人技术,企业或科研机构通常会与国外公司合作。其中,安川首钢机器人有限公司就是一个典型的例子,公司通过技术合作开发的高速处理系统由高速机器人、自动化传输线、工业智能摄像头组成,其分拣速度快、控制精度高。

  我国大部分工业机器人系统的智能水平不高,通常采用人工示教编程的方法来控制机器人完成从预定起始点到目标点的运动。复杂条件下的智能路径规划、目标定位和姿态调整任务无法实现。为了促进机器人技术的发展,提高工业机器人的智能水平,将机器视觉应用于工业机器人,实现在视觉监督下的智能操作是必然的趋势,可以满足实际工业生产中机器视觉系统的实时精准控制要求,具有广阔的市场前景。

  1.3.3发展趋势

  如今各种工业机器人制造商和智能装备研究机构已经成功地将机器视觉应用识别、搬运、上下料、码垛、焊接等作业中。视觉控制的工业机器人技术已经广泛融入到各大机器人公司的发展和应用中。

  国内的视觉引导技术起步较晚,目前突破的关键在于提高国产视觉系统的精度。另一个关键是提高重要硬件研发能力,如工业相机和光敏核心芯片的研发。随着深度学习领域研究的不断深入,机器视觉和工业机器人技术的不断创新应用,已经取得了丰富的研究成果,并仍在蓬勃发展。

  因此本课题基于实际生产需求,以六轴工业机器人为基础,以搬运小型机械零部件为主要目的,通过相机标定和手眼协调系统,对图像和识别目标进行处理,进而实时改变机器人位姿,从而实现机器人精确抓取目标物体,以满足精准搬运小型机械零部件的目的。

  1.4主要研究内容和研究方法

  本课题主要设计一种运用视觉系统来识别物体的搬运机器人本体及其末端执行器的结构,其主要研究内容有:

  (1)基于视觉的搬运机器人搬运方案分析,相机工作方式及机械爪工作状况分析;

  (2)搬运机器人主要零部件及其结构和机械爪结构的设计,包括机械结构、传动方式、驱动方式、基本参数等;

  (3)对搬运机器人和机械爪进行三维建模和装配;

  (4)对机械臂各关节电机进行选型并计算;

  (5)基于视觉的搬运机器人的驱动方式和传动方式的确立;

  (6)研究相机标定方法,选取合适方法完成相机标定;

  (7)输出搬运机器人的连杆等部件的工程图纸;

  主要研究方法:

  (1)对所设计的视觉搬运机器人的相关研究成果进行了检索,并对其结构、工作原理、设计参数等有用信息进行了研究和分析;

  (2)完成机器人的机械臂结构、驱动方式、传动机构等的设计与计算,利用Solid works软件对机器人主要零部件进行三维模型设计并完成模拟装配,;

  (3)基于抓取目标物,设计机械爪的结构、驱动方式并建立三维模型;

  (4)研究视觉系统的基本组成及工作方式;

  (5)对视觉体系硬件组成进行选取,对图像识别和处理进行研究;

  (6)搭建搬运机器人抓取实验平台,提出搬运机器人控制策略,对搬运机器人的抓取动作进行轨迹规划。

  2搬运机器人本体结构设计

  2.1搬运机器人结构分析

  本文所设计的工业机器人的机械本体由底座、大臂、小臂和腕部等组成。共使用6个电机带动6个关节的运动。机器人的基本组成部分及各运动关节的定义如图2-1所示。

  图2-1机器人机械系统组成图

  其中为连接机座与机身的腰部,可进行回转运动,为连接机身本体与大臂的肩部,驱动大臂作俯仰运动,为连接大臂与小臂的肘部,驱动小臂作上下的俯仰运动,、、分别驱动手腕进行横摆、俯仰和回转运动。

  为了达到预期的效果,各关节的旋转由伺服电机驱动,齿轮传动。手爪抓取采用气动手爪,可抓取直径在100mm左右的工件,具有保持力矩和可控速度的特点。

  2.2搬运机器人的技术参数

  在设计方案之前,需要确定搬运机器人的主要技术参数,包括以下几种:

  (1)工作精度

  (2)工作范围

  (3)最大工作速度

  (4)承载能力

  本课题设计的搬运机器人的技术参数如下:

  表2-1技术参数

  自由度6

  额定负载3Kg

  本体重量27Kg

  最大工作半径571.5mm

  运动范围J1±180°

  J2-155°/+5°

  J3-20°/+240°

  J4±180°

  J5±95°

  J6±360°

  额定速度J1 375°/s,6.54rad/s

  J2 375°/s,6.54rad/s

  J3 375°/s,6.54rad/s

  J4 375°/s,6.54rad/s

  J5 375°/s,6.54rad/s

  J6 600°/s,10.46rad/s

  最高速度J1 375°/s,6.54rad/s

  J2 375°/s,6.54rad/s

  J3 375°/s,6.54rad/s

  J4 375°/s,6.54rad/s

  J5 375°/s,6.54rad/s

  J6 600°/s,10.46rad/s

  容许惯性矩J6 0.04kg㎡

  J5 0.05kg㎡

  J4 0.05kg㎡

  容许负荷扭矩J6 6.4Nm

  J5 6.4Nm

  J4 12.7Nm

  图2-2(a)、(b)为机器人基本尺寸和工作范围。

  (a)

  (b)

  图2-2基本尺寸和工作范围

  2.3机械臂腰部结构的设计

  2.3.1腰部结构设计原则

  机械臂底座结构的设计要求:

  ①安装基面足够稳定,可以保障工作时的稳定性。

  ②底座能承受机器人全部的重量和载荷。

  ③保证腰部轴系及传动机构的精度与刚度。

  ④腰部的驱动装置,包括驱动器和减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器,以及制动器。

  ⑤维持定位基准面,以保证各关节的相互位置精度。

  ⑥使用比重较小的铝合金材料制作腰部回转运动部分的壳体,用铸铁或铸钢材料制作底座。

  2.3.2具体采用方案

  由于腰部是机器人的第一回转关节,对精度影响大,故采用通过电机驱动RV减速器的方式来实现腰部的回转运动,如图3-1。

  图2-3基座结构图

  2.3.3转矩计算

  根据平行轴定理可得绕轴O的转动惯量为:

  (2-1)

  带入竖直得:

  总转动惯量

  (2-2)

  其中,=0.5kg;=5kg;=7kg;=7kg;

  设输出轴速度为,所需时间;

  基座转矩

  (2-3)

  带入数值得:

  若考虑各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩,旋转开始时的启动转矩可假定为。

  2.4腕部结构设计与计算

  2.4.1腕部结构设计

  图2-4腕部结构图

  腕部结构图如图2-1所示,在机械臂结构中,腕部又叫执行装置、执行爪、手部等名称,是直接与工件接触,用于对工件的夹持、移动、旋转等工作的重要部分。其设计要求是:保证有足够的力可以将工件进行夹紧、移动等,并且不能损伤工件。其作用原理是通过伺服电机的驱动,输出扭矩与速度,经过行星齿轮变速器,对其速度进行减速,以适应运动的要求,经过一系列的齿轮传动,最终将所需的扭矩与速度传递到轴套,轴套可以安装不同的夹具,对工件进行夹持固定,以及对工件的旋转等。

  2.4.2腕部结构力学分析

  (1)抗拉强度分析

  是手臂所能承受的极限拉应力,由弯矩M产生的拉应力和向心力F产生的应力合成。

  在=公式中,是抗弯截面系数。则对于外径为D,内径为d的圆环截面有:

  (2-4)

  (2-5)

  (2-6)

  (2-7)

  ,A为手臂横截面积,单位。

  根据抗拉强度条件有:

  (2-8)

  将上述计算结果和已知的数据代入式(2-8),其中g取10m/s,计算整理得:

  (2-9)

  (2)抗剪强度条件

  设N点为所受剪应力最大点。由于圆环截面壁的厚度T<<d,得

  (2-10)

  据抗剪强度条件有:

  (2-11)

  将已知的各项数据带入式2-6得(单位:cm):

  (3)刚度条件

  设点M处存在挠度。

  据刚度条件:

  (2-12)

  式中,E为材料的弹性模量(单位:GPa);L为截面惯性矩(单位:).

