李開陽

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550008）

1 前言

在《中國制造2025》提出之后，中國制造業(yè)已經(jīng)朝著智能化時代方向不斷發(fā)展。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，機器人集中了自動化技術(shù)、信息技術(shù)等各種技術(shù)，2020年，我國工業(yè)機器人總量已經(jīng)超出100萬臺。在工程領(lǐng)域中，工業(yè)機器人需要大量具備機器人應(yīng)用能力以及操作技術(shù)人才提供支撐，我國各大高校陸續(xù)開設(shè)機器人專業(yè)以及相關(guān)技術(shù)課程。所以，需要充分考慮現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，在工程課程體系中充分引進機器人實訓(xùn)項目，充分創(chuàng)新工程教育，為新工科建設(shè)提供服務(wù)。

工程訓(xùn)練活動主要以實踐活動為主，借助訓(xùn)練充分提高學(xué)生工程素質(zhì)。所以，需要不斷增加學(xué)生實踐學(xué)時的比重，為所有學(xué)生提供良好實操平臺與機會。但是，機器人和相關(guān)配套設(shè)備采購成本高，一些地方高校的實訓(xùn)中心工業(yè)機器人采購數(shù)量較少，無法保證所有學(xué)生獲得良好獨立操作機會[1]。而Delta工業(yè)機器人為輕載、高速并聯(lián)機器人，通常借助視覺系統(tǒng)以及示教編程完成目標(biāo)物體捕捉人物，通過3個伺服軸（并聯(lián)）對TCP空間位置進行確定，以搬運、加工目標(biāo)物體，在電子產(chǎn)品、藥品、食品等行業(yè)裝配、包裝作業(yè)環(huán)節(jié)具有廣泛應(yīng)用。

基于Syamac Studio軟件的Delta工業(yè)機器人平臺，借助NJ控制器中EtherCAT通信端口，有效保證伺服驅(qū)動器、控制器和圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率，并提高控制精度，可以對快速移動工件進行準(zhǔn)確、在線拾取。另外，因為控制一體化，促使編程語言更加統(tǒng)一，以維護與開發(fā)角度分析，充分強化維護性與實時性。同時借助Syamac Studio軟件，通過簡單設(shè)定即能夠合理配置伺服、網(wǎng)絡(luò)、控制器和其他設(shè)備，借助內(nèi)部功能塊就能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜條件下運控目標(biāo)，同時可以借助NS對仿真功能與模擬功能進行統(tǒng)合處理，充分保證程序調(diào)試效率。在實際現(xiàn)場中，借助標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器，就能夠?qū)刂破骱同F(xiàn)場設(shè)備展開快速、便捷連接，所以兩者有機結(jié)合能夠充分將實際教學(xué)中Delta工業(yè)機器人應(yīng)用價值發(fā)揮出來。

現(xiàn)階段，我國工業(yè)機器人實驗平臺，一般以機器人運行原理和組成結(jié)構(gòu)的介紹為主，還有串聯(lián)工業(yè)機器人的編程示教，基本上不會涉及機器人實際應(yīng)用技能與知識。而本文建立的機器人實驗平臺能夠?qū)Σ煌⒙?lián)機器人的應(yīng)用展開靈活實驗，并應(yīng)用機器人分揀技術(shù)機器視覺技術(shù)，可以充分模擬生產(chǎn)現(xiàn)場工況，將學(xué)生學(xué)習(xí)興趣充分激發(fā)出來。

2 工業(yè)機器人實驗平臺構(gòu)建目標(biāo)與技術(shù)支撐

2.1 工業(yè)機器人實驗平臺構(gòu)建目標(biāo)

為了促使機器人學(xué)科教育課程能夠?qū)⒆陨韯?chuàng)新型人才培養(yǎng)模式充分發(fā)揮出來，按照高校教學(xué)改革以及教學(xué)質(zhì)量部署情況，根據(jù)職能系統(tǒng)、模式識別以及控制理論等學(xué)科點，將工業(yè)機器人實驗平臺設(shè)計與建設(shè)作為特色鮮明、一定規(guī)模、開發(fā)共享以及體系完整的人才培養(yǎng)的重要途徑，充分實現(xiàn)計算機科學(xué)、自動化技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新人才與高層次人才的培養(yǎng)，主要目標(biāo)為：①構(gòu)建特色突出的將工業(yè)機器人操作作為多學(xué)科融合、載體的教學(xué)平臺，為計算機、自動化以及其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供良好實驗學(xué)習(xí)平臺。②構(gòu)建重視創(chuàng)新能力、開放、高起點、高標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生科技學(xué)習(xí)平臺，并為教師教學(xué)改革提供良好研究平臺。

進行創(chuàng)新教學(xué)活動，借助融合不同學(xué)科，進行指導(dǎo)模式、教學(xué)機制建設(shè)以及教學(xué)方法改革，構(gòu)建高效、系統(tǒng)、科學(xué)的創(chuàng)新、高素質(zhì)人才培養(yǎng)系統(tǒng)，深入探索素質(zhì)、能力、知識協(xié)調(diào)的人才培養(yǎng)機制，不僅引導(dǎo)學(xué)生掌握豐富的基礎(chǔ)知識，同時具有良好實踐能力[2]。

