基于多传感器技术工业机器人的研究与应用

宋阳

（德州职业技术学院 山东省德州市 253034）

针对多传感器技术而言，能够摆脱过去单一技术的桎梏，结合第一代优势做到了创新及升级改造，该项技术的有效发展有利于智能生产领域提高转型升级速度。现实中多传感器，一方面可对机器人工况尽心检测，另一方面能感应检测其工作对象与环境，从而为进入最理想的生产状况提供保障。

1 发展概况与现实意义

虽然多传感器技术在我国研究进程中获得很多成绩，可实际上仍然存在一些不足之处，通过分析传统智能制造领域的相关数据，以该技术为基础的工业机器等相关智能化制造装备进步颇大，由于其是一门新兴产业，因此处在进步与成长阶段，即使国内拥有良好成绩可放眼全球缺少强大的竞争能力，当前所得的发展成果无法抗衡。在工业机器人方面，所面对的突出问题主要为相对薄弱的技术创新能力，其中核心制造技术过度依赖进口，纵然支付高昂的进口成本，多数企业也选择一直进口。较为薄弱的产业基础薄弱，其在国内市场所占据的份额小于5%。发展历程虽然艰辛，可我国在此方面增大资金、资源的支持，实现了多传感器技术使用范围的扩大，而且工业机器人获得更多行业领域的关注，以该技术为核心技术的工业机器人，近些年的发展成果有目共睹，能够为生产提速与提质降耗提供基础。

其所体现出的现实意义具体如下：

（1）属于国家科技及制造水平的一个重要衡量标准，不仅为工业领域走向国际市场创造条件，还是焕发制造业优势的主要渠道，在将生产潜能有效激发的同时增强市场竞争能力。

（2）提高工业行业升级转型速度，属于推动转型升级的第一选择，在促进产品质量提高的同时减少生产成本支出，能够为技术研发提供广阔空间。

面对逐渐增大的市场需求、愈发稀缺的劳动力资源的现实环境，不仅有助于生产安全风险的降低，还能在帮助企业发展提速的同时破除西方国家该产业中的垄断地位，进而为国内有关行业发展换得广阔的生存空间。

2 系统基本构成与基础理论介绍

以往工业机器人，仅是基于操作人员预设的轨迹程序进行单调的机械重复。因为缺少感应外部环境的基本能力，所以难以满足其柔性化、智能发展的现实需求。但是通过机器视觉，可让工业机器人在一定程度上提高柔性化水平，为其配置一定的感知能力，这样在实现生产效率提高的同时减少经济成本支出。针对对象定位不同使用的算法也存在较大差异，能否成功实现视觉定位，属于进行图像处理的核心所在。

现阶段，机器人系统是以类C语言为主，无论是以RobotStudio离线编译为基础的ABB视觉机器人，或者是总控系统以PLC编程软件S0machine为基础的STL语言，以上均是基于C或者C++的编译语言。在视觉处理方面，常用软件有Halcon、Opencv。例如HALCON，首先需要针对待测工实施平滑滤波以及二值化处理，然后对常见的边缘提取算子展开分析，以Canny算子实现图像边缘提取，然后以图像拟合的方法确定操作对象。这一系统的组成部分主要为视觉、RFID以及机器人系统，并且通过PLC总体控制系统。使用工业摄像设备取得所需图像信息，然后以标定技术运算操作对象的空间坐标，至于空间点位利用上位机向机器人发送人完成操作，该系统基本工作流程如图1所示。

图1：机器人系统基本工作流程示意图

3 RFID无线射频技术

这一技术已经广泛运用到汽车制造产业。在零部件上粘贴射频标签，能够针对零部件信息实施不用人工干预的储存、标记及改写。一般情况下，将标签贴在零件底部粘贴，一方面避免对零件整体外观造成影响，另一方面为之后的装包处理提供便利。

3.1 工作原理

以往采用的通信技术一般采取物理连接的方法，例如通过电缆光缆来传输数据；再比如工业现场经常采取RS-485与RS-232等。但是物理线路很容易受到干扰、老化等方面的影响，而且物理传输无论是可操作性还是灵活性，均不如RFID无线射频技术。针对无线射频而言，数据传输的主要方式为把读卡器与射频信号，以电磁的反向散射与电感做到空间耦合。依据逻辑层面的时间顺序，实现能量传递与数据传输。有关系统内部电子标签与读卡器的能量互换、感应则是电感耦合，此耦合形式的区别是RFID不同频率。将电磁感应作为基础，能量与信息交互模式近似于雷达系统模型，读卡器也以这种方式获取相关产品信息。

