單正婭，郭 瓊，姚曉寧

（無錫職業(yè)技術(shù)學院，江蘇無錫 214121）

0 引言

教育部主辦的全國職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用”賽項，比賽任務(wù)已從糖盒分揀發(fā)展為機器人關(guān)節(jié)裝配[2]。根據(jù)賽項任務(wù)變化，關(guān)鍵要解決2 個問題：（1）提高精度，裝配的精度要求高；（2）提高速度，因為機器人任務(wù)加倍而比賽時間不變。本文以數(shù)據(jù)采集處理為主線，介紹了提高精度、速度的關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 任務(wù)內(nèi)容

系統(tǒng)由工業(yè)機器人、AGV 機器人、托盤及裝配流水線、視覺系統(tǒng)和碼垛機立體倉庫等六大分系統(tǒng)組成[2-3]。主控、立庫、機器人、相機及編程計算機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

賽項任務(wù)是碼垛機從立體倉庫中取出工件并放置AGV機器人上部輸送線，由AGV機器人輸送至托盤流水線，經(jīng)視覺系統(tǒng)定位和識別工件，然后工業(yè)機器人抓取并放置到裝配流水線相應(yīng)位置，最后機器人完成裝配并移入成品庫。

圖2 任務(wù)流程圖

2 工件信息采集處理及應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)選用信捷公司的X-sight SV4-30ml 智能視覺傳感器，用X-sight軟件進行工件學習并獲得工件的類型、中心點坐標和擺放角度[4]。

圖3 所示為需要識別抓取和裝配的工件，分別為機器人關(guān)節(jié)底座、電機模塊、諧波減速器和輸出法蘭。由于1號工件較高，正常擺放時相機拍攝圖像如圖4（a）所示，擺放較偏時如圖4（b）所示，對比可以看出圖4（b）有明顯畸變，這樣相機軟件計算出的中心點會有偏差。為了解決此問題，采用光斑法分別學習2 個小圓點的坐標如圖4（c）所示，分別為（x1，y1）和（x2，y2），那么工件中心點的坐標物品角度根據(jù)上述公式自行編寫腳本程序求中心點坐標和角度，程序如下。實踐證明，這種方法能有效解決圖像畸變引起的誤差，抓取正確，保證裝配精度。

圖3 需要識別抓取和裝配的工件

圖4 1號工件圖像

腳本程序

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理

主控PLC S7-1200 采用西門子博途V14 版本平臺內(nèi)嵌的MODBUS—TCP庫函數(shù)實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，PLC以主機的身份通過MODBUS—TCP 協(xié)議讀取相機的數(shù)據(jù)[5]。通訊程序塊如圖5所示。通信獲得的工件中心點坐標需轉(zhuǎn)換成機器人坐標，以便機器人抓取工件。坐標轉(zhuǎn)換主要分3步，具體如下。

圖5 通信程序

（1）相機得到的中心點坐標是像素值，要進行圖像坐標處理，把像素值轉(zhuǎn)換成位移坐標值。具體方法：取一工件，用標尺測量出工件實際長度（如70 mm），然后將工件置于相機拍照區(qū)內(nèi)，測量出該工件的像素點長度（135 個像素點），則比例系數(shù)=工件長度/工件像素點=70/135=0.52，那么像素值乘以系數(shù)0.52算出中心點的位移坐標值。

（2）把第一步得到的位移坐標值換算成以托盤中心為原點的坐標值。由于像素的原點和托盤的右上角重合，所以只要坐標平移即可。

（3）在抓取位機器人示教托盤中心點（托盤右上角有導角，示教點不明顯，才示教易找的托盤中心點，因此有第二步的坐標平移），加上第二步的偏移就得到機器人抓取點坐標。坐標轉(zhuǎn)換程序如下。

值得注意的是工件高度不一致，焦距就不一致，坐標轉(zhuǎn)換的比例系數(shù)會發(fā)生變化，所以要測量每個工件的比例系數(shù)，避免誤差，保證裝配精度。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

