基于视觉检测的直角坐标机器人精度分析

2013-10-15董冠华胡晓兵殷国富

制造业自动化 2013年15期

董冠华，胡晓兵，殷国富，周飞

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

0 引言

随着技术的不断进步,机器人技术越来越多融入到了当今制造业,直角坐标机器人作为机器人的一种重要组成部分,凭借着其结构紧凑、强度高、运动简单及无奇异状态等优点，广泛应用于焊接、码垛、包装、检测、装配及包装等领域[1]。

不同的工况条件和作业需求对于机器人精度有着不同的要求，在设计开发机器人平台过程中，对机器人的精度设计也成为工作中的重中之重。基于课题需要，针对高精度、低负载、高速度的作业需求,本文设计开发了一套悬臂式直角坐标机器人。根据经验，动作过程中Y轴（悬臂部分）因负载而产生的形变会直接影响到机器人末端执行机构的动作精度。目前，设计人员往往只通过对Y轴线性模组（简称模组）简化模型进行有限元分析，并根据有限元分析的结果做进一步的设计分析。实际上，简化模型与实际样机之间存在一定的误差。本文结合人工视觉技术，针对两者之间的误差进行了研究，为后续的设计开发提供了理论依据。

1 机器人平台与实验原理

本文所设计开发的悬臂式直角坐标机器人，主要由X、Y、Z轴向模组与末端执行机构组成。机器人具有四个自由度：X、Y、Z轴向的移动和功能部件的X向旋转。其中，X轴模组固定于基座，Y轴模组为悬臂结构，通过连接块与X轴滑台相连，Z轴模组固连与Y轴模组滑台。所设机器人的额定负载为5kg，定位精度为±0.05mm。

实际工作中，所设计直角坐标机器人 X轴模组与基座固连，Z轴模组主要受轴向拉力作用，对机器人平台的精度的影响较小；Y轴模组为悬臂结构，因受重力和外部载荷作用形变量最大，且对机器人平台的精度影响最为严重。因此，机器人平台的最终精度很大程度上取决于Y轴模组的形变大小，在精度设计时也必须对悬臂结构的Y轴模组的刚度进行校核。

本文在精度设计分析的过程中，对Y轴模组进行建模，并根据结构尺寸将之简化为壳体结构进行有限元分析，根据分析结果进行进一步的设计计算。同时，本文在物理平台上结合机械视觉技术，对该种根据简化模型分析的结果对机器人精度设计的方法进行验证。同时，为保证视觉实验数据的准确性，本文基于实验室直角坐标机器人平台进行改造，去除Z轴模组和末端执行机构，将工业摄像头加装在Y轴末端。最终通过分析结果与机械视觉标定量的比较，验证该种设计分析方式的可行性，并探讨其适用范围。

图1 机器人实验平台示意图

2 基于Ansys workbench的有限元分析

2.1 Y轴模组的结构形式与简化模型

所设计机器人的模组主要有传动部分和支撑部分组成，传动部分主要包括滚珠丝杆、滚珠导轨与滑台，支撑部分主要是指模组的成型壳体。理论上讲，传动部分的功能只是完成动力的传递和运动方式的转化，所有的外部载荷都应由支撑部分承担。实际工况中，传动部分的存在也一定程度上提高了模组的整体刚度，承载了一小部分的外部载荷，但绝大多数的外部载荷仍然是由支撑部分的成型壳体承担。基于以上分析，本文为方便分析和减少分析数据量，将实际为多部件的装配体简化成简单的壳体结构，并对之进行有限元分析。

2.2 有限元分析流程

根据有限元分析流程：建立简化模型；将模组材料指定为A l-6061（如表1所示）；网格化处理时保证壳体的层厚方向上单元层数至少为2；约束也施加载荷方式：将一段施加固定约束，另一端施加外部集中载荷（10-100N区间10N间隔施载），同时激活标准引力作用。定义以上相关数据之后，通过求解器运算求解[2]。

表1 材料属性

图2 网格划分

图3 施加边界条件

图4 分析图解

2.3 分析结果汇总

表2 有限元分析结果

3 基于机械视觉的实验

3.1 图像获取

实验平台中，将Basler工业相机加装与Y轴模组末端，并通过1394接口数据线与其嵌入PC机的采集卡相连，实现对图像的获取和采集。

图5 硬件设备

为减小偶然误差对实验的影响，在数据采集时，针对每个不同载荷，每次采集取五个样本，在后续处理中将该五个样本的特征信息作为所属载荷下的有效数据。

3.2 图像处理

通过相机所获取图像的质量难免会受到外界因素的影响，为保证所测得的实验数据的准确性，需对图像进行相应的处理。Labview为用户提供了形状匹配、边缘检测、图像锐化、图像增强、形心坐标等相关功能的VI，用户只需要在图形化编程的界面选取相关的VI，通过导线相连，并控制每个V I的相关参数，即可以完成图像的处理。具体操作步骤此处不做赘述[3,4]。