胡 仰 溫秀蘭* 倪浩君 李子康 趙藝兵

（南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211167）

隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，單臂工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)，替代人工完成鑄造、焊接、沖壓和碼垛等操作。但是在一些需要精細裝配、精細操作的實際應(yīng)用場景上會遇到很大的障礙。為了適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜性以及操作精度提高的要求，由兩個單臂組成的雙臂機器人相互協(xié)作、相互配合的去完成某種作業(yè)的需求越來越大。同時雙目的加入使雙臂機器人的末端位姿能被實時監(jiān)測到，保證協(xié)作抓取過程中的準確與高效，能夠適應(yīng)更多樣化的環(huán)境，減少技術(shù)工人的工作量，提高生產(chǎn)加工的效率。

目前，國外發(fā)達國家在雙臂機器人領(lǐng)域取得重大突破[1]，國內(nèi)有關(guān)雙臂機器人研究也得到了穩(wěn)步推進，已有一系列關(guān)于雙臂協(xié)作機器人的理論與實踐研究[2-3]。本文設(shè)計的機器人可以實現(xiàn)多個不規(guī)則零件的識別與定位，并通過雙臂協(xié)作控制算法實現(xiàn)待裝配工件的組合裝配。通過對機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、工件識別與定位、雙臂協(xié)作抓取運動控制，實現(xiàn)了一種實時工件定位、抓取、協(xié)作裝配的雙目雙臂協(xié)作機器人設(shè)計，適用于復(fù)雜任務(wù)與精細操作任務(wù)要求，順應(yīng)工業(yè)4.0 與中國制造2025發(fā)展的新時代要求。

1 方案設(shè)計

機器人功能結(jié)構(gòu)由操作層、控制層和運動層三部分組成，如圖1所示。其中操作層完成工件信息、協(xié)作抓取和末端位姿監(jiān)測的功能；控制層包括樹莓派4B對工件輪廓與位置信息的識別與標定，通信模塊的傳遞，STM32對舵機運動信息的處理，來控制各自由度舵機轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)雙臂的協(xié)作控制；運動層完成控制功能的實現(xiàn)。在完成一只機械臂對一個工件的抓取后，另一只機械臂會對另一待裝配工件進行抓取及裝配，實現(xiàn)雙臂協(xié)作抓取裝配任務(wù)。上位機通過調(diào)用雙目攝像頭，實時監(jiān)測協(xié)作裝配環(huán)節(jié)，并反饋各自由度舵機的轉(zhuǎn)動過程中由于振動產(chǎn)生的偏差值。在針對不規(guī)則工件時，借助OpenCV視覺庫中的輪廓識別方法來實現(xiàn)不規(guī)則工件的定位，效果顯著。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

機器人硬件由主控制器、舵機控制板、總線舵機、雙目攝像頭、力矩壓力傳感器和末端機械手等組成。主控制器采用樹莓派4B，舵機控制板使用STM32F1，總線舵機采用LDX-227和LDX-180。雙目攝像頭采用S1030-IR-120/Mono小覓攝像頭，深度分辨率為60fps。傳感器采用LZ-N7靜態(tài)扭矩傳感器和SBT674圓柱形壓力傳感器。

舵機控制板借助AD軟件自行設(shè)計繪制而成，其主控芯片采用STM32F103ZGT6，拓展出32路I/O口供舵機連接，同時加裝了外部FLASH緩存用于存儲上傳的動作組文件。上位機通過USB線和舵機控制板上的Micro-USB連接，由CH341芯片負責(zé)USB與STM32串口UART之間的通信，在上位機設(shè)置正確的端口號與波特率即可進行實時舵機控制以及動作組的燒錄。

2.2 軟件設(shè)計

機器人軟件系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。上位機主要實現(xiàn)機器人的舵機控制、識別定位、協(xié)作抓取和實施監(jiān)測四大實驗功能，由QT語言編寫，主要由操作界面程序、串口程序、舵機程序以及接口程序構(gòu)成。在舵機控制實驗中，操作人員可以在操作界面上通過拖動舵機拖動條，例如“舵機ID：1”右側(cè)滑動條，即可實現(xiàn)對左機械臂一號舵機控制，其控制范圍為0～2700。當點擊舵機復(fù)位按鈕，該按鈕會調(diào)用示教還原算法來恢復(fù)舵機上電時的初始值。操作人員還可通過動作組控制模塊來實現(xiàn)左、右機械臂的連貫動作演示。

識別定位實驗如圖2所示，在該實驗中，通過選擇攝像頭的端口并正確連接后，操作人員可以進行一系列標定方法與圖像處理方法的研究，下圖為不規(guī)則工件的邊緣檢測前后對比圖，發(fā)現(xiàn)邊緣檢測算法能較準確的將不規(guī)則工件的輪廓勾勒出。

圖2 識別定位實驗界面

3 實物模型搭建及功能測試

該機器人的實物模型如圖3所示，機器人機械部分由左機械臂、右機械臂和雙目攝像頭三部分組成。左、右機械臂各由六個舵機通過連接件固定在各自的底盤裝置上。雙目攝像頭連接著可折疊的攝像頭支架，其高度與角度是可調(diào)節(jié)的，左、右機械臂為對稱式安裝結(jié)構(gòu)，其連接件大小尺寸完全一致。

圖3 實物模型圖

在組合裝配測試中，如圖所示的待抓取組合工件為無螺紋的螺桿和套筒組成，其組合時有一定的間隙。在組合時，在不影響右機械臂運動的前提下，左機械臂會抓取套筒至一定高度；隨后，右機械臂抓取螺桿至另一位置處；最后，左、右機械臂在桌面指定位置處完成組合裝配任務(wù)，并回到初始位置，等待其他待組合工件的請求，有極高的成功率。

在機械臂末端位姿實時監(jiān)測功能測試中，借助OpenCV視覺庫來對特定形狀的機械手背部形狀進行跟蹤會存在一定的抖動，這是由于實時邊緣檢測算法受光反射、折射與漫反射的影響，所以該機器人需工作在光線充足的環(huán)境中。

4 結(jié)論

本文研發(fā)了一種能夠?qū)ぜ崟r定位、抓取、協(xié)作裝配的雙目雙臂協(xié)作機器人。該機器人采用STM32和Raspberry4B作為主控單元，用OpenCV視覺庫進行實時圖像處理，上位機用QT語言編寫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多個不規(guī)則零件的識別與定位、協(xié)作抓取和實時監(jiān)測，而且用戶界面友好，便于推廣應(yīng)用，實驗結(jié)果證實了設(shè)計方案的可行性。