賽項的主要任務(wù)是工件抓取并裝配，實則就是機器人對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用。機器人根據(jù)工件中心點坐標和角度值抓取，判斷工件類型完成裝配[6]。

裝配流水線由裝配工位、備件庫和成品庫3 部分組成，其中裝配工位從左到右分別放置4種工件，1號位兼成品組裝位，每工位裝有氣缸對工件二次定位。備件庫存放2、3 和4號備件；成品庫存放成品和1 號備件。具體分布如圖6 所示。圖中工位較多且偏移固定，一般參賽隊伍使用機器人碼垛指令。碼垛指令主要分兩步，第一在示教器上設(shè)置偏移，第二在示教器觸摸屏上手寫輸入碼垛程序，這種方法本質(zhì)就是機器人的控制器根據(jù)偏移計算坐標?？紤]到碼垛程序多輸寫慢，主控PLC來計算坐標。

具體方法以備品庫為例，先機器人示教2 號位得到坐標（x，y），而3號位相對2號的偏移是（140 mm，110 mm），主控只需2 條指令就可求出3 號位坐標，分別為："GVL".giRX1:=#x-#140;"GVL".giRY1:=#y-#100。主控計算法比在示教器上操作的碼垛指令方便快捷，事實上此方法也節(jié)省了40 min的比賽時間。

圖6 裝配流水線工位分布

系統(tǒng)采用只要有可組裝工件立即組裝的萬能策略，可應(yīng)對比賽中可能出現(xiàn)的各種隨機順序，也鍛煉了選手的編程能力，流程如圖7所示。另外，采用先進后出的堆棧原理存取工件，減少工件移位，提高速度。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試中有個很重要的誤差——左右原點誤差，是大賽中很多隊伍裝配不成功的主要原因。裝配流水線是步進電機控制，而原點設(shè)在中間位（G8 工位），裝配時會產(chǎn)生左右原點，引起裝配誤差。而擋片寬度不足0.5 cm，裝配時大部分順時針運動（G7 工位到G8 工位）偶爾逆時針（G9 工位到G8 工位）改變原點，且這時抓取的是識別誤差最大的1 號工件，所以不易發(fā)現(xiàn)此誤差。為解決該問題，團隊采用了3種方案，具體如下。

（1）博途軟件中只能設(shè)置左或者右原點，在程序中利用參"Axis".Homing.ApproachDirection 改變設(shè)置，實現(xiàn)順時針運動時設(shè)置右原點，而逆時針時設(shè)置左原點，從而保證原點相同。程序如下：

（2）根據(jù)擋板的寬度計算左右原點相差的脈沖數(shù)，在程序中補償。

（3）回原點時不回到0 而是回到負數(shù)，人為把逆時針運動變成順時針運動，保證原點一致。

實踐證明，以上幾種方案都可行。

4 大賽發(fā)展方向

（1）目前比賽時有1個組裝位，今后可以3個或2個組裝位，非組裝位可規(guī)定或不規(guī)定存放某類工件。

（2）添加快換接頭，機器人根據(jù)工件的類型，判斷回抓取位過程中是否更換手爪，這樣復雜機器人的運動軌跡，充分挖掘機器人能力，也可以增加工件種類，實現(xiàn)更復雜的裝配。

（3）在AGV 機器人上添加無線通訊模塊，由主控控制AGV，使AGV并網(wǎng)。

（4）增加運輸路線，成品由AGV機器人運送至立庫然后入庫。

（5）采用產(chǎn)線不停拍照，增加廢品檢測，相機檢測到廢品后，主控通知立庫立即補貨。

5 結(jié)束語

本文重點介紹了圖像畸變處理、坐標轉(zhuǎn)換、主控中心點計算法和裝配策略等提高精度和速度的關(guān)鍵技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用在今后的技術(shù)研究和大賽指導中。同時，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗及賽后總結(jié)，預(yù)測了大賽未來的發(fā)展方向，做到以賽促教、以賽促學、以賽促研、教學相長，培養(yǎng)機器人技術(shù)應(yīng)用人才，服務(wù)地方經(jīng)濟建設(shè)[7-8]。