基于視覺隨動技術的工業機器人應用研究

李野

摘要：通過應用機器視覺技術在抓取效率與識別精度方面的優勢，同時結合隨動跟蹤技術完成在線實時跟蹤，本文結合視覺技術與隨動跟蹤技術并應用SCARA機器人，實現物體的自動識別、運動抓取、準確裝箱，對研究機器人在運動控制領域具有重要意義，同時也為機器人其他應用方向提供一種有效的解決方案。

關鍵詞：工業機器人;視覺;跟隨運動

0? 引言

隨著現代技術的發展，在分揀裝箱領域對效率的要求、靈活性的要求也越來越高，以往的分揀裝箱系統采用物料停止-對中的模式，這種模式大大的增加了系統的響應時間，降低了生產效率，同時設備的頻繁啟停、反復運動對使用壽命有較大影響。如何實現自動識別-跟隨抓取對分揀裝箱系統具有重要的意義，本文結合視覺定位技術、隨動跟蹤技術，并應用SCARA機器人系統實現一套完整的分揀-裝箱系統，為機器人在行業中的應用提供有效的解決辦法。

1? 機器視覺技術

機器視覺技術通過視覺攝像機對物體進行拍照處理，獲取物體圖像信息，模擬人眼視覺的功能，通過視覺傳感、圖像采集、圖像處理等多個環節[1，2]，可以實現對物體的自動定位、識別、分類、比對，最終將處理的數據結果下發給執行運動機構，實現相應目標物體的抓取、擺放等動作。機器視覺技術通過預先設定的圖像模板，進行圖像的匹配，通過圖像匹配實現物體的識別，同時在結合系統的標定參數進行視覺系統的計算，工作原理如圖1所示，最終計算出位姿偏差。

在2D視覺應用中，如圖2所示，標定物體坐標參數點A，并通過上述圖像匹配方法，獲取圖像位姿信息，計算出圖像位姿點B，通過點A與點B在基礎坐標系中的差值，最終可以計算出目標物體偏差值△x，△y，△θ，即平面物體的三個位姿偏差數據，將偏差發送給執行運動機構實現目標物體的搬運抓取。通過機器視覺能夠采集制造過程中的多個圖像[3]并通過各系統中的坐標系變換，得到目標物體的位姿信息，可使執行運動機構抓取目標物體的準