李野

摘要：通過應用機器視覺技術(shù)在抓取效率與識別精度方面的優(yōu)勢，同時結(jié)合隨動跟蹤技術(shù)完成在線實時跟蹤，本文結(jié)合視覺技術(shù)與隨動跟蹤技術(shù)并應用SCARA機器人，實現(xiàn)物體的自動識別、運動抓取、準確裝箱，對研究機器人在運動控制領域具有重要意義，同時也為機器人其他應用方向提供一種有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;視覺;跟隨運動

0? 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在分揀裝箱領域?qū)π实囊?、靈活性的要求也越來越高，以往的分揀裝箱系統(tǒng)采用物料停止-對中的模式，這種模式大大的增加了系統(tǒng)的響應時間，降低了生產(chǎn)效率，同時設備的頻繁啟停、反復運動對使用壽命有較大影響。如何實現(xiàn)自動識別-跟隨抓取對分揀裝箱系統(tǒng)具有重要的意義，本文結(jié)合視覺定位技術(shù)、隨動跟蹤技術(shù)，并應用SCARA機器人系統(tǒng)實現(xiàn)一套完整的分揀-裝箱系統(tǒng)，為機器人在行業(yè)中的應用提供有效的解決辦法。

1? 機器視覺技術(shù)

機器視覺技術(shù)通過視覺攝像機對物體進行拍照處理，獲取物體圖像信息，模擬人眼視覺的功能，通過視覺傳感、圖像采集、圖像處理等多個環(huán)節(jié)[1，2]，可以實現(xiàn)對物體的自動定位、識別、分類、比對，最終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果下發(fā)給執(zhí)行運動機構(gòu)，實現(xiàn)相應目標物體的抓取、擺放等動作。機器視覺技術(shù)通過預先設定的圖像模板，進行圖像的匹配，通過圖像匹配實現(xiàn)物體的識別，同時在結(jié)合系統(tǒng)的標定參數(shù)進行視覺系統(tǒng)的計算，工作原理如圖1所示，最終計算出位姿偏差。

在2D視覺應用中，如圖2所示，標定物體坐標參數(shù)點A，并通過上述圖像匹配方法，獲取圖像位姿信息，計算出圖像位姿點B，通過點A與點B在基礎坐標系中的差值，最終可以計算出目標物體偏差值△x，△y，△θ，即平面物體的三個位姿偏差數(shù)據(jù)，將偏差發(fā)送給執(zhí)行運動機構(gòu)實現(xiàn)目標物體的搬運抓取。通過機器視覺能夠采集制造過程中的多個圖像[3]并通過各系統(tǒng)中的坐標系變換，得到目標物體的位姿信息，可使執(zhí)行運動機構(gòu)抓取目標物體的準確度得到很大程度的提高。

2? 隨動跟蹤技術(shù)

執(zhí)行運動機構(gòu)能夠按照預定的速度，在一定范圍內(nèi)能夠與已知的理想軌跡相一致[4，5]，并以相同的速度與運動物體共同運動，從而實現(xiàn)軌跡路徑的跟蹤過程，通過軌跡的跟蹤，能夠完成目標物體的動態(tài)抓取過程，動態(tài)的抓取過程能夠很大程度上提升抓取的效率，同時隨動控制方式與機器人相結(jié)合，能夠更大限度的提升機器人的應用空間及場景。

執(zhí)行運動機構(gòu)起點為C1，在t1時刻，目標物體的起點位置為A，在△t時間內(nèi)，目標物體到達B點，同時執(zhí)行運動機構(gòu)在B點位置與目標物體速度相同，從而實現(xiàn)在△t時間內(nèi)跟蹤到目標物體的目的，如圖3所示在此運動過程中目標物體是以恒定的速度v運行。在實際應用過程中，由于執(zhí)行運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、行程等因素限制，在△t時間內(nèi)，執(zhí)行運動機構(gòu)運行的距離不能超出其運行最大行程范圍，一旦超出執(zhí)行運動機構(gòu)將無法在有效的時間內(nèi)跟蹤到目標物體。

