基于视觉跟踪的并联机器人控制系统研究

2019-10-28何崇帅周宇敖翔

时代汽车 2019年15期

何崇帅　周宇　敖翔

摘要：本文以OMRON Adapt Hornet 565 3轴并联机器人为研究对象，对基于视觉跟踪技术的并联机器人控制系统进行了研究。文中详细描述了相机校准、模型配置、传送带校准、传感器校准以及机器人示教等过程，并对其进行了测试操作。测试证明，该并联机器人可以在视觉的引导作用下实现传送带上散乱目标的准确、快速抓放操作，能用于电子、医药、食品等工业自动化生产或包装流水线的分拣、抓放、包装等操作。

关键词：机器人视觉;并联机器人;运动控制

1 引言

近些年，随着国内外机器人产业飞速发展以及人工智能领域取得巨大进步，机器人在人类生活中扮演的角色越来越重要。随着“中国制造2025”的提出，工业机器人作为智能制造的重要成员之一，也得到了迅猛发展[1]。

与串联机器人相比，并联机器人具有结构简单、速度快、定位精度高、稳定性好等优点[2]，已成为目前工业机器人研究热点之一。

机器视觉跟踪技术作为一个新兴的科研学科领域，可实现无接触检测、无接触识别定位等功能[3]。利用机器视觉跟踪技术来引导工业机器人完成工作，可使工业机器人对环境感知能力越来越高，能更高效地完成工作[4]。

本文以OMRON旗下的Adept Hornet 565型Delta并联机器人为研究对象，对基于视觉跟踪的并联机器人控制系统进行研究。

2 并联机器人结构和工作流程

本次研究借助本校并联机器人实训平台来完成。其构成主要分为以下几个部分：机器人主体、视觉系统、控制系统、传送带装置以及操作系统。其硬件结构如图1所示。

2.1 机器人主体

主体为OMRON旗下的Adept Hornet 565型Delta并联机器人，包括驱动装置、传动装置和控制系统等。驱动装置由三台机器人电机和一台旋转电机组成，分别对应三个支链和一个驱动轴。传动系统有三个支链加一个驱动轴组成，每条支链由一个合金材料内臂和两个碳纤维轻型杆外臂通过球形关节连接而成，内臂通过高性能齿轮与机器人电机直接相连，工具法兰（运动平台）就是通过三个支链以及一个驱动轴与基座（固定平台）平行相连。控制系统主要为eAIB放大器，负责对机器人进行供电和控制。

2.2 视觉系统

并联机器人视觉系统为一臺AcA640-90gm巴斯勒相机，负责视觉成像与特征提取。固定在传送带上方。

2.3 控制系统

控制系统由一台SmartController EX运动控制器负责，可对机器设备进行高速高精度控制，实现运动控制与逻辑控制的完美结合。

2.4 传送带装置

并联机器人传送带装置由两台步进电机、两枚增量式编码器以及正反方向传送带平台组成。在机器人启动相应项目后，可对目标进行循环抓取工作。

2.5 操作系统

并联机器人操作软件为Adept ACE 3.6，该平台工作于Windows系统，可对OMRON旗下的工业机器人进行实时控制以及模拟仿真。

该系统使用控制用高速网络EtherCAT，通过统一网络完成视觉跟踪和机器人控制，用视觉捕捉到工件位置信息，然后调整地传给控制器，控制Delta机器人进行Pick-and-Place操作，实现从流动的工件中进行高速实时动态抓取。该并联机器人系统简易控制流程图如图2所示。

3 并联机器人控制系统研究与分析

该并联机器人的所有控制均通过上位机上的操作软件Adept ACE 3.6来完成。启动ACE软件后，先要对控制器进行连线，由于连接通道是以太网，故PC端IP地址应与目标控制器标定地址相同。地址一致的情况下，即可搜索到目标控制器并进行连接。连接完成后就可以向其中添加其他项目了。常见添加项有：传送带、零件与零件目标、相机、定位器与定位器模型、进程管理器等，在添加项后就可以对其进行相应的参数配置以及教授。

3.1 相机校准

相机校准界面有两个选项，一个是固定像素校准，另一个为网格校准。固定像素即在相应对话框中直接人为输入XY轴的像素标度，网格校准则是通过相机扫描不同间距相等的点阵图来实现校准的，可选择的间距有4、6、8、10mm点阵图。ACE已经集成了相机校准的算法，只需按照要求将点阵图置于镜头下合适的位置，即可完成校准。

