基于视觉定位装配机器人的设计与实现

卢　军，胡　凡，郝　磊

(陕西科技大学 机电工程学院，西安　710021)



基于视觉定位装配机器人的设计与实现

卢军，胡凡，郝磊

(陕西科技大学 机电工程学院，西安710021)

建立视觉定位系统，用于装配机器人对工件的精确定位，将获取到的位姿信息传递给控制系统，从而引导机器人完成精确的装配动作。该机器人通过自主研发，拥有先进的视觉定位系统、图像识别算法以及创新性的机械结构，具有较高可靠性与鲁棒性。控制系统以DMC5400为核心，用MFC来开发软件，设计并实现了自动控制及手动控制两种模式，采用S型加减速曲线，对各个轴的平稳控制。实际测试表明，该装配机器人性能稳定、执行效率高，在装配点位置随机和工件轮廓不规则的情况下均能高精度地完成装配过程。

装配机器人；视觉定位；串联驱动；MFC

0　引言

智能化、数字化是先进制造技术和机电设备的发展方向。随着照相机技术和自动控制理论的发展，具有视觉功能的机器人开始被人类制造出来，逐步形成了机器视觉学科和产业。与其它感知方式相比，视觉感知能够进行非接触测量因而具有巨大优势。在国外，图像处理技术领域存在长期竞争优势，但具有视觉定位的工业机器人公司也不多。在国内，自上世纪80年代就开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，取得不少的科研成果；但由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业，而且普遍存在精度不高的问题[1-2]。

本研究基于视觉定位系统、“快速精确线性运动装置”和DMC5400运动控制卡设计装配机器人。由机械结构入手，循序渐进，最后制造出样机，实现对工件的精确定位与装配，并将精度控制在0.1mm以内。通过实验验证了引入视觉定位系统的机器人的装配精度与稳定性，在装配点位置随机的情况下，能够实现高精度、高效率地装配。

1　机械结构的设计

为了在保证装配精度的条件下提高装配效率和系统的稳定性，设计出一款“快速精确线性运动装置”，如图1。该技术是一种既能实现快速移动，又能实现在设定位置上的精确定位的技术，它由宏观快速移动装置和微观精确微动装置组成。

“快速精确线性运动装置”采用两级步进电机串联驱动滑台运动模式如图1所示。第一级伺服控制采用小传动比运动控制模式，以实现滑台的快速宏观运动，缩短滑台运动时间；第二级伺服控制采用大传动比运动控制模式，以实现滑台的微观慢速精确运动，提高滑台在设定位置的定位精度。该技术可克服单动力伺服控制所存在的缺陷，有效地满足精密装配机器人的快速、精密的性能要求。

1、8.联轴器 2、6.步进电机 3.底座 4.滑动导轨 5、9.滚珠丝杠 7.减速器 10、16.滚珠丝杠螺母 11.螺母架 12、18.承载台 13、19.滑块 14.承载台支架 15、17.电机固定支架 20.标尺光栅 21.光栅读数头光栅尺 22.光栅尺固定板

图1快速精确线性运动装置

结合“快速精确线性运动装置”最终设计出整体的机械结构实物图如图2，在装配过程中，装配工件位于C轴的末端，有三种不同的形状，分别为工字形、凸字形和三角形。同时装配底板上也有这三种形状的工位，每个工位的尺寸在长和宽方向比工件大0～0.5mm，以凸字形为例，尺寸如图3。装配机器人的最终目的是稳定、快速、准确地将工件平行地装入对应底板。

图2　机械结构整体实物图

图3　凸字形底板和工件尺寸

2　视觉系统的设计

在机器视觉应用中通常采用模板匹配的方法对目标物体进行识别定位[3]，但它的效率随着图像分辨的增大而降低，同时匹配的精度受被识别对象制作精度影响大，因此其应用场合受到了一定的限制。本视觉算法采用先粗定位再精定位的思想，不仅克服了一般的模板匹配算法的运行效率低、定位精度低等缺点，并且还有非常高的可靠性和鲁棒性。以凸字形为例使用迭代的最优阈值分割法和基于区域特征的干扰区域去除法：

