曹宇杰

（上海電力學(xué)院，上海200090）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展應(yīng)用，各種可以代替人工的機械設(shè)備進入到工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中，機械手作為代替人工操作、提高生產(chǎn)效率的典型作品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)?，F(xiàn)在市面上主要的機械手從結(jié)構(gòu)上大體可以劃分為串聯(lián)機械手和并聯(lián)機械手兩種，而串聯(lián)機械手從結(jié)構(gòu)上來講十分簡單，相對運動范圍也比較廣；而并聯(lián)機械手則有著準度較高，速度較快的特點，適用于醫(yī)療等方面。

1 Delta結(jié)構(gòu)概述

在機器人技術(shù)日漸成熟的今天，各種機械架構(gòu)層出不窮，而Delta結(jié)構(gòu)就是并聯(lián)架構(gòu)中可以實現(xiàn)在空間內(nèi)三自由移動的技術(shù)之一。相對于其他架構(gòu)來說Delta結(jié)構(gòu)通過運動學(xué)的逆運算配合機器各部件的結(jié)構(gòu)計算出三個電機獨自運作的角度、速度等參數(shù)，由此可見，這種并聯(lián)的結(jié)構(gòu)擁有并行操作、速度快的優(yōu)勢，同時它因為有三個電機所以承載能力也比較強，抓取的精度也比較高，所以運用Delta技術(shù)可以在工作中實現(xiàn)較為精準的操作，目前其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工藝、藥品制造、包裝和電子元件制作的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過并行操作準確、快速地實現(xiàn)抓取、擺放等操作。

2 機械手的設(shè)計方案

筆者經(jīng)過對各項技術(shù)的綜合分析，最后決定用Delta技術(shù)設(shè)計一套可以實現(xiàn)智能拾取功能的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機械手，利用視覺導(dǎo)向技術(shù)讓機械手擁有自主識別功能，初步計劃用高清攝像機獲取機械手運動軌跡中的實時圖像并上傳到中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)完成相應(yīng)的識別操作并進行定位，最后發(fā)送指令給機械手完成最終的抓取和釋放操作。在機械手的設(shè)計中主要系統(tǒng)由以下四方面實現(xiàn)：執(zhí)行模塊、中控系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動和視覺傳感系統(tǒng)，所以暫定需要光源、視頻采集卡、攝像頭、PC工作站和圖像處理軟件幾項來進行測試和模擬。

機械手的模型以現(xiàn)有的Delta直線型機械手為主，在三個塔柱上安裝滑車，滑車的動力通過步進電機拉動傳送帶提供，而動平臺的從動臂桿需要保持相對平行，用來保證動平臺的運動是平行的。定位組件采用現(xiàn)有的VBAI組件，這個組件可實現(xiàn)快速處理目標圖像的功能，通過處理目標的灰度信息來進行距離的厘定，在數(shù)據(jù)庫中匹配相似的模板，之后通過建立坐標軸和以坐標等為目標進行三維的定位操作。抓取放置等操作的實現(xiàn)通過夾取裝置來配合中控系統(tǒng)下發(fā)的各項操作命令根據(jù)單片機中提前設(shè)置的運動軌跡完成。在后續(xù)的設(shè)計中，夾取裝置還可以通過在中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)對不同目標進行優(yōu)先級的編排，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定按照次序進行抓取操作。

3 機械手運動的分析

機械手運動的簡易示意圖如圖1所示。

圖1 機械手運動示意圖

由于Delta結(jié)構(gòu)三個從動臂的相對受力和運動情況相同，所以在分析中只考慮Z軸即可。由于圖中各推桿的長度是固定不變的，假設(shè)推桿的長度為C，那么軸坐標A，Z軸到動平臺中心的距離B可以穩(wěn)定成一個直角三角形。因為C2=A2+B2，假設(shè)滑車運動了a，那么動平臺的中心就會運動b，此時可以得到C2=（A-a）2+（B+b）2，具體的變化過程如圖2所示。