3.2 工作过程

RFID技术的基本使用原理类似雷达，将电磁放射后接触物体并将其反射回来，同时能带回接触物体相关信息。雷达在20世纪初期诞生，因为能够识别飞机，所以在二战中起到十分重要的作用。自从雷达技术被研发其始终处在发展中。 并且RFID技术就是将雷达技术作为基础。基于雷达技术所诞生的AIDC技术，便是RFID无线射频技术。对于射频标签来讲，其工作原理和雷达的基本原理相似。如果零件粘贴的电子标签可以被读写器读取，然后发出磁场并由信号将电子标签中的磁场激发出来，在此基础上电子标签按照所接受信号予以反映，向读写器发出反射信号。凭借内部电路进行产品信息的解码，从而达到非接触型的数据通信。利用工控计算机实现零件相关信息的收集、改写、存储与无线传输。关于雷达技术，则是以电磁波或者是磁场发射，在其碰到物体之后发生反射且带回产品数据。

4 传感器融合方法

实际上，传感器融合主要指的是融合多传感器信息，一般情况下信息融合划分成数据级以及决策级等融合。例如数据级为例，指的是融合传感器的一系列原始数据，由此进行识别或者是推理判断。通常其需要保证融合的各传感设备属于同质的，存储传感器的各种观测信息能够为数据级融合提供方便。针对异质传感器而言，最好不要进行数据级融合，至于异质传感设备做到数据融合存在较大困难，应首先处理传感器的各方面数据，唯有实现数据同质化才会达到数据级融合的目的，类型不同的传感器存储的信息格式、类型各有不同，同质化的数据处理如果处在传感器异质环境下难以实现。与此同时，数据级融合针对使用数据十分充足，不仅会避免数据丢失而且结果更加精确全面。有关特征级融合，主要是各传感器数据中的特征信息实施综合分析。提取传感器当中最典型的数据特征，在将传感器的提取特征或是识别结果有机融合。对于特征级信息融合而言，主要是将传感器的相关信息抽象出来并提取代表性特征，该方法并非是由原始数据获得结论，形成的结果较为综合，可同时也会因为丢失原始数据而降低准确性，且这种融合属于多个异质、同质传感器的融合，针对单一传感器中的子系统问题故障体现出优良适应性。

5 软件功能设计

5.1 PLC控制程序

设计PLC系统设计，首先需要进行相关生产工艺流程分析并绘制清晰的流程图，需保证尽可能方便简洁。完成上述步骤后进行PLC选型，这一系统能实现和上位机之间连接并仿真组态，因此并非每种类型CPU均可以使用。合理分析之后步骤应该设计的模拟量、数字量有多少、变量和常量等，然后选取与之相应模拟和数字模块，避免过度浪费既保证应用合理。完成选型后进行IN与OUT地址分配。进行PLC与PC机的连接并展开软件设计，编写STL或是梯形图画法。完成上述设计后实施模拟调试，且当成功调试后能够投入运行。其中设备动作发送指令、系统机器人逻辑顺序均由M218LDD40DUPHNB完成。在工装台上放置待焊接零件，总共有3组光纤进行工件到位情况的检验，3组输入是I0.0-I0.1，输出是Q0.0-Q0.1。放置完工件后Q0.0-Q0.1输出，然后关闭气缸及气阀动作来固定零件，至于汽缸位置有4组传感设备，上到位输出Q0.2-Q0.5而且下到位输出Q0.6-Q0.7，Q1.0-Q1.1。如果气缸完成动作之后将双手按钮按下，否则不可以按下。如何钮按被按下机器人便会发出动作，将获取的空间坐标向操作机器人发送，待其完成机器人发起动作后完成任务，机器人复位信号Q1.2，若是Q1.2输出松开零件，位置传感设备下到位输出的情况下，能够将零件取出而且系统不会发起报警。工作环境均是在光栅内进行，一共有3面光栅有，其输入I3.0-I3.2，输出Q3.0-Q3.2，彼此之间的逻辑关系属于或关系，具体工作中任何一个光栅若能感应到物体便会发出报警同时急停，工作流程如图2所示。

