黃現(xiàn)云 董晨光 朱浩 蔣曦初 李家沛 / 蘇州市計量測試院

0 引言

隨著科學技術的進步，機器人自動化、智能化不斷提高，機器人的應用滲透到工業(yè)、農業(yè)[1][2]等各個領域。計量測試也不斷地涉及尖端的科學和高新技術領域，以此解決傳統(tǒng)測試過程中效率不高，測試效率滿足不了社會需求的狀況。衡器中公斤砝碼的檢測量較大，因此針對公斤砝碼，傳統(tǒng)檢測中每位檢測員每天需累計搬動數(shù)噸砝碼，效率低下且易使檢測員落下腰肌勞損等疾病。本單位設計的公斤砝碼自動檢測系統(tǒng)可以解決上述問題。公斤砝碼的抓取是自動檢測系統(tǒng)的關鍵[3][4]，基于機器視覺的砝碼手柄識別，結合切換控制策略的變滑模柔性控制算法技術在自動檢測系統(tǒng)中的應用，很好地解決了砝碼手柄難以識別、不易抓取和放置過硬導致比較儀錯誤示值的問題。

1 圖像處理

圖像處理的目的是將攝像機捕獲的砝碼圖像信號轉換成數(shù)字圖像信號，并對數(shù)字圖像信號進行降噪、特征提取、識別等運算，然后識別出目標信號，并且計算出目標砝碼的大小、形狀、尺寸等類型、空間位置以及位姿等信息，如圖1所示。

1.1 識別與定位

機器人對目標手柄的準確抓取，首先機器人必須獲得待抓取砝碼手柄相應的類型、空間位置以及位姿數(shù)據(jù)信息，機器人通過攝像頭實現(xiàn)對對砝碼的圖像采集，然后通過算法對采集到的圖像進行特征信息的提取與處理，計算出砝碼手柄的類型、空間位置及位姿等信息，將這些信息反饋給控制系統(tǒng)以控制機器人抓手抓取砝碼。

圖1 砝碼圖像處理流程

砝碼手柄的識別與定位系統(tǒng)，采用CCD攝像機、鏡頭和視覺系統(tǒng)控制器件組成。視覺系統(tǒng)控制器將圖像采集卡集成于圖像處理器中，處理器采用TI的數(shù)字信號處理器（DSP）和艾佐凱爾的可編程邏輯陣列（FPGA）協(xié)同處理方式，速度快且運行穩(wěn)定，使其滿足機器視覺實時性應用需求。

1.2 目標追蹤

本系統(tǒng)目標追蹤首先要確定工業(yè)機器人的視覺方案。本系統(tǒng)需要對圖2中砝碼手柄進行快速定位與抓取，將砝碼向比較儀上放置及取下的時候，需要快速、實時、精確地計算出砝碼與比較儀的距離，實現(xiàn)快速搬運、輕取輕放，視覺方案選擇單目Eye-to-Hand視覺方案，將攝像機固定在手臂下方，通過對砝碼的拍攝圖像進行處理檢測，并計算出砝碼手柄坐標系位置以及砝碼相對于比較儀待放砝碼位置的坐標系位置，將信息反饋到控制系統(tǒng)，控制器據(jù)此實現(xiàn)對砝碼抓放操作。

圖2 目標砝碼

2 機械臂結構及抓手控制

本系統(tǒng)設計的機器人為根據(jù)實驗室空間及砝碼、比較儀等信息自主設計的機器人，機器人總體結構如圖3所示。根據(jù)5～25 kg砝碼形狀及質量特點，本系統(tǒng)選擇交叉型叉形結構叉手，以保證叉取砝碼的時候不會掉脫。

圖3 機器人手臂

本系統(tǒng)的機械手臂需要進行抓取、提升和搬運三種運動，其中抓手需夾持砝碼，因此機器人手臂設計為6個自由度，即沿X、Y、Z軸三個方向的運動和繞X、Y、Z軸的旋轉運動。

機械臂的總控制器抓放控制采用PID閉環(huán)控制。當啟動檢測系統(tǒng)后，機器人通過攝像機獲取砝碼照片信息，照片信息經(jīng)過圖像處理器處理，尋找到待檢測砝碼后，計算出砝碼手柄的空間位置和機械抓手的位置，引導機械手對砝碼進行抓取。

3 切換控制策略的變滑模柔性控制算法

砝碼的抓取如果過緊，容易對機器人叉手和砝碼造成損壞，如果抓得過松，在機器人手臂提升及旋轉的過程中容易擺動造成砝碼和叉手的磨損，甚至造成砝碼脫落，或者擺動造成和比較儀等設備相碰撞，影響設備運行和檢測的正確性，且存在安全隱患。另外，在砝碼接觸比較儀到放置砝碼松開、收回抓手，以及從比較儀上抓取砝碼到砝碼完全離開比較儀，這兩個過程要求放置及抓取動作要輕，以免影響比較儀數(shù)據(jù)的準確性。鑒于此，本系統(tǒng)采用切換控制策略的變滑模柔性控制算法[5]。

