陳潔濤 陳煥樂 譚炯鈺 蔣曉明

開發(fā)設(shè)計(jì)

面向瓷磚拼花的機(jī)器人末端執(zhí)行器及吸附點(diǎn)規(guī)劃算法*

陳潔濤1陳煥樂1譚炯鈺1蔣曉明2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006 2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

針對(duì)當(dāng)前瓷磚拼花行業(yè)依賴人工及瓷磚部件形狀各異、尺寸差別明顯的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)一種面向瓷磚拼花的機(jī)器人末端執(zhí)行器及吸附點(diǎn)規(guī)劃算法，提出多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)和基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點(diǎn)位優(yōu)化規(guī)劃算法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的可行性以及對(duì)不同形狀尺寸瓷磚部件的適應(yīng)性。

機(jī)器人；多吸附點(diǎn)；可調(diào)吸附點(diǎn)；真空吸附；瓷磚拼花

0　引言

瓷磚拼花是通過水刀把瓷磚切割成不同的部件后，再將不同材質(zhì)、形狀、尺寸的瓷磚部件拼接成一塊完整的拼花瓷磚過程。瓷磚部件拼接是核心工藝之一。目前，瓷磚部件拼接采取純手工方式，存在拼接效率低、質(zhì)量無法保證等問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)瓷磚的自動(dòng)化拼接成為趨勢(shì)[1-2]。同時(shí)，瓷磚部件的自動(dòng)化拾取和放置引起廣泛關(guān)注和研究。

平整規(guī)則部件的拾取和放置常采用真空吸附方式。對(duì)于大型部件，可布置多個(gè)固定吸盤。但瓷磚部件形狀各異，尺寸差異較大，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器需具備良好的形狀和尺寸差異適應(yīng)能力，吸附點(diǎn)的機(jī)構(gòu)及算法可自適應(yīng)調(diào)整[3-4]。

為此，本文設(shè)計(jì)面向瓷磚拼花的機(jī)器人末端執(zhí)行器及吸附點(diǎn)規(guī)劃算法，通過同步帶實(shí)現(xiàn)3個(gè)吸附點(diǎn)位置調(diào)整的機(jī)器人末端執(zhí)行器——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置，并提出多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)和基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點(diǎn)位置優(yōu)化規(guī)劃算法[5-6]。

1　可調(diào)節(jié)真空吸附裝置

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)、3個(gè)真空吸盤、3個(gè)滑塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、1條同步帶、1個(gè)同步帶輪、2個(gè)齒形惰輪、3個(gè)惰輪、上機(jī)架和下機(jī)架等組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 可調(diào)節(jié)真空吸附裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 可調(diào)節(jié)真空吸附裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的下機(jī)架設(shè)有3個(gè)呈120°分布的支架臂，每個(gè)支架臂上設(shè)有滑塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，真空吸盤設(shè)置在裝置中心TCP和滑塊底部。2個(gè)齒形惰輪和3個(gè)背面張緊型的惰輪將同步帶進(jìn)行張緊導(dǎo)向，使其與3組滑塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向分別平行，滑塊均固定在同步帶上。由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶輪和同步帶與滑塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，沿著裝置中心TCP方向調(diào)整吸附點(diǎn)。對(duì)于尺寸較小的部件，采用單個(gè)吸盤吸附；對(duì)于尺寸較大的部件，則采用多個(gè)不同組合的吸附點(diǎn)共同完成吸附。

2　多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)

多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)PC、工業(yè)機(jī)器人、可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和可編程邏輯控制器PLC等組成，用于控制機(jī)器人，執(zhí)行相應(yīng)的拾取和放置操作。多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)框圖