  (2-13)

  将式2-10所得和已知的数据带入式2-9得:

  2.5大臂结构设计与计算

  2.5.1大臂的设计原则

  大臂需在负载以及维持一定运行速度的条件下,实现在机器人所要求运动轨迹。因此,在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则:

  (1)使机器人手臂各关节轴互相平行,若垂直的轴需相交于一点,以简化机器人运动学分析;

  (2)满足工作空间需求。在考虑腕部姿态的前提下,进行机器人手臂长度设计;

  (3)保证机器人手臂具有足够的强度和刚度。力求选用高强度的轻质材料,通常选用铝合金作为材料;

  (4)减小各关节轴承间间隙,避免间隙所造成的定位误差;

  (5)保证机器人手臂与关节回转轴的重量平衡,避免延迟响应速度;

  (6)装载具有一定缓冲能力的限位块,避免限位卡死。

  2.5.2具体采用方案

  机器人大臂为回转运动。考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,大臂的运动调节采用伺服电机和0.配合的方式,如图2-5。

  图2-5大臂结构图

  2.5.3大臂传动齿轮的设计与计算

  (1)挑选材料与热处理加工形式

  为了使机构紧凑,齿轮的传动比设为1:1.26,选择40铬小齿轮的材料,选择45铬为大齿轮的材料,进行表面处理,达到217~255的硬度要求。

  (2)许用应力计算

  σ=(2-14)

  式中,各参数含义如下表:

  表2-5许用应力公式各项数据含义

  符号含义参数值

  σ许用弯曲应力待计算

  σ齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值630MPa

  Y抗弯强度计算的寿命系数2.5

  Y相对齿根圆角敏感系数1

  Y相对表面状况系数0.9

  Y抗弯强度计算的尺寸系数1.0

  S Fmin弯曲强度最小安全系1.25

  代入公式得到:

  σ????===1134MPa

  (3)齿轮上的作用力及分度圆上的圆周力计算

  F=

  F=Ftanα=111.11×tan20=40.44N

  (4)按弯曲疲劳强度计算

  m≥12.6(2-15)

  式中,模数m,载荷系数K,额定转矩,复合齿形系数,齿宽系数,齿数,许用弯曲应力。计算得,

  ,

  计算得:

  挑选模数为m=2,精度6。

  (5)计算弯曲应力

  σ=(2-16)

  式中,各参数含义如下表:

  带入公式计算得:

  σ==

  =22.75MPa

  σ≤σ,故符合设计的要求。

  2.5.4大臂传动轴的设计与计算

  该轴为大臂的重要组成部分之一,具有主动齿轮和支撑的轴承,它的构造需要符合弯曲与扭转要求。

  (1)轴的机械性能

  我们选用45号钢,通过调质,使得硬度达到217-255。机械性能如下:

  (2)轴的受力计算

  齿轮上的径向力、圆周力为:

  F=

  Fr=Ftanα=111.11×tan20=40.44N

  作用在轴水平面上的力:

  A点处:R==53.90N

  B点处:R==57.21N

  计算作用在轴垂直面上的力:

  A点处:R==6.98N

  B点处:R=N

  计算弯矩:

  A点处:M=36.75×26.8-20×13.4-40.44×13=0.187Nm

  B点处:M=20×13.4+40.44×13.8-36.75×26.8=0.160Nm

  齿轮处:M=36.75×13.8-36.75×13-20×0.4=0.021Nm

  计算扭矩:

  T=T=T=0.5Nm

  计算当量弯矩:

  M=(2-17)

  A点处:

  M(A)===0.354Nm

  齿轮作用集中处:

  M(F)===0.301Nm

  B点处:

  M(B)===0.340Nm

  (3)轴的尺寸计算

  使用许用弯曲应力来计算轴颈:

  d≥=×10=2.650mm

  考虑轴的构造和轴上零件的定位,选择轴颈等于

  (4)校核轴的强度

  对作用点当量弯矩进行强度校核

  σ==4.328MPa

  <,故安全。

  (5)根据疲劳强度来验算安全指数

  S=≥(2-18)

  S=(2-19)

  S=(2-20)

  计算得:

  S==

  S==

  计算中=270,=155,K=1.66,K=1.45,β=0.90,ε=0.91,=0.89,=0.34,=0.21,=41.02,=41.02,=9.28,=9.28。

  S==

  可查得,1.5≤S≤1.8,S>,故该轴截面是安全的。

  疲劳强度计算过程中各符号含义如下:

  2.6减速器的设计与计算

  2.6.1减速器的性能特点

  (1)RV减速器的性能

  主要优点:

  ①传动比范围大;

  ②扭转刚度大;

  ③可获得高精度和小间隙回差;

  ④传动效率高;

  ⑤体积小。

  主要缺点:

  RV减速器设计上使用了过定位结构,零件加工精度要求高,加工十分困难。

  (2)谐波减速器的性能

  主要优点:

  ①传动速比大;

  ②承载能力高;

  ③传动精度高;

  ④传动效率高,;

  ⑤机构简单、零件数少、安装方便;

  ⑥体积小、重量轻;

  ⑦可向密闭传递运动;

  主要缺点:

  ①易于发生变形产生疲劳破坏;

  ②转动惯量和起动力矩大;

  ③不可用于传动速比小于35的场合;

  ⑤散热条件差。

  2.6.2谐波减速器的设计

  我们对肘部使用谐波减速器,其余各轴使用RV减速器,这里只对谐波减速器进行分析。

  图2-6谐波减速器

  ①确定齿轮齿数

  按照传动比公式

  (2-12)

  即可得柔轮的齿数为

  刚轮齿数为

  ②选取柔轮和刚轮的材料

  按照满足柔性轮强度与抵抗疲劳性能的条件,挑选的柔性轮材质是30CrMnSiA合金钢,则刚性轮材质是45号钢。各项性能指标分别为:

  ③挑选柔性轮与刚性轮结构的型式

  谐挑选凸轮轮廓作为标准椭圆(通过比较圆柱形柔性轮、环形内齿刚性轮和凸轮式波形发生器)。

  ④计算谐波齿轮传动效率

  即

  (2-13)

  先计算损失系数:

  (2-14)

  计算系数:

  (2-15)

  取

  若已知:,

  即得

  ,

  则得损失系数为

  所以,该谐波机构的效率为

  综上所述,该谐波齿轮减速器的传动效率满足设计要求。

  2.7驱动方式的选择与计算

  2.7.1驱动方式选择条件

  传动系统是利用电机驱动机械臂自身来获得各种运动的执行构件。对于机械臂关节驱动的电机,应以功率质量比和转矩惯量比的上限为使用标准。要求工作时转矩大、惯性小、调速范围大且稳定。尤其对于机器人手爪,需要采用体形重量都相对来说小一点的电机,当快速响应的时候,电机要具有高的稳定可靠性。

  通常情况下,选取电机前需要预先设定内部参数,且需要实现以下功能:

  ①位置、速度和转矩控制方式;

  ②位置—速度、位置—转矩和转矩—速度混合方式;

  ③转矩限制;

  ④速度和加速度前反馈参数的设置;

  ⑤零漂补偿参数设置;

  ⑥加减速时间设置等。

  通过上述介绍,我们分别对前文所涉及的机器人腰部、大臂和腕部进行驱动方式的选取和计算

  2.7.2电动机的选择

  (1)腰部电机的选择

  设取为电动机的功率,取为负载力矩,取为负载转速,取为传动装置效率,取2.5为安全系数,电机功率公式为:

  (2-16)

  (2)大臂电机的选择

  设大臂绕O轴的转动惯量为

  (2-17)

  带入数值得:

  (2-18)

  带入数值得:

  其中,=0.5kg;=5kg;=7kg,

  设输出轴速度为,所需时间;

  基座转矩

  (2-19)

  带入数值得:

  假定启动转矩为。根据式2-16计算得。

  (3)腕部电机的选择

  (2-20)

  =0.5kg,带入数值得

  设输出轴速度为,所需时间;

  (2-21)

  假定启动转矩为;

  根据式2-16计算得

  根据上述计算过程,我们挑选一台安川SGMAH系列伺服电机和五台台达ECMA系列伺服电机,它们的主要参数如下表:

  表2-5电机技术参数

  型号额定转速

  ()最大转速

  ()额定转矩

  最大转矩

  额定功率

  ECMA-C30409 3000 5000 2.39 7.14 0.75

  ECMA-C30602 3000 5000 0.64 1.92 0.2

  SGMAH-04A 3000 5000 1.27 3.82 0.4

  2.8机械爪结构设计

  2.8.1机械爪结构设计原则

  根据设计要求,机械爪要能够抓取工件,并且要能够扭矩和速度可调。我们用一个小型气缸作为机械爪的驱动装置,采用气动电磁阀作为控制元件。由于气动传动的特点是传动平稳、响应迅速,能够实现对被夹对象的快速夹紧,稳定的夹紧和释放工作,气动传动作为机器人行业中广泛使用的主要动力源之一。传动结构采用齿轮齿条传动。此外,我们选择聚乳酸(PLA)作为机械爪的制作原材料,使用3D打印机即可制作机械爪。

  设计连杆结构的夹紧部分,可以实现大角度开放和收缩条件下的整体结构尺寸相对较小,和限制条件,如被夹的直径范围对象和对象的大小被夹可以明显提高和改善,这是更普遍。此外,连杆结构可以实现力的转换,只需很小的输入转矩就可以实现较大的夹紧力。

  在夹紧端设计有连接板,用于将连杆连接到夹紧板上,用于固定和安装夹紧板。由于安装板,直接接触的对象,例如,当机器人用于食品工业和电子工业等工况时,我们想要确保夹紧板不发生腐蚀等现象,不会造成污染的对象,因此,选择尼龙板制造安装板,可避免因接触刚性物体(尼龙板,硬度低)而造成损伤,并可保证不会因夹持力过大而对夹持物体造成损伤。

  2.8.2机械爪工作原理及总体结构

  1—连接法兰;2—伺服电机;3—输入轴;4—底座;5—齿条;6—齿轮;7—销轴;

  8—连杆1;9—连杆2;10—连杆3;11—连接板;12—夹持板

  图2-7机械爪结构图

  机械爪的总体结构如图2-7,工作原理和过程即连接法兰连接执行爪凸缘板安装,依靠压缩空气缸驱动气动活塞杆,我们可以实现向前和向后的运动,依赖于输入轴驱动齿条缸的输出力,齿条通过前后运动,带动齿轮和连杆1,通过连杆机构实现夹持板对物体的夹紧和松开。通过气动压力阀保持足够的气体压力,使手爪夹紧目标,另外压力释放阀可以快速地将多余的压力释放出来,以保持夹紧力的稳定,工件不会损坏。

  2.8.3机械爪受力分析计算

  设机械爪垂直方向上所受驱动力为,,作用在每只夹持指上的加紧力为,零件所受摩擦力为(摩擦系数),工件重量为(),计算。

  (1)竖直升降时,如图2-8所示

  图2-8竖直升降受力分析图

  工件以加速度垂直上升时,存在下式:

  (2-19)