圖4 抓取三維模型

圖4中，m為砝碼質量；l為砝碼重心到抓手距離；θ為砝碼擺角大小?？紤]在室內且砝碼質量較大，故忽略空氣阻力等因素影響。

圖5 抓手

在機械臂控制著砝碼主方向的Vx、Vy、Vz的前提下，機器人通過系統(tǒng)反饋回來的砝碼在三維空間的運動速度、砝碼擺角和質量等信息輸入變滑模控制器處理后輸出抓手上作用力ux、uy、uz，以減緩砝碼在抓放、搬運過程中的抖擺現(xiàn)象。

整體上，如圖6所示，在不同的情況下使用不同的控制方法。在抓取砝碼至砝碼離開支撐面的過程中緩慢提升，當檢測到完全離開支撐面后按規(guī)劃路徑做加速運動同時啟動變滑?？刂破?，當砝碼到達最高速閾值后在空中做快速勻速移動，當砝碼到達路徑減速點后做減速運動，在砝碼到達比較儀支撐面之前將砝碼速度降到較小的速度，到達距離最小閾值后關閉變滑?？刂破鞑⒕従彿胖庙来a，在整個加減速、搬運過程中結合變滑?？刂品椒ǚ乐棺シ?、搬運及加減速過程造成砝碼的抖擺。抓手終端材料采用彈性襯墊叉手，抓手襯墊內置壓力傳感器，抓手通過直流電機控制，又通過圖像采集器獲得砝碼質量、擺角，抓取時根據(jù)壓力傳感器反饋的力度控制抓取力度，在提升、旋轉、加速、減速的過程中，結合砝碼質量和加減速度值計算后輸出控制抓手的各方向力度。這樣既不會使砝碼脫落也不會造成抓手及砝碼的損壞。

圖6 一次抓放控制流程圖

4 應用性能分析

4.1 效率及安全性比較

傳統(tǒng)公斤砝碼檢定需要人工搬運砝碼，按照JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》[6]進行測試。本系統(tǒng)只需將公斤砝碼分出等級后推入實驗室，啟動設備，自動按照JJG 99-2006進行測試?，F(xiàn)取10 kg的M等級砝碼分別按照人工搬運方法和本系統(tǒng)自動搬運方法進行測試，從人力、時間、安全性上做比較。由表1可見，機器人自動抓取搬運方式較人工搬運檢測在人力、效率和安全性上均有較大優(yōu)勢。

表1 人力、時間、安全性分析

4.2 抓取時間對比

圖7是分別采用啟動變滑?？刂破骱筒徊捎米兓？刂破魍瓿梢淮巫ト∷玫臅r間和速度仿真曲線圖。啟用變滑模控制器可以有效控制砝碼抖擺，在保證安全的前提下可以有效縮短速度變化所需要的時間。從圖中可以看出，采用變滑模控制可以有效縮短一次抓取砝碼的時間，提高測試流程中搬運效率，縮短整個測試流程的時間。

圖7 一次抓取時間

4.3 對比較儀重復性測試穩(wěn)定性影響實驗

對比較儀重復性測試穩(wěn)定性的影響涉及是否引入新的不確定度來源，直接關系到該系統(tǒng)是否能夠代替人工應用到砝碼搬運上。用10 kg的標準砝碼和同一臺比較儀，室內溫度20 ℃，濕度為54%的條件下，分別用人工搬運和機器人搬運兩種方式，按照JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》[6]進行重復性試驗，測試對比較儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性影響。圖8中，綠色六角星數(shù)據(jù)為人工搬運砝碼測得的比較儀的數(shù)據(jù)，紅色圓圈數(shù)據(jù)為本文機器人抓手搬運砝碼測得的比較儀的數(shù)據(jù)。從圖中可明顯看出使用機器人抓手搬運對比較儀重復性測試穩(wěn)定性影響明顯優(yōu)于人工搬運。

圖8 比較儀重復性測試數(shù)據(jù)

5 結語

本文將機器視覺結合切換控制策略的變滑模柔性控制算法應用到公斤砝碼抓放、搬運上，可以大幅提高搬運效率、更小地影響測試過程中比較儀的穩(wěn)定性。公斤砝碼的自動抓取技術是公斤砝碼自動檢測系統(tǒng)的關鍵，本系統(tǒng)的成功應用直接解決了公斤砝碼自動檢測系統(tǒng)的抓取準確性和穩(wěn)定性的問題，推動了公斤砝碼自動檢測系統(tǒng)的成功應用。