工業(yè)機(jī)器人末端與可調(diào)節(jié)真空吸附裝置相連。在瓷磚拼花過程中，首先，工業(yè)相機(jī)拍攝瓷磚部件照片；然后，工控機(jī)PC進(jìn)行圖像處理和吸附點(diǎn)規(guī)劃，將機(jī)器人末端姿態(tài)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，并將吸附點(diǎn)調(diào)節(jié)所需的步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)和真空吸盤啟停所需的I/O信號(hào)發(fā)送給可編程邏輯控制器PLC；最后，發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整可調(diào)節(jié)吸附點(diǎn)的位置。

工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)相機(jī)分別與工控機(jī)PC通過TCP/IP以太網(wǎng)連接；可編程邏輯控制器PLC與工控機(jī)PC通過RS485串口連接；壓力傳感器、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等與可編程邏輯控制器PLC連接。其中，壓力傳感器監(jiān)測(cè)真空壓力的大小進(jìn)而判斷真空吸盤吸附狀態(tài)；電磁閥控制真空發(fā)生器的氣流通斷；步進(jìn)電機(jī)調(diào)整可調(diào)節(jié)吸附點(diǎn)的位置。

3　多吸附點(diǎn)位優(yōu)化規(guī)劃算法

3.1　評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)要滿足不同部件的吸附需求，還需設(shè)計(jì)與裝置匹配的多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法，其中吸附穩(wěn)定性至關(guān)重要[7-8]。本文以無內(nèi)輪廓的平面部件為例，吸附穩(wěn)定性由3個(gè)可調(diào)節(jié)吸附點(diǎn)形成的三角形外接圓半徑來評(píng)價(jià)。若部件平面面積大多在外接圓內(nèi)，可減少在吸附過程中部件重量對(duì)吸盤組的傾覆力矩，即吸盤組的多吸附點(diǎn)離質(zhì)心越遠(yuǎn)，吸附越穩(wěn)定[9-10]。吸附穩(wěn)定性可描述為

式中：

——可調(diào)節(jié)吸附點(diǎn)形成的三角形外接圓的半徑；

——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置中心TCP與部件質(zhì)心之間的距離。

在不考慮可調(diào)節(jié)真空吸附裝置中心TCP和部件質(zhì)心偏置的情況下，可將公式(1)簡(jiǎn)化為公式(2)：

由于部件形狀各異，本文以部件質(zhì)心為中心，繪制半徑為的最小外接圓以描述部件平面空間的大小；再將吸附點(diǎn)離質(zhì)心的距離和部件外接圓半徑的比值與可行的吸附點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行加權(quán)，得到穩(wěn)定性優(yōu)化函數(shù)：

式中：

——由部件質(zhì)心與尺寸決定。

3.2　算法流程

多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法流程圖如圖4所示。

圖4 多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法流程圖

1）利用工業(yè)相機(jī)拍攝部件圖像，并通過OpenCV算子對(duì)圖像進(jìn)行濾波和二值化等預(yù)處理，分割出部件圖像的形狀和背景；

2）在工控機(jī)PC上利用findContours()函數(shù)檢測(cè)并提取部件輪廓，計(jì)算其輪廓矩，判斷是否存在內(nèi)輪廓，計(jì)算單一輪廓或鏤空輪廓的輪廓矩和質(zhì)心點(diǎn)；

3）以圓形結(jié)構(gòu)元素對(duì)輪廓進(jìn)行腐蝕，將外輪廓向內(nèi)偏置（內(nèi)輪廓向外偏置）一個(gè)安全距離，即略大于一個(gè)真空吸盤的半徑，獲得部件的可吸附區(qū)域；

4）給輪廓做外接最小矩陣，通過比較矩陣的長(zhǎng)寬與可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的最小吸附范圍的大小，確定采用三點(diǎn)規(guī)劃模式還是兩點(diǎn)規(guī)劃模式。