3? 結(jié)合視覺、隨動跟蹤技術(shù)的應用

通過視覺系統(tǒng)對輸送的目標物體進行拍照，確定目標物體的位姿，并以SCARA機器人作為目標物體搬運執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)目標物體的自動識別與定位，同時通過隨動跟蹤技術(shù)，進行實時的跟隨運動，從而實現(xiàn)目標物體的動態(tài)抓取過程，保證了目標物體的連續(xù)運行，從而提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)布置如圖4所示，其中實線部分為視覺拍照區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)均可實現(xiàn)目標物體的視覺定位，點劃線區(qū)域為跟隨抓取區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)目標物體的跟隨運動及抓取動作，目標物體以四個為一組放置到指定料盒中，圖4中圓形標記位置為目標物體的放置料盒，同樣料盒定位方式任然以視覺拍照方式進行精確定位，確定放置位置的準確性。

在本系統(tǒng)中，設定視覺系統(tǒng)的拍照視場為800*800mm，物體在此區(qū)域內(nèi)均可實現(xiàn)目標物體位置信息的確定，由于視覺系統(tǒng)受到環(huán)境光照影響比較大，為保證在視覺拍照時能夠具有一個良好的環(huán)境光照條件，將視覺相機的拍照區(qū)域設定成封閉區(qū)域并加以遮光防護，保證系統(tǒng)能夠在一個穩(wěn)定的環(huán)境光照下，確保目標物體圖像采集的穩(wěn)定性。另外，由于SCRAR機器人的運動范圍限制，在機器人工作的有效區(qū)域內(nèi)，均可以實現(xiàn)目標物體的跟蹤抓取，一旦SCARA機器人的跟隨位姿點超出其運動范圍，機器人系統(tǒng)將自動漏過該物體，以便后續(xù)物體的抓取。在SCARA機器人系統(tǒng)中，通過設計機器人的跟隨距離、跟隨速度等參數(shù)，實現(xiàn)SCARA機器人參數(shù)的匹配，最終實現(xiàn)目標物體的跟隨運動，完成物體的運動跟蹤抓取過程。

為保證物體輸送的穩(wěn)定性及可靠性，以伺服電機作為驅(qū)動裝置，采用同步帶傳動方式，減少帶傳動打滑現(xiàn)象，從而提高物體輸送精度，保證了目標物體輸送的穩(wěn)定與可靠，并且與實際應用相結(jié)合，配置穩(wěn)定運行線速度，有利于提高抓取的準確性與跟隨運動的可靠性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)搬運目標物體的材質(zhì)、重量、形狀等信息，采用真空吸附的方式實現(xiàn)目標物體的快速抓取搬運，為了實現(xiàn)快速的響應過程，采用快速響應電磁閥及大流量真空發(fā)生器，同時配備有真空壓力反饋，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制原理如圖5所示。

利用SCARA機器人的快速響應，使得該生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍能夠達到3.5s每件，可在有效的時間內(nèi)對來料進行分揀搬運，同時保證了系統(tǒng)的連續(xù)運轉(zhuǎn)，避免輸送系統(tǒng)重復啟停，大大提高了生產(chǎn)線的效率。同時，該系統(tǒng)的建立解決了生產(chǎn)工位單調(diào)、重復的勞動模式，生產(chǎn)線實現(xiàn)用工減少每班3人次，每天6人次的用工，極大的提高了經(jīng)濟效益。

4? 結(jié)束語

通過對視覺系統(tǒng)、隨動跟蹤系統(tǒng)的闡述，并應用兩種技術(shù)在機器人快速識別分揀系統(tǒng)中的應用，為無序分揀、動態(tài)分揀提供了一個良好的應用案例，為其技術(shù)在相關(guān)行業(yè)中的推廣及應用起到示范作用，為機器人在更多領域的應用提供了一個良好的解決方案。

參考文獻：

[1]張辰，等.視覺引導技術(shù)在SCARA機器人裝配任務中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng)術(shù)，2019，38（2）：157-160.

[2]盛華軍，等.視覺圖像技術(shù)與機器人工件抓取的協(xié)作應用[J].自動化與儀表，2020，35（2）：37-46.

[3]楊旗，陳杰，崔玉博，等.基于視覺引導的ABB機器人定位與抓取[J].機械工程與自動化，2019（5）：57-59.

[4]張日紅，等.基于運動跟蹤的工業(yè)機器人隨動控制[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2018，5：63-66.

[5]江海天，等.工業(yè)機器人隨動跟蹤控制系統(tǒng)的設計[J].科技創(chuàng)新，2019，10：11.