(1)灰度图像f(x,y)取阈值T进行阈值分割[4-5]得到二值图像F(x,y)，即:

(1)

其中T是阈值。

迭代的(最优的)阈值选择：

(2)

其中sum_b、sum_o分别指按阈值Tt分割后的背景面积和物体面积。

②计算Tt+1的值：

(3)

Tt+1提供一个更新了的背景与物体的区分。

③如果有Tt+1==Tt停止迭代；否则，返回第①步。

图4　二值化后的凸字形底板图像

(2)从二值图[6-7]中提取目标区域。通过面积特征阈值去除二值图中背景区域，剩下的部分即为目标物体区域。

(4)

(5)

其中area指物体的面积，obj_region指提取的区域，thr_area指面积的阈值。对凸字形底板分割后的二值图像使用面积特征阈值剔除了非凸字形区域的其它干扰点，如图5，使目标区域达到完全分割。

图5　凸字形底板面积阈值后的区域

(3) 目标物体定位

要知道目标物体在世界坐标系的位置，必须先知道目标物体的在图像中的像数坐标。如图6，通过最小二乘法[8]拟合曲线，找到两条直线的交点。对于凸字形底板选取A(mould_x,mould_y)点表征其在图像中的位置，以EF边的中点I为起点，底板中心J为终点的向量与图像x方向的夹角mould_a为凸字形底板的角度。对于工字形底板和三角形底板位姿的定义方式与凸字形底板类似。同时对于凸字形、工字形和三角形工件的定位与其相应的底板定位算法相同。

图6　凸字形底板定位

3　控制系统的设计

控制系统是机器人的核心部分，是整个装置的“大脑”，由它来处理复杂的环境目标等信息，结合视觉系统传递过来的位姿信息进行路径规划，然后通过驱动器来驱动对应电机的运转，完成装配的过程。传统的机器人控制系统采用的是专用的计算机加多单片机+多控制回路的封闭式体系结构。这种结构的控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在技术瓶颈。本装配机器人的控制系统上层采用个人电脑，底层采用DMC5400运动控制卡两层架构，PC机与DMC5400运动控制卡之间通过PCI总线进行通信[9-10]。控制系统框图如图7所示。

图7　控制系统框图

控制系统的硬件主要是由PC、DMC5400运动控制卡、步进电机驱动器、步进电机以及电源等电器部件组成。 采用这种系统架构 ,使得系统硬件器件数量少，电气路线设计简单，组建方便。其中，X轴、Y轴、C轴Z轴选用Leadshine86HS35步进电机，X′轴和Y′轴选用安川57HD3403-21B/8步进电机，能够灵活高效地驱动装配机器人的运动，X′和Y′轴的运动分别是X和Y轴的运动补偿。选定电机后，配套选用S-350-48H电源模块和LeadshineME872步进电机驱动器。S-350-48H电源模块输出48V直流电压给ME872驱动器供电。为提高步进电机输出力矩及性能，本系统采用电机线圈并行接法。通过DMC5400发送信号脉冲和方向电平信号直接控制步进电机的旋转角度和方向，实现电机的正、反转、加速、恒速和减速。电源模块、步进电机驱动器与步进电机的电路设计如图8。同时，为提升整个系统结构及功能的完整性，使系统操作更加灵活，工作更加稳定可靠，对硬件及电路进行精心设计与搭建，如图9。

图8　步进电机控制模块电路设计图

图9　硬件电路图

由于一套DMC5400卡最多只能控制4个电机联动，而控制对象有六个轴，所以采用C轴与X′轴共用一组输出，Z轴与Y′轴共用一组输出的输出方式，并通过使能信号来确定哪一个轴的运动。当控制系统接收到视觉系统传过来的位姿信号时，首先C轴转动，调整工件的角度，然后X轴、Y轴运动，快速将工件移动到被装配点的正上方，此时相机再次拍照，求出X轴方向和Y轴方向的误差，并通过X′轴、Y′轴进行微调补偿，最后Z轴向下运动进行装配，装配完成后Z轴抬起到指定位置。