圖5 三點(diǎn)規(guī)劃模式

兩點(diǎn)規(guī)劃模式如圖6所示。給偏置后的輪廓建立AABB包圍盒，以輪廓中心點(diǎn)為中心，遍歷在可吸附范圍內(nèi)的輪廓點(diǎn)，設(shè)為點(diǎn)；以點(diǎn)和點(diǎn)作直線，找出與包圍盒相交的兩點(diǎn)1和2；從2點(diǎn)往點(diǎn)遍歷找出在可吸附范圍內(nèi)離點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)，從而找出最佳吸附點(diǎn)點(diǎn)和點(diǎn)。對(duì)于可吸附范圍小于min的部件輪廓，可只采用點(diǎn)為吸附點(diǎn)。

圖6 兩點(diǎn)規(guī)劃模式

4　實(shí)驗(yàn)

可調(diào)節(jié)真空吸附裝置的可調(diào)節(jié)吸附點(diǎn)范圍在距離裝置中心TCP的50 ～ 140 mm，可滿足大部分瓷磚部件的吸附需求。實(shí)驗(yàn)選取部分常見的具有代表性輪廓的瓷磚部件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如尺寸差異大、細(xì)長(zhǎng)或含內(nèi)輪廓的瓷磚部件。

對(duì)一些常規(guī)輪廓、細(xì)長(zhǎng)輪廓以及含有多個(gè)內(nèi)部輪廓的瓷磚部件進(jìn)行多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃的仿真測(cè)試，結(jié)果顯示在吸附范圍內(nèi)可根據(jù)部件輪廓計(jì)算出質(zhì)心并找出多個(gè)分布較遠(yuǎn)的吸附點(diǎn)，如圖7所示。

(a) 瓷磚部件輪廓 (b) 瓷磚部件可吸附區(qū)域 (c) 吸附點(diǎn)分布示意圖

實(shí)驗(yàn)采用IRB2600六自由度機(jī)器人、MER-2000- 19U3M相機(jī)對(duì)部分尺寸、形狀不一的瓷磚部件進(jìn)行吸附拾取實(shí)驗(yàn)，其中瓷磚部件隨機(jī)擺放在背光板上，工業(yè)相機(jī)置于背光板正上方。

(a) 多吸附點(diǎn)規(guī)劃結(jié)果 (b) 機(jī)器人吸附瓷磚部件

表1 瓷磚部件吸附參數(shù)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)不同尺寸的瓷磚部件進(jìn)行針對(duì)性分析：2、3、4號(hào)瓷磚部件，最大吸附穩(wěn)定性max= 5；1、6號(hào)細(xì)長(zhǎng)形瓷磚部件，最大吸附穩(wěn)定性max= 3；尺寸小于裝置可吸附范圍的5號(hào)瓷磚部件，采用單點(diǎn)吸附，穩(wěn)定性依賴于是否對(duì)瓷磚部件的質(zhì)心進(jìn)行吸附。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：首先，瓷磚部件的吸附穩(wěn)定性趨于最優(yōu)，在忽略瓷磚部件形狀和尺寸對(duì)吸附穩(wěn)定性的影響下，說明多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法所得的吸附點(diǎn)分布可達(dá)到穩(wěn)定性最優(yōu)；然后，可調(diào)節(jié)真空吸附裝置及所提出的多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法適用于大部分瓷磚部件的輪廓，其自適應(yīng)性和可行性也得到驗(yàn)證；最后，實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)瓷磚部件的輪廓規(guī)劃出吸附點(diǎn)，并讓機(jī)器人對(duì)背光板上隨機(jī)擺放的瓷磚部件進(jìn)行吸附，說明多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)的可行性。

5　結(jié)論

本文針對(duì)形狀各異、尺寸差別明顯的瓷磚拼花部件的自動(dòng)化拾取和放置，提出一種可調(diào)節(jié)真空吸附裝置和多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)，并提出一種基于吸附抓取穩(wěn)定性最優(yōu)的多吸附點(diǎn)優(yōu)化規(guī)劃算法。