2.2 技術(shù)支撐

該實驗平臺中一項重要技術(shù)就是機器視覺。（1）圖像處理。機器視覺本質(zhì)主要是對圖像中重要信息進行描述與解釋，核心內(nèi)容就是圖像處理以及識別等。與處理圖像，能夠?qū)⒃紙D像中一些噪聲、干擾等充分消除，促使圖像能夠滿足用戶的期望，在圖像處理中，圖像識別屬于中介階段，本質(zhì)是從圖像至圖像特征之過程，比如點、線以及面。借助特征能夠?qū)D像中物體邊界信息進行提取，借助“面”特征可以對圖像區(qū)域信息進行提取，所有通過圖像特征可以實現(xiàn)圖像識別。（2）攝像頭標(biāo)定?；诖_立圖像像素坐標(biāo)下的一點和該點在3D空間中坐標(biāo)映射關(guān)系。該技術(shù)借助3D空間中已知點和其在圖像坐標(biāo)系中相應(yīng)像素坐標(biāo)，同時根據(jù)3D成像模型進行標(biāo)定計算。其內(nèi)部闡述可以對空間景物和圖像像素點的關(guān)系進行描述，外部闡述可以對機械人坐標(biāo)系中的攝像頭坐標(biāo)系進行描述，兩者共同對3D空間中某點相對2D坐標(biāo)映射關(guān)系進行確定。

3 實驗平臺硬件構(gòu)成

以Delta機器人為例。機器人實驗平臺涵蓋編程設(shè)備、OMRON視覺檢測平臺、4軸Delta機械手、OMRON自動化控制系統(tǒng)。

3.1 OMRON機器視覺檢測系統(tǒng)

主要涵蓋：以FZ3—350 Z為基礎(chǔ)圖像傳感器控制器以及FZ—SC2系列中，200萬像素照相機、相關(guān)通訊電纜、顯示器、光源以及鏡頭等，如圖1所示。

3.2 4軸Deltal機械手

涵蓋4軸Delta機械手的本體以及外圍流水線的機架（涵蓋位置檢測傳感器、電機、變頻器以及旋轉(zhuǎn)編碼器）等

3.3 OMRON自動化控制系統(tǒng)

涵蓋以NJ501-4310CPU機械手為基礎(chǔ)的，專用主機電源、CPU主機模塊、觸摸屏、開關(guān)量輸出/輸入模塊、接線端子、開關(guān)、傳感器、伺服電機、繼電器等附件[3]。

圖1 實驗平臺實物圖

4 工業(yè)機器人運行原理

4.1 Deltal機械手結(jié)構(gòu)

Deltal工業(yè)機器人機械部分涵蓋可動支架、機械臂、固定支架等結(jié)構(gòu)。伺服電機數(shù)量為3臺，對A0、A1以及A2關(guān)節(jié)進行驅(qū)動，進而有效定位活動機架。結(jié)合需求，將選裝頭安裝于活動機架中，借助固定支架中伺服電機，并借助傳動軸對抓具中心轉(zhuǎn)動進行控制，見圖2。

4.2 Deltal機械手動作流程

Delta工業(yè)機器人工作軌跡見圖3。

由任意點A開始向任意點B進行傳送，之后做門型動作，兩點坐標(biāo)分別為：（X1、Y1、Z1）與（X2、Y2、Z2）。其中（X1、Y1、Z1）是Pick位置，（X2、Y2、Z2）是Pleace位置。采用以下方法進行往復(fù)動作：①移動絕對位置，由現(xiàn)階段位置到（X2、Y2、Z2）位置之間移動絕對位置。②（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作，即輸送帶傳輸。由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開門型動作，其中某點（X2、Y2、Z2）主要示意傳輸帶中工件坐標(biāo)，傳輸帶以及機械手同步運動。③（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作，定點間，由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之間展開門型動作。

圖2 Deltal工業(yè)機器人機械手坐標(biāo)系與結(jié)構(gòu)

圖3 Delta工業(yè)機器人工作軌跡

4.3 Deltal工業(yè)機器人機械拾取原理

工業(yè)機器人選擇NJ系列CPU模塊主要使用以下坐標(biāo)系：

（1）軸坐標(biāo)系，ACS。若是固定支架平面和主動臂方向相同，則該位置是0度，其中上側(cè)是負方向，下側(cè)是正方向，各個軸相等。另外結(jié)合該坐標(biāo)系進行軸伺服驅(qū)動器設(shè)定。

