一種基于機器視覺的并聯機器人實訓設備設計

徐伊岑 曹小兵

摘 要：隨著制造業智能化的推進，機器視覺與機器人的結合越來越緊密，對相關專業的人才培養要求也越來越高。目前適用于高校教學的此類復合型設備較少，為此利用機器視覺系統、PLC、伺服電機、觸摸屏等開發了一種基于機器視覺的并聯機器人實訓裝置，編制了軟件程序，設計了人機交互界面。該設備可根據預設的象棋排布方案自動抓取棋子并完成排布，具有趣味性與開放性特點。調試結果表明，設備運行穩定，達到了預定的功能要求，該設計思路可為類似設備的研制提供參考。

關鍵詞：機器視覺;并聯機器人;程序;人機交互

0 引言

機器人技術[1]、機器視覺技術[2-3]作為智能制造領域的兩個關鍵技術，其應用越來越廣泛，如何開發出相關的實訓設備，以便在實際教學環節中有效地將這些技術傳授給學生，是一個值得研究的問題。本文以“象棋排布”為創意，設計了一種基于機器視覺的并聯機器人，利用X-sight機器視覺系統[4]獲取給定的象棋信息，并驅動并聯機器人按照設定的排布方案，完成棋子的抓取與排布。測試結果表明，該設備運行可靠，且涵蓋并聯機器人、觸摸屏、機器視覺系統等諸多內容，滿足人才培養的需要，其設計思路可為類似設備的研制提供參考。

1 硬件設計

1.1? ? 機器視覺系統設計

機器視覺系統主要由智能相機、鏡頭、光源三部分構成。考慮相機的成像質量和系統的功能需求，本文選用30萬像素的信捷SV4-30M型智能相機。該相機具有成熟的視覺算法庫，編程時可直接調用已集成的算法，大大減輕編程難度和工作量，提高了工作效率。對于相機鏡頭的選擇，應該注意焦距、目標高度、影響高度、放大倍數、影像至目標的距離、畸變等關鍵參數，本文選取SL-FK08F2M型號鏡頭，它的分辨率達200萬像素，最小焦距為8 mm。光源作為系統成像部分的輔助器件，直接影響到成像質量，由于象棋圖案為正面觀察，本文選用SI-RI103000W型白色環形前照光源，同時選用SIC-242型光源控制器調節光源的亮度，保證在任何自然光照條件下均能獲得較清晰的圖像。

1.2? ? 觸摸屏選型

觸摸屏作為人機界面的重要載體，硬件選型要求其在顯示方面、控制方面和通信方面都能有較為出色的性能。本文選擇了信捷TG 865型觸摸屏，在顯示方面，其色彩飽滿，顯示效果逼真，具備觸控校準功能，存儲容量大，可實現高速下載、加載和高速運行的功能;在控制方面，可以實現動態顯示監控、實時報警、歷史報警記錄等控制功能，用戶體驗時可以參與在線模擬、離線模擬等操作;最主要的是其組態功能方面，借助強大的C語言函數塊，使其在運算、命令、通信方面更加快捷。

1.3? ? PLC選型

本文選用信捷RC2型PLC，具體的I/O分配如表1所示，控制器電氣原理如圖1所示。

1.4? ? 并聯機器人設計

并聯機器人實訓平臺樣機外形如圖2所示，在基板外緣呈三等分式向外部延伸出安裝端，三個安裝端下方分別安裝有伺服電機一M1、伺服電機二M2、伺服電機三M3，每個伺服電機的下端均連接有驅動桿，驅動桿下端鉸接有從動桿，基板的上端中部安裝的伺服電機四M4下端垂直連接有旋轉軸，旋轉軸的下端設置有抓取中心，且從動桿的端部均與抓取中心連接。

2 通信系統設計

通信系統設計分為PLC與機器視覺系統、PLC與伺服系統、PLC與觸摸屏三部分，用以實現硬件間的信息交互功能。

RC2型PLC和智能相機采用RS485通信，將光源控制器的A、B端口分別對應接到PLC上的A、B端口即可。

RC2型PLC與伺服驅動器之間采用RS485通信，在確認Modbus通信協議并對DS伺服進行設置后，最后一步就是DS伺服與PLC之間的接線問題，因為是四自由度的并聯機器人，所以有四個伺服驅動器和伺服電機，跟相機與PLC通信接線相比，需要將四個伺服進行串聯通信在一起。