图2：机器人PLC系统工作流程图

5.2 OTC机器人运行轨迹程序

以往的焊接方式是OTC机器人氩弧焊接零件，焊接轨迹是圆弧，运动轨迹主要为选择四个点，以圆弧插入的形式焊接整个轨迹。可因为工件制作存在偏差，致使坐标系内部的焊接圆心存在坐标偏差，则应以走圆弧的手段将孔焊满。可是以机器视觉技术明确焊点中心，仅要求焊接该点这能保证锡坨光滑且方便打磨。LIN属于直线内插，机器人由原点至第一个焊接第点拥有广泛的运动范围，采取直线与弧运动有机融合的方式。至于CIR属于圆弧运动，如果在内插圆弧的情况下，机器人要保证运动圆弧不低于3个点。具体点位焊接流程如下所示：选定程序号，OTC示教设备具备一定的存储功能，而且编译程序都具备程序号，正式作业时进行程序号的选择；点位选择时间为焊枪和焊点之间还存在10dm；AS起弧指令，用于修改焊接的速度以及电压电流大小；AE收弧指令。

5.3 HMI软件设计

HMI人机界面已经普及应用在各行业领域中的自动化设备中。发挥人机界面的主要优势能够高度集成自动化设备，做到计算机与操作人员两者的信息的交换与传递，属于用户与系统的对话接口。所有参加到人机信息交互均涉及人机界面。技术人员设计人机界面时，应兼顾以下几方面：

（1）顺序原则。有关人机界面的设计，需要依据发生时间与事件处理的一般规律，依据从上层至下层的基本原则，最关键的是各个系统环节动作自身逻辑顺序，要依据工艺流程进行界面设计。

（2）用户为中心。实际设计环节需将用户作为中心，最大限度满足用户的现实需求。

（3）功能原则。按照不同的对象环境，人机界面内部的子系统拥有不同的控制类型。用户能够熟悉且及时掌握有关人机界面的操作特征及使用规律，这样方便HMI操作。

（4）一致性原则。针对外观来讲，需维持人机界面的操作区及色彩一致，而且文字属性应和国际、国家标准相一致。一致性的界面能够提高操作人员的舒适度，一方面避免分散操作人员的注意力，另一方面可降低操作失误率。

（5）重要性原则。有关控制对象，其处在整体系统中拥有不同的全局性及重要性水平，主次菜单中的对话窗也需体现区别，这样方便操作人员掌握与了解系统主次，在提高控制策略使用率的同时优化调度管理。

基于人机界面的普及应用和逐渐发展，HMI会朝着智能化与现代化方向发展。人机界面的使用场合、外观形等均发生变化，同时工控机核心也进入变革进程中。针对整体发展情况而言，今后发展趋势应为通讯网络化、嵌入化模式等。特别是通讯网络化，其和上位机之间的通讯并非仅凭借RS-485总线通讯，依托无线路由能够和系统主机实现有效通讯，同时在小型局域内构建LAN，并以HMI实现网络范围全部系统的管理及监控，在减少投入成本的同时提升经济效益。

6 主要应用分析

工业机器人之所以拥有巨大的世界市场需求，其在一定程度上可以压缩生产成本，因为较高的劳动力成本与稀缺的人力资源，所以多数企业不仅会采取转移工厂的方法，还会通过工业机器人完成生产流水作业，这样在减少生产时间的同时压缩生产成本，从而助力经济效益的提高。世界范围内，近些年推出的各种工业机器人，多传感器技术工业机器人基本能兼顾模块化、智能化等优势，结合多种类型机器人的基础知识模块，进而为制造业发展贡献力量。西方发达国家在此方面陆续进行战略部署，以美国为例制定了“再工业化”计划，出于实现制造产业振兴推动工业机器人的发展，旨在获得工业机器人的支持下，焕发制造产业的活力。再比如日本，在机器人行业可谓是独树一帜，也在制造业领域下足功夫，推动机器人产业发展，并将机器人产业归入到国家重点扶持产业。