在控制过程中，为了使步进电机运行平稳没有冲击现象，采用S形速度曲线(图10)。电机平稳加速启动，当速度达到设定值后匀速运动，直到执行机构末端接近目标位置后开始减速，到达目标位置恰好停止运动。S形速度曲线可以有效改善甚至消除运动物体加减速时的振动，保证了高精度装配的要求。限位装置采用OMRON的EE-SX672常开型光电开关，当限位开关被触发时产生中断信号使主控制器产生中断响应，控制伺服电机立即减速停止运动。

图10　“S”型曲线运动的速度和加速度

4　软件系统设计

4.1视觉系统部分软件设计

视觉系统的最终目的是传递X轴、Y轴和C轴的坐标信息给控制系统。根据定位算法，视觉系统可以得到工件和底板的初始位姿信息，但由于工件分布在以C轴为圆心的圆周上，当C轴转动时，X轴和Y轴的坐标信息会发生变化，所以这种初始位姿信息不能够直接传递给控制系统，必须经过坐标转换[11]处理。

如图11，O1为视觉坐标系下的坐标原点，旋转前的中心坐标为(a0,b0)，旋转后的中心坐标为(a1,b1)，则坐标(x0,y0)旋转α角后的新坐标为(x1,y1)，可由如下矩阵计算。

图11　坐标转换示意图

其逆变换为：

(7)

即：

(8)

逆变换后有：

(9)

由于在该视觉装配机器人中，C轴旋转中心在旋转前后没有变化，所以(a1,b1)=(a0,b0)，式(9)化简得：

(10)

程序实现：

X= (result_2.x-center_x) *cos(delta_a_temp) +(result_2.y-center_y) *sin(delta_a_temp) +center_x;//计算旋转后X的坐标值

Y= -(result_2.x-center_x) *sin(delta_a_temp) + (result_2.y-center_y)*cos(delta_a_temp) +center_y；//计算旋转后Y的坐标值

部分代码如下：

IplImage*imPro=cvCloneImage(wholeIm);//获取图像

…

cvCvtColor(imPro,grayIm,CV_BGR2GRAY);//灰度化

…

cvThreshold(grayIm,grayIm,100,255,CV_THRESH_BINARY_INV);//阈值分割

…

coutourNum=cvFindContours(grayIm,contourStorage,&contours,sizeof(CvContour),CV_RETR_CCOMP,1);//*位姿识别

…

calMeanValue(c1,centerP);//计算中心

getAngleInf(c1,angle);//得到角度信息

…

cvReleaseImage(imPro);//释放图像内存

cvReleaseImage(grayIm);

4.2控制系统部分软件设计

控制系统的最终目的是接受视觉系统传递过来的坐标信息，并按照坐标信息实现对各个轴的运动控制。由于视觉系统反馈的坐标是以像素为单位，而控制系统运动的坐标则是以脉冲为单位，因此必须先通过实验测试求出每个脉冲对应的像素值pixel_pulse，然后对其进行转化，程序实现为：

X_PUL= ((X_result_1 - (error_x/pixel_ratio)) /pixel_pulse); //计算X轴移动的脉冲数

Y_PUL= (Y-result_1.first.y- (error_y/pixel_ratio)) /pixel_pulse; //计算Y轴移动的脉冲数

C_PUL=((delta_a)/360) * 6400;//计算C轴移动的脉冲数

运动过程中，为了实现控制的稳定与准确，利用while()循环等待一个动作完成，然后再进行另外的动作。同时用DoEvents()函数来检测在运动过程中是否有其他的急停等虚拟键的信号，防止程序进入死循环导致故障。部分代码如下：

voidDoEvents()

{

staticMSGmsg;

if( ::PeekMessage(&msg,NULL,0,0,PM_REMOVE) )

{

::TranslateMessage( &msg);