圖2 以Z軸為例的攝影圖

4 視覺系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計

在建立好三維坐標后，需要視覺系統(tǒng)把觀察到的坐標通過傳感器傳到控制器中獲取拾取和釋放操作的命令，其大致工作流程如下：首先需要建立一個攝像機的模型，對應(yīng)坐標系中幾個觀察點與現(xiàn)實中觀察點的關(guān)系，方便圖像采集和定位操作，然后進行圖像采集并傳送給中控系統(tǒng)；其次要進行圖像的處理操作，通過攝像頭獲得的圖像解析出相對應(yīng)的三維坐標，同時完成對進行操作的目標進行識別和判斷；最后對機械發(fā)出控制的命令，通過控制器給出釋放和夾取操作信號，同時對處理結(jié)果進行實時反饋，如果結(jié)果有誤差及時進行修正處理。

5 控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計

在對機械手的控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，要用到計算機作為控制和處理中心，將處理步驟等燒制到單片機上，在單片機中對步進電機、視覺系統(tǒng)、伺服電機和電源系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理。并給出控制命令的操作。

視覺系統(tǒng)由機械手上的攝像頭和采集卡，計算機上的圖形處理軟件、上位機等組成，這樣可對采集到的圖像進行快速處理和識別，完成將三維物體迅速定位到坐標系中的操作。此時中控系統(tǒng)通過計算結(jié)果對三個步進電機進行控制操作，在控制中實時獲取視覺系統(tǒng)的信息來判斷操作是否有誤，對后續(xù)的處理和計算操作進行更正。而最終機械手的實現(xiàn)部分由夾取裝置來完成，通過中控系統(tǒng)給出的各種運動參數(shù)來控制角度和方向。另外，中控系統(tǒng)還負責(zé)電源的控制和照明的提供，以防環(huán)境亮度較低時不能準確計算出相對坐標。

6 工作站系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)設(shè)計

在機械手設(shè)計初步完成后，要在工作站完成相應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，實現(xiàn)通過終端上的應(yīng)用程序發(fā)出指令，中控系統(tǒng)接到指令后安排機械手完成相應(yīng)操作的功能。

在工作站數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中，首先分為以下幾部分來進行表結(jié)構(gòu)的設(shè)計：

第一，建立用來存儲視覺傳感系統(tǒng)傳回的影像、照片信息的存儲空間，為視覺導(dǎo)向系統(tǒng)進行分析打好基礎(chǔ)；

第二，建立虛擬坐標系各參數(shù)的存儲表，將不同計算公式、數(shù)據(jù)字典設(shè)置好，一旦系統(tǒng)完成了對圖像的分析操作，可以及時建立數(shù)據(jù)庫完成相應(yīng)計算，有利于中控系統(tǒng)對目標進行快速定位，為之后下發(fā)抓取、釋放命令做好鋪墊；

第三，建立下發(fā)命令的記錄表，這個表可記錄由工作站下發(fā)的所有命令，同時將命令轉(zhuǎn)換為坐標系中需要達成的參數(shù)，這樣中控系統(tǒng)就做到了有據(jù)可依，也可根據(jù)這張表查詢對機械手下達命令的歷史記錄，一旦測試發(fā)現(xiàn)問題可以進行快速定位；

第四，建立參數(shù)設(shè)置備份表，在測試機械手性能時可能會有一些失誤操作，通過給機械手下達錯誤的指令、錯誤的換算關(guān)系、錯誤的目標識別維度，導(dǎo)致其不能正常工作，一旦出現(xiàn)這些問題，利用這張表可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回滾操作，恢復(fù)工作站上一次為機械手創(chuàng)建的正確配置，這樣就可以在測試中不斷完善機械手的功能。

7 結(jié)語

筆者基于以上方案進行設(shè)計與開發(fā)，制作出了基于視覺導(dǎo)向的機械手樣機，并對樣機的各項性能進行了測試，結(jié)果表明，樣機抓取速度較快，最快可達285 mm/s，最大加速度可達220 mm/s2，灰度測試正常，坐標軸各方向定位精度平均為0.8 mm，能較準確地識別物體，識別率為95%。從樣機測試來看，機械手基本可以實現(xiàn)目標，但想要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，還需要提高速度和識別度，這就需要在后期的研發(fā)中優(yōu)化和更新圖像處理算法，同時不斷完善單片機程序，以達到優(yōu)化作業(yè)路徑、加快夾取速度的目的。