TG865觸摸屏與信捷RC2型PLC之間通過RS485實現信息通信，一般我們在新建工程時，在選項“設備/串口設備/下載口”中，可直接選取相應的PLC型號即可完成。

3 軟件設計

軟件設計主要包括三個部分：機器視覺系統程序設計、控制系統程序設計、人機交互界面設計。

3.1? ? 機器視覺系統程序設計

機器視覺系統程序設計主要利用X-Sight Studio軟件，針對智能相機進行程序編制，主要任務為給定棋子提取圖案輪廓特征與腳本程序的編寫。

編好腳本程序后，利用X-Sight Studio軟件圖案定位工具，將相機拍攝到的已知的七種不同類型的象棋提取其模板，并設定其待搜索區域圖像的特征，再將特征進行匹配，從而計算出模板和對象之間的幾何位姿關系。

在X-Sight中添加自定義工具，借助C語言編輯視覺腳本程序，腳本中需要給圖案定位出來的特征結果定義名稱，即定義出相、將、士、卒、車、炮和馬，同時要求能夠做到對各象棋棋子種類和數量的精確識別。

3.2? ? PLC程序設計

PLC程序包括兩個部分：一是點動控制部分，要求設置點動PLC控制翻轉棋盤、恢復棋盤、啟動、急停以及XYZ正負向的點動運動方式，同時在急停狀態下，無法啟動使能控制按鈕;二是自動運行部分，即在PLC自動控制過程中，經通信獲取棋子等信息后，首先機械臂回零，然后依次按照機械臂運動抓取、擺放的流程運行即可，在整個運行過程中實時監控，當出現錯誤時能及時報警發出警告。

3.3? ? 人機交互界面設計

為便于操作者監控設備運行狀態并設定運行參數，本文設計了人機交互界面，主要包括主界面和用戶窗口界面兩個部分，用戶窗口界面中包括操作界面和參數設置界面。圖3為參數設置界面，界面內容覆蓋象棋定位機械手所需的運動參數、點動轉換以及零點坐標值的記錄和設定等。

4 測試與分析

首先利用TW組態編輯的象棋排布界面，人機面板上的象棋種類有將、象、士、馬、車、炮和卒，且各棋子可移動數量只有一枚，通過手指觸摸移動棋盒里的象棋到棋盤上的點處，如圖4所示。

PLC通過操作面板發來的排布方案，篩選出最終所要移動的棋子，包括數目和類別信息，同時提取象棋面板上排布的位置信息，然后對于由相機通信傳輸過來的隨機給定棋子信息，依次篩選出所需要移動棋子在實物棋盒中的信息（包括象棋類別、數目和相機坐標系下的坐標位置）。信捷RC2型PLC中因為本身有攜帶負責相機坐標與機械臂所處機械坐標轉換的算法，故而在信息篩選并參與本身的算法運算之后，可以得到基于機械臂所處機械坐標系下棋子的位置信息，然后發出指令使得PLC程序執行，PLC把執行程序的操作指令傳給伺服驅動器，伺服驅動器驅動伺服電機，帶動機械臂按操作順序，從棋盒里抓取棋子然后放置在棋盤上，執行完畢，機械臂端點回零，棋盤執行翻轉，然后數據信息清除，設備自行還原，等待新的人機界面操作內容。圖5為最終自動執行完的象棋排布結果，可以看出并聯機器人成功按照給定的布局圖案完成了實際棋子的排布，驗證了設計的正確性。

5 結語

本文以一種基于機器視覺的并聯機器人實訓平臺為研究對象，根據控制要求，采用模塊化設計，完成了樣機制作，編寫了軟件程序，并設計了人機交互界面。測試結果表明，設備運行正常，滿足了預定設計要求。該設備集機器視覺系統、PLC、HMI、電機、傳感器等于一體，具有較強的趣味性，既可用于單獨課程的教學，亦可作為學生綜合項目訓練時使用。文中的設計思路與實現方法對于類似機器人的研制具有一定的參考意義。

[參考文獻]

[1] 蔡自興.機器人學基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 余文勇，石繪.機器視覺自動檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3] 王耀南，陳鐵健，賀振東，等.智能制造裝備視覺檢測控制方法綜述[J].控制理論與應用，2015，32（3）：273-286.

[4] 周晴.基于幾何基元的實時匹配與定位技術的研究與開發[D].無錫：江南大學，2014.

收稿日期：2019-12-19

作者簡介：徐伊岑（1982—），女，湖南長沙人，碩士研究生，講師，研究方向：機電一體化技術、機器人技術。