基于視覺導向的機械手設計與研究

曹宇杰

（上海電力學院，上海200090）

0 引言

隨著科技的不斷發展應用，各種可以代替人工的機械設備進入到工業生產和家庭生活中，機械手作為代替人工操作、提高生產效率的典型作品，已經廣泛應用于各種工業生產。現在市面上主要的機械手從結構上大體可以劃分為串聯機械手和并聯機械手兩種，而串聯機械手從結構上來講十分簡單，相對運動范圍也比較廣；而并聯機械手則有著準度較高，速度較快的特點，適用于醫療等方面。

1 Delta結構概述

在機器人技術日漸成熟的今天，各種機械架構層出不窮，而Delta結構就是并聯架構中可以實現在空間內三自由移動的技術之一。相對于其他架構來說Delta結構通過運動學的逆運算配合機器各部件的結構計算出三個電機獨自運作的角度、速度等參數，由此可見，這種并聯的結構擁有并行操作、速度快的優勢，同時它因為有三個電機所以承載能力也比較強，抓取的精度也比較高，所以運用Delta技術可以在工作中實現較為精準的操作，目前其已經廣泛應用于食品工藝、藥品制造、包裝和電子元件制作的各個生產環節，通過并行操作準確、快速地實現抓取、擺放等操作。

2 機械手的設計方案

筆者經過對各項技術的綜合分析，最后決定用Delta技術設計一套可以實現智能拾取功能的并聯結構機械手，利用視覺導向技術讓機械手擁有自主識別功能，初步計劃用高清攝像機獲取機械手運動軌跡中的實時圖像并上傳到中控系統，由中控系統完成相應的識別操作并進行定位，最后發送指令給機械手完成最終的抓取和釋放操作。在機械手的設計中主要系統由以下四方面實現：執行模塊、中控系統、設備驅動和視覺傳感系統，所以暫定需要光源、視頻采集卡、攝像頭、PC工作站和圖像處理軟件幾項來進行測試和模擬。

機械手的模型以現有的Delta直線型機械手為主，在三個塔柱上安裝滑車，滑車的動力通過步進電機拉動傳送帶提供，而動平臺的從動臂桿需要保持相對平行，用來保證動平臺的運動是平行的。定位組件采用現有的VBAI組件，這個組件可實現快速處理目標圖像的功能，通過處理目標的灰度信息來進行距離的厘定，在數據庫中匹配相似的模板，之后通過建立坐標軸和以坐標等為目標進行三維的定位操作。抓取放置等操作的實現通過夾取裝置來配合中控系統下發的各項操作命令根據單片機中提前設置的運動軌跡完成。在后續的設計中，夾取裝置還可以通過在中控系統的數據庫內對不同目標進行優先級的編排，根據系統的設定按照次序進行抓取操作。

3 機械手運動的分析

機械手運動的簡易示意圖如圖1所示。

圖1 機械手運動示意圖

由于Delta結構三個從動臂的相對受力和運動情況相同，所以在分析中只考慮Z軸即可。由于圖中各推桿的長度是固定不變的，假設推桿的長度為C，那么軸坐標A，Z軸到動平臺中心的距離B可以穩定成一個直角三角形。因為C2=A2+B2，假設滑車運動了a，那么動平臺的中心就會運動b，此時可以得到C2=（A-a）2+（B+b）2，具體的變化過程如圖2所示。

圖2 以Z軸為例的攝影圖

4 視覺系統的相關設計

在建立好三維坐標后，需要視覺系統把觀察到的坐標通過傳感器傳到控制器中獲取拾取和釋放操作的命令，其大致工作流程如下：首先需要建立一個攝像機的模型，對應坐標系中幾個觀察點與現實中觀察點的關系，方便圖像采集和定位操作，然后進行圖像采集并傳送給中控系統；其次要進行圖像的處理操作，通過攝像頭獲得的圖像解析出相對應的三維坐標，同時完成對進行操作的目標進行識別和判斷；最后對機械發出控制的命令，通過控制器給出釋放和夾取操作信號，同時對處理結果進行實時反饋，如果結果有誤差及時進行修正處理。

5 控制系統的相關設計

在對機械手的控制系統進行設計時，要用到計算機作為控制和處理中心，將處理步驟等燒制到單片機上，在單片機中對步進電機、視覺系統、伺服電機和電源系統進行數據的處理。并給出控制命令的操作。

視覺系統由機械手上的攝像頭和采集卡，計算機上的圖形處理軟件、上位機等組成，這樣可對采集到的圖像進行快速處理和識別，完成將三維物體迅速定位到坐標系中的操作。此時中控系統通過計算結果對三個步進電機進行控制操作，在控制中實時獲取視覺系統的信息來判斷操作是否有誤，對后續的處理和計算操作進行更正。而最終機械手的實現部分由夾取裝置來完成，通過中控系統給出的各種運動參數來控制角度和方向。另外，中控系統還負責電源的控制和照明的提供，以防環境亮度較低時不能準確計算出相對坐標。

6 工作站系統數據庫的相關設計

在機械手設計初步完成后，要在工作站完成相應的軟件和數據庫設計，實現通過終端上的應用程序發出指令，中控系統接到指令后安排機械手完成相應操作的功能。

在工作站數據庫的設計中，首先分為以下幾部分來進行表結構的設計：

第一，建立用來存儲視覺傳感系統傳回的影像、照片信息的存儲空間，為視覺導向系統進行分析打好基礎；

第二，建立虛擬坐標系各參數的存儲表，將不同計算公式、數據字典設置好，一旦系統完成了對圖像的分析操作，可以及時建立數據庫完成相應計算，有利于中控系統對目標進行快速定位，為之后下發抓取、釋放命令做好鋪墊；

第三，建立下發命令的記錄表，這個表可記錄由工作站下發的所有命令，同時將命令轉換為坐標系中需要達成的參數，這樣中控系統就做到了有據可依，也可根據這張表查詢對機械手下達命令的歷史記錄，一旦測試發現問題可以進行快速定位；

第四，建立參數設置備份表，在測試機械手性能時可能會有一些失誤操作，通過給機械手下達錯誤的指令、錯誤的換算關系、錯誤的目標識別維度，導致其不能正常工作，一旦出現這些問題，利用這張表可以實現數據的回滾操作，恢復工作站上一次為機械手創建的正確配置，這樣就可以在測試中不斷完善機械手的功能。

7 結語

筆者基于以上方案進行設計與開發，制作出了基于視覺導向的機械手樣機，并對樣機的各項性能進行了測試，結果表明，樣機抓取速度較快，最快可達285 mm/s，最大加速度可達220 mm/s2，灰度測試正常，坐標軸各方向定位精度平均為0.8 mm，能較準確地識別物體，識別率為95%。從樣機測試來看，機械手基本可以實現目標，但想要應用在工業生產中，還需要提高速度和識別度，這就需要在后期的研發中優化和更新圖像處理算法，同時不斷完善單片機程序，以達到優化作業路徑、加快夾取速度的目的。