中国在此领域的应用和研发均获得很多理想成绩，将以往存在的空白填补。例如六维力/力矩、位置姿态等相关传感器系列，上述系列能够为研发多传感器工业机器人提供坚持基础，且在实际作业中体现出显著效果。通过运用位置/姿态传感设备，实现超声测距和运动视觉之间有机结合，在机器人操作过程中运用于工件的定位、识别及抓取，更重要的是处在复杂环境也能将故障自动识别，而且会绕开障碍抵达目的地。能够预见的是，此类工业机器人会更广泛地应用在日常生活中，能够提供更多的便利服务。有关研发升级，一方面应该优化传感设备的精度并减少成本支出，另一方面还会朝着微型机器人方面研发。至于应用领域，由工业环境向海洋或是人类无法进入的领域延伸，从而帮助人类更好地探索未知，另外将其结合虚拟技术为人们带来丰富的体验感受，同微电子系统维持密切联系，助力微电子领域更好地发展。有效利用传感信息技术，提高处理传感信息的速度、融合不同的传感器技术，例如微精技术、标定测试技术等均会成为机器人研发的关键所在。

7 系统验证结果的分析与说明

7.1 机器人系统的验证说明

对于此系统而言，应该使焊机机器人借助获得需要焊接点相应空间坐标的方式，对机器人速度进行调试验证，并且尽可能使速度减慢，有关操控工作者需要位于报警光栅的外边，避免出现受伤的情况。

当系统验证成功之后，能够加快机器人的速度，可以将其调成180%，通过验证以后，依靠人工对1个尾管零件进行调试焊接处理需要2min，但是借助视觉传感器与焊接工业机器人加以焊接处理，仅需要20s即可，搭配RFID传感器装置，进一步提升了出入库信息的录入工作效率，并且也确保精准性。

7.2 RFID验证结果的分析

对于RFID电子标签而言，将其运用到此系统当中，可以准确登记并改写相关零件尾管信息。

一般来说，射频标签的应用机制与雷达十分近似。在粘贴了电子标签的零件处于可以被读取的区间当中，此时读写器装置将发出磁场信号，从而实现对电子标签内磁场的激发，然后结合所接收的信号，科学进行反应，并且发送出反射信号给读写器装置。与此同时，借助内部电路，可以解码出非接触式电子标签信号中的产品信息，以便达到数据通信的目的。依靠计算机科学采集、存储与改写相关零件信息，实现了远程无线传输的效果。

7.3 总控系统的验证说明

针对该系统的总控装置而言，主要将PLC当作技术支撑，并且以机器人系统、工业传感器装置、视觉系统动力线作为重要的对象，达到统一化布局的效果。当电气柜接线的过程中，应该注重不同信线正负极的输入输出、PLC、继电器等各类器件的布局情况，然后经过有效验证，结合最后的试验结果，合理布设动力线、信号线等。

7.4 系统抗干扰的处理措施

一般来说，机器人系统运行的过程中，经过会受到诸多不同方面的因素影响，降低了系统运行的可靠性与稳定性。假如系统信号被干扰，必然降低图像处理的精准性，并且带给机器人运动不良的影响。所以，需要制定出系统抗干扰的处理措施，具体如下：

（1）确保动力线与信号线不同槽。此系统电气控制柜进行接线的过程中，应该留设一槽给信号线，发挥出线槽的屏蔽功效，可以达到减少干扰的目的。

（2）在不同工厂电气设备的旁边均会设置地线，和总接地桩连接，所以，系统需要选用合理的接地形式，确保系统免受电磁干扰。

（3）对于系统信号线来说，需要将带屏蔽线的电缆作为首选，增强屏蔽层的抑制干扰效果。

（4）科学运用数字滤波器装置，能够达到滤掉系统当中干扰信号的目的。

8 结束语

纵观工业机器人的发展经历，能清楚地看到多传感器技术起到的重要作用，不管是工业、科技还是国防等相关领域，这种机器人均拥有广阔的前景。同样因为不断进步的机器人技术，在激烈国际竞争中助力我国许多行业占据一席之地。时至今日，多传感器技术怎样融入到人们的日常生活，是一大重点研究课题，技术人员需将该技术作为促进产业发展进步的助推器，与此同时让其在日常生活发挥更多功能作用。