（2）機床坐標(biāo)系，MCS。（Xm，Ym，Zm）笛卡爾坐標(biāo)系即MCS，其和ACS轉(zhuǎn)換關(guān)系是確定的。

（3）客戶坐標(biāo)系，UCS。該坐標(biāo)系屬于虛擬坐標(biāo)系，基于視覺坐標(biāo)系、機床坐標(biāo)系中，工件坐標(biāo)統(tǒng)一向客戶坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)化，坐標(biāo)為（Xu，Yu，Zu），便于機械手借助視覺檢測有效拾取傳送帶中移動工件。輸送帶工作方向與客戶坐標(biāo)軸Xu方向相同，原點可以選擇機床坐標(biāo)系進行設(shè)計。按照傳輸帶中MCS坐標(biāo)，即（Xmi，Ymi，Zmi），對客戶坐標(biāo)系和機床坐標(biāo)系之間相對偏角度進行計算，進而對客戶坐標(biāo)系進行確定。通過“FB_3D_Coordinate_Conver”功能塊開展角度計算，通過“MC_DefineCoordSyste”功能塊對坐標(biāo)系進行確定。

視覺傳感器能夠?qū)柚斔蛶魅氲揭曇皡^(qū)域內(nèi)相關(guān)工件進行識別，結(jié)合輸送帶位置對NJ控制程序中視覺觸發(fā)信號進行確定，進而在輸送帶移動規(guī)定長度時，向視覺控制器發(fā)送信號，將視覺拍照功能觸發(fā)。對觸發(fā)時刻的工件攝影坐標(biāo)與傳送帶位置進行確定之后，結(jié)合相關(guān)式子：工件現(xiàn)階段位置=拍攝坐標(biāo)+輸送帶現(xiàn)階段位置-輸送帶觸發(fā)時刻位置，若是通過循環(huán)計算方法獲得的工件現(xiàn)階段位置處于機械手能夠進行抓取的區(qū)域中情況下，將抓取信號發(fā)出，通過計算所獲得工件現(xiàn)階段位置是抓取目標(biāo)坐標(biāo)位置[4]。

5 工業(yè)機械人實驗的功能

5.1 搬運門型物料的實驗

Deltal工業(yè)機器人對目標(biāo)工件進行抓取時，運動軌跡主要是“門”字形。在該系統(tǒng)中點A（）&點B（X2、Y2、Z2）運動軌跡見下圖。其中，點為Pick點，點B為Place點。

圖4 Pick（X1、Y1、Z1）&Place（X2、Y2、Z2）運動軌跡

其中點A是Pick位置，而點B是Place位置，對于點C是動作流程相關(guān)結(jié)束位置。通過視覺處理獲得（X1、Y1、Z1）位置，用戶自由設(shè)定點B位置以及點C位置。在視覺傳感器發(fā)現(xiàn)工件之后，對MC_LinearConveyor指令進行執(zhí)行，傳輸帶和機器人的動作同步，見圖中①與②。在經(jīng)過軌跡目標(biāo)時間之后，若是工件反饋位置和設(shè)定目標(biāo)位置相同，則對MC_SyncOut指令進行執(zhí)行，選擇同步停止手段將同步接觸，見圖中動作③。之后對MC_MoveTimeAbsolute指令進行執(zhí)行，朝著B點位置進行門型動作，若是基于指定時間運行至B點，則機械手TCP向FALSE進行轉(zhuǎn)變，見圖中動作④。再借助C_MoveTimeAbsolute指令的執(zhí)行，移動到C點位置，見動作⑤，此時該動作流程完成。在傳感器發(fā)現(xiàn)另一個工件之后，見動作⑥，機械手對點A展開門型動作，動作原理與①相同，只是點C變?yōu)殚_始位置。對（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）動作進行循環(huán)，在停止指令發(fā)送出來之后，停止循環(huán)動作。

5.2 在線視覺的分揀實驗

選擇視覺方法確定坐標(biāo)，同時對機械手抓取動作進行控制過程中，應(yīng)該對機械手和視覺的坐標(biāo)系進行統(tǒng)一，之后根據(jù)傳送帶的移動距離對觸發(fā)視覺進行間隔，按照循環(huán)計算數(shù)據(jù)，通過機械手對可抓區(qū)域中工件進行抓取。該系統(tǒng)借助視覺處理能夠準(zhǔn)確判斷缺陷、顏色以及形狀合格性，進而決定是否執(zhí)行工件抓取指令，也能夠?qū)α鲃庸ぜM行抓取。另外，對傳輸帶上工件擺放姿勢進行識別，將偏離角度輸出，通過機械手抓取，借助伺服軸的旋轉(zhuǎn)達到定點擺放目的。

6 結(jié)語

綜上所述，Deltal工業(yè)機器人屬于良好實驗平臺，具有高精度與高效等特點，和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展速度緊密結(jié)合，教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程以及實驗，即可以對機器人運行原理進行充分了解與掌握，為學(xué)生未來學(xué)習(xí)以及工作夯實基礎(chǔ)。在該系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)均滿足現(xiàn)階段自動化系統(tǒng)智能化、可重構(gòu)、模塊化以及開放式發(fā)展趨勢，掌握高速網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、計算機以及機器人等技術(shù)，為未來機械人自動化生產(chǎn)活動積累經(jīng)驗，不斷拓展新型產(chǎn)業(yè)中工業(yè)機器人應(yīng)用空間。