  得。

  (2)水平旋转时

  机械爪绕垂直轴水平旋转,半径为r,如图2-9所示。

  图2-9水平旋转受力分析图

  切线方向:

  (2-20)

  主法线方向:

  (2-21)

  (2-22)

  副法线方向:

  (2-23)

  (2-24)

  联立上式,求解得

  (2-25)

  代入数值,得

  后指:

  (2-26)

  由于是机械手部机构,=,所以结果Q必须满足下式

  (2-27)

  代入数值,得

  综上所述,得,考虑到可能存在的安全问题,我们设置安全系数,得。

  取每只加持指所能承受的力。

  3机器视觉系统的基本组成

  3.1视觉系统的组成及工作方式

  3.1.1视觉系统的工作方式

  机器视觉的目的是将图像的坐标参数化。本文使用Eye-to-Hand的手眼标定方式具有视野范围固定、稳定可靠的特点,相对于Eye-in-Hand实现起来更加容易。

  视觉系统的工作方式如图3-1所示,首先通过相机的标定和对物体的定位,进行位姿计算,最后将位姿转换为机器人坐标系下坐标参数,发送给机器人,完成反馈。

  图3-1视觉系统工作模拟图

  3.1.2视觉系统的硬件组成

  (1)摄像机

  摄像机是视觉系统中的光电转换装置,是感知外部环境信息的重要组成部分。它将光信号转换成电信号,传递给计算机进行处理,直接关系到机器人对外界信息的获取。

  (2)镜头

  镜头是视觉系统的重要组成之一。通过镜头,外部场景可以聚焦在相机的摄影表面,通过镜头处理的图像信息会被视觉系统获取。

  (3)图像采集卡

  图像采集卡的主要功能是将通过相机转化出的电信号输入计算机,使计算机对相机采集到的图像信息进行存储和处理。图像采集卡具有图像压缩算法,可以对相机采集到的大量图像信息数据进行压缩。

  (4)光源

  合适的光源能大大降低图像处理过程中的识别难度,提高目标边缘等特征的提取精度。但是,目前还没有一种通用光源可以满足机器视觉的所有要求。

  3.2工业相机的标定原理

  工业相机的成像原理是针孔成像,利用光学透镜将物体图像投影到光敏芯片上,通过采集光敏芯片的信号得到数字图像。在使用之前,需要对工业相机的参数进行标定。

  工业相机标定原理如图3-1所示,在模型中设置的图像坐标系、相机坐标系和世界坐标系之间可以通过平移和旋转相互转换得出。

  图3-2工业相机标定原理图

  坐标系是在图像上定义的二维平面坐标系,主要是以像素为单位进行计算,也可以以实际的物理长度为单位计算。如图3-1所示,以像素为单位,图像坐标系的初始坐标为,坐标轴方向如图3-1所示。实际物理坐标系的原点在图像物理尺寸的中心O点处,相当于两个轴最大值的中间值,坐标轴方向和像素坐标轴方向一致,物理坐标系存在负值。

  相机坐标系(,,)是以光学镜头的光心点OC为坐标原点,其中相机坐标系的XC、YC两轴分别平行于图像坐标系的x、y轴,坐标系的ZC轴(镜头光轴)垂直于图像平面,并且经过图像坐标系的中心O点。如果相机坐标系中的点W的坐标值为(,,),则在图像坐标系中的投影点m的坐标值为(um,vm)或(xm,ym)。

  世界坐标系(XW,YW,ZW)是由用户设置的一个的基准坐标系,以毫米为单位,一般设置在方便描述物体位置和计算的位置。为了方便描述目标物的位姿参数,本系统将世界坐标系选为机器人坐标系,同时减少两坐标系之间的变换计算。如图3-1所示对点W的描述为(,,)。