3.2 零件及零件目标配置

在添加了零件以及零件目标两个模块后即可对其进行配置（传送带装置已提前设定好），零件模块配置选项为“锁存，传送带摄像机或者空间间隔”模式，并与传送带对应的编码器相匹配;

3.3 定位器及定位器模型配置

在新建定位器模块配置一栏点击添加创建定位器模型，将目标物体放置在镜头正下方，将定位器模型中的垂直坐标拖动到目标物体上对齐后即可。每个工程的定位器都可以定义多个定位器模型，可以提取物体大小、形状、颜色等视觉特征作为分辨依据。

3.4 进程配置

在工作空间新建进程管理器模块进程一栏点击添加，单次拾取添加零件，单次放置添加零件目标后，将会出现三处红色标记，代表要求进行传送带校准、传感器校准以及机器人示教。

3.4.1 传感器校准

传送带校准在点击校准后直接按照界面向导的要求操作即可，校准过程会要求用目标物体确定上行限制、下行限制以及抓取限制，目的在于确定机器人的有效抓取范围。一般情况下，抓取限制与下行限制是一致的。

确定了限制处后即可对机器人进行测试校准。点击开始跟踪，开启传送带，机器人会随着传送带同步速率进行同向运动，传送带校准完成。如图3所示。

3.4.2 传感器校准

传感器校准在点击校准后直接按照界面向导的要求操作即可，校准过程要求用目标物体确定锁存信号存在，以保证传感器位于正常工作区域。

如图4所示，在之前校准完成的传送带前方会出现一个白色方块区域，即为传感器检测区，在侦测到锁存信号后，传感器校准即完成，图中传感器偏移为（-400，-400，-900，0，0，35）。

3.4.3 机器人示教

机器人人示教在完成以上两项校准后在进程管理器的进程一栏点击添加的零件项目进行教授，人为控制机器人的空闲、抓取、放置位置的坐标并录入系统，即以手动模式令机器人完成一次完整的零件抓取放置過程。

①指定空闲位置

进入示教界面，首先开始的是对机器人空闲位置的设定，如图5所示。图中对机器人静止位置设定为（0，0，-850，0，180，-180）。随后推动传送带使物料进入机器人工作范围，通过面板右侧的模拟控制盒可实现对并联机器人的空间位置移动。

②教授位置

零件进入机器人工作空间后通过手动方式，使机器人末端接近零件，如图6所示，图中以机器人前视图和左视图为参考系，以确定机器人末端落在零件正上方。此时机器人末端坐标为（-68，-212，-877，0，180，180），点击“此处”，使当前位置成为教授位置，此时偏移量会变为0。

接近高度和出发高度分为机器人接近零件和出发时距离教授位置的垂直距离（z轴），图中的接近高度和出发高度都设定为25mm，至此零件教授部分操作完成。

并联机器人的抓取动作共分三个步骤完成：接近零件、移动末端抓取零件、出发转移零件。为测试机器人教授准确度，可任意移动机器人位置后点击接近，如图7所示，可以看到，机器人除了z轴与目标零件有25mm的偏移，其他位置都已对齐，说明零件位置教授成功。此时点击移动，机器人会垂直下降25mm抓取零件，再点击出发，机器人垂直上升25mm，完成抓取零件任务。

③移动停止位置

完成零件位置教授后，会要求再完成一次停止位置校准，操作与第一次相同，目的是使机器人完成抓取任务后回到另一个停止位置，为放置任务做好准备。

④教授放置位置

教授放置位置与之前的教授抓取步骤相同，即指定一个位置让机器人将抓取的零件放置，同样分三步：接近、移动和出发。

至此，机器人示教环节全部完成。

3.5 系统测试

测试以1分钟为单位时间，投放零件数量从50到120个，每次增加10个，每个区间各测试3次取平均成绩。以抓取率在70%以上作为合格，85%以上为良好，95%以上为优。观察机器人漏抓数量并做统计。得到如表1所示数据。

从表1可以看出，在零件数量达到每分钟120个时，抓取率仍在合格以上。通过以上测试统计结果，可以看出基于视觉跟踪的并联机器人在分拣、抓放、包装等方面有着较高的工作效率。

4 结语

本文借助OMRON Adapt Hornet 565 3轴并联机器人及相关软件，对基于视觉跟踪技术的并联机器人控制系统进行了研究，从测试数据来看，并联机器人在电子、医药、食品等行业的分拣、抓放、包装等方面[5][6]有着高效，精准等特点。

注：此文章为2018年度省级大学生创新创业训练计划项目（《基于视觉跟踪技术的Delta高速并联机器人控制研究》）研究成果，指导老师为吴红霞。

参考文献：