::DispatchMessage( &msg);

}

}

......

d5400_board_init();//初始化控制卡

voidrot_C(-C_PUL,1000 )

//C轴转，动速度为1000PUL/S

voidlinkage_XY(Y_PUL,-X_PUL,2000)

//X轴、Y轴联动

......

voidlinkage_X1Y1(Y_PUL1,-X_PUL1,int500 )

//X′轴、Y′轴联动

voiddown_Z(800,500 )

//Z轴向下移动800PUL，速度500PUL/S

voidup_Z(-800,500)

//Z轴向上移动800PUL，速度500PUL/S

d5400_board_close();

//关闭运动控制卡

4.3软件集成

通过MicrosoftVisualStudio2012将视觉系统的软件和控制部分的软件集成在同一开发环境下，最终的MFC界面如图12所示。其中包含了自动和手动两种模式。在自动模式中，当用户配置好相关信息后，该视觉定位装配机器人会自动完成定位、装配等一系列的过程；手动模式中，用户可根据实际情况对每个电机轴的行程和速度等运动参数进行设定，实现单轴或多轴联动控制，手动模式主要用于机器的调试。

图12　软件系统的MFC界面

5　调试及结论

搭建装配好样机和控制系统的软硬件，对装配机器人进行调试。视场范围内随机摆放底板的位置，通过多次测试发现，该视觉定位装配机器人能够精准、快速地完成装配任务。以凸字形为例，其装配前后的状态如图13。通过对比可以看到，工件已经完整地装入底板，各边紧贴着对应底板的边缘，实现了高精度装配，且平均每1.3s完成一次装配动作。

图13　装配前后工件与底板的状态

采用视觉定位系统，装配工件与装配点之间采用的是相对坐标，不仅底板在视觉范围内可以随机摆放，而且机器人每次进行装配完成后不需要进行回零操作，大大提高了装配效率和工业智能化程度。与许多

现有装配机器人只能完成规则的圆形工件装配相比，该装配机器人可以完成形状不规则和位置随机的工件的装配。同时采用“快速精确线性运动装置”，用两级步进电机串联驱动滑台运动，克服了单动力运动控制所存在的缺陷，装配精度和效率都有很大的提高，使最终装配精度能够维持在0.1mm以内，每完成一次装配动作耗时不足1.5s，很好地满足现在企业对精密定位装配精度的要求。该装配机器人将会在在实际装配现场，特别是在不适于人工装配的环境中得到广泛的应用。

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(编辑李秀敏)

DesignandImplementationoftheAssemblyRobotBasedonVisionPositioning

LUJun,HUFan,HAOLei

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Theestablishmentofvisionpositioningsystemforprecisepositioningoftheworkpieceassemblyrobot,willgettothepositionandorientationinformationtothecontrolsystem,soastoguidetherobottocompletethepreciseassemblyoperation.Therobotisself-developedwithadvancedvisualpositionsystem,imagerecognitionalgorithmandinnovativemechanicalstructure,whichownshighreliabilityandrobustness.ControlsystemwithDMC5400asthecore,usingMFCtodevelopsoftware，designedandcarriedouttwomodelsofautomaticcontrolandmanualcontrol,usingStypeaccelerationanddecelerationcurve,toachievethesmoothcontrolofeachaxis.Thepracticaltestshowsthattheperformanceoftherobotisstable,highefficiencyandtheassemblyprocesscanbecompletedwithhighaccuracyinthecaseofrandomassemblypositionandirregularcontouroftheworkpiece.

assemblyrobot；visualpositioning；tandemdrive；MFC

1001-2265(2016)08-0140-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.038

2016-03-04;

2016-04-11

卢军(1961—)，男，陕西咸阳人，陕西科技大学教授，硕士生导师，博士，研究方向为智能机器人技术，(E-mail)573356972@qq.com；

胡凡(1991—)，男，湖北黄冈人，陕西科技大学硕士研究生，研究方向为工业机器人，(E-mail)1146906085@qq.com。

TH166;TG659

A