  3.3工业相机和镜头的选型

  图3-3工业相机和镜头

  工业相机的核心部件是图像感光芯片,并因感光芯片的区别而分为CCD和CMOS传感器两大类。CCD(Charge-coupled Device-电荷耦合元件)面阵图像传感器,通过电荷放大电路、模数转换模块等方式将图像信息转换成计算机识别的数字图像,具有良好的通透性、敏锐度和色彩失真率低等优点,但成本较高,在快速运动物体的图像采集中运用较多。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor-互补金属氧化物半导体)面阵图像传感器,同样是一种将面阵传感器的光信号转换成数字图像的图像传感器,其优势有集成性较好、传输性优良且成本较低。目前CMOS与CCD采集出的图像质量没有很大差别,价格低廉的CMOS传感器应用更为广泛。

  3.3.1相机的选取

  本设计使用的工业相机,通常用于表面缺陷检测、尺寸测量、条形码、二维码读取场景等视觉识别,其结构紧凑、外形小巧、质量轻便、坚固耐用,同时性价比也很高,其性能参数如表3-1所示:

  3.3.2镜头的选取

  工业镜头基本参数包括:

  ①焦距

  焦距是透镜的焦点与平面上形成的清晰像之间的距离。根据焦距的可调性,可以分为定焦镜头和变焦镜头这两类。

  ②光圈

  它的值用F表示,F由透镜焦距F与孔径d之比来衡量。每个透镜都有一个最大的F值。F值越大,孔径越小;相反,F值越小,孔径越大。

  ③接口

  镜头与相机的连接方式常见的有C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

  ④景深

  景深是指目标清晰聚焦后,在一定距离内目标图像保持清晰的范围。

  ⑤分辨率

  分辨率表示镜头记录物体细节的能力,以每毫米可分辨的黑白对数量来衡量。

  ⑥工作距离

  透镜的第一个工作面与被测物体之间的距离。

  ⑦视野范围

  摄像机捕获区域的实际大小。

  ⑧光学放大倍数

  芯片尺寸除以视场。

  ⑨数值孔径

  数值孔径等于物体与物镜之间介质折射率n与物镜孔径角一半的正弦值(a/2)的乘积,计算公式为。

  3.4图像的处理

  对采集的图像的处理最重要的是图像边缘检测,其次是对工件的特征提取和特征参数的转化。图像处理部分主要包括图像的灰度化、二值化、图像轮廓的提取以及中心点的生成等功能。

  (1)图像的灰度化

  图像的灰度化是为了降低获取的数字图像后续处理和计算的难度,将彩色图像转换成黑白图像的过程。因此在视觉图像处理中,获取的彩色图像往往被转换成黑白图像。

  (2)图像的二值化

  在实现图像灰度化操作之后,还需要进行图像二值化操作。图像二值化指的是通常只显示黑色和白色这两种颜色。

  (3)图像轮廓和中心点的提取

  在实现图像二值化后,需要对图像进行分析、边缘检测、轮廓提取和图像轮廓中心点提取。

  4视觉搬运机器人控制策略

  4.1视觉反馈控制策略模型

  工业机器人在实际生产运用中,有着复杂的运动轨迹,并不是简单的直线或圆弧运动,有时需要用折线轨迹代替直线。如图4-1所示,机器人需要从机器人的初始状态(或完成任务后的终止状态)开始移动来抓取目标。如果轨迹A沿直线运动,最多只能移动到物体的顶部,否则会与目标物体发生碰撞。在这种情况下,我们只能将轨迹改变为一条折线,首先沿着B线到目标物体的顶部,然后沿着C线到目标物体的位置,来抓取物体。

  图4-1机器人搬运任务模拟图

  4.1异常紧急处理策略

  基于视觉反馈的控制策略不仅包括机器人正常工作时向工业轨迹的过渡,还包括机器人异常工作时通过过渡模型进行的异常处理。由于工作环境的复杂性,每个环节都是相互关联的,任何不正常的环节都会直接影响到其他环节。异常反馈是通过单个摄像头对每个环节进行监控,如果出现异常,则直接反馈到抓取端,抓取端再反馈给机器人。机器人接收到视觉反馈的异常指令,进行应急处理策略规划。