通過瓷磚部件仿真以及機(jī)器人吸附瓷磚部件實(shí)驗(yàn)，面向瓷磚拼花的機(jī)器人末端執(zhí)行器及吸附點(diǎn)規(guī)劃算法能滿足不同瓷磚部件的自適應(yīng)吸附需求，同時(shí)驗(yàn)證了機(jī)器人末端執(zhí)行器——可調(diào)節(jié)真空吸附裝置、多吸附點(diǎn)規(guī)劃優(yōu)化算法和多點(diǎn)吸附控制系統(tǒng)的可行性，對(duì)常見輪廓、含內(nèi)輪廓等特征和細(xì)長(zhǎng)輪廓等不同瓷磚部件具有較好的適應(yīng)性，且能達(dá)到吸附穩(wěn)定性最優(yōu)。

[1] 張浩.視覺引導(dǎo)的機(jī)器人平面拼圖關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2018.

[2] KEVIN T , ABDUL-RAHMAN E S , MOHAMMADALI S , et al. State of the art robotic grippers and applications[J]. Robotics, 2016,5(2):11-30.

[3] 高銳,張偉,王勇.結(jié)構(gòu)用集成材自動(dòng)上下料裝置真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào),2021,6(2):126-132.

[4] 張艷朋,胡建,葛麗敏,等.一種鉛錠搬運(yùn)機(jī)器人真空吸附夾具的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓,2016,44(5):142-145.

[5] 司震鵬,曹西京,姜小放.真空吸附式機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械,2009,27(6):26-30.

[6] MANTRIOTA G. Optimal grasp of vacuum grippers with mul-tiple suction cups[J]. Mechanism & Machine Theory, 2006, 42(1):18-33.

[7] 趙維福.龍虱吸盤的仿生學(xué)特性及其真空吸盤組的仿真模擬研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2006.

[8] TAYLAN Atakuru, EVREN Samur. A robotic gripper for picking up two objects simultaneously[J]. Mechanism and Ma-chine Theory, 2018,121:583-597.

[9] SDAHL M, KUHLENKOETTER B. CAGD-computer aided gripper design for a flexible gripping system[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2008,2(2):135-138.

[10] MOTZKI P, KUNZE J, HOLZ B, et al. Adaptive and energy efficient SMA-based handling systems[C]//Spie-active & Passive Smart Structures & Integrated Systems. International Society for Optics and Photonics, 2015.

Robot End Effector and Adsorption Point Planning Algorithm for Tile Mosaic

CHEN Jietao1CHEN Huanle1TAN Jiongyu1JIANG Xiaoming2

(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China 2. Institute of Intelligent Manufacturing, Guangdong Academy of Science, Guangzhou 510070, China)

In view of the challenge that the current tile mosaic industry depends on manpower and tile parts with different shapes and sizes, a robot end effector and adsorption point planning algorithm for tile mosaic are designed, and a multi-point adsorption control system and a multi-point adsorption point optimization planning algorithm based on the optimal adsorption grasping stability are proposed. Experiments verify the feasibility of the algorithm and its adaptability to ceramic tile parts with different shapes and sizes.

robot; multiple adsorption points; adjustable point; vacuum adsorption; tile mosaic

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015B090922003）

陳潔濤,陳煥樂,譚炯鈺,等.面向瓷磚拼花的機(jī)器人末端執(zhí)行器及吸附點(diǎn)規(guī)劃算法[J].自動(dòng)化與信息工程, 2022,43(1):33-37.

CHEN Jietao, CHEN Huanle, TAN Jiongyu, et al. Robot end effector and adsorption point planning algorithm for tile mosaic[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(1):33-37.

陳潔濤，男，1994年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器視覺、智能制造。E-mail: 630502426@qq.com

蔣曉明（通信作者），男，1973年生，博士，副研究員，主要研究方向：電力電子裝備技術(shù)。E-mail: xm.jiang@giim.ac.cn

TP242.2;TP391.41

A

1674-2605(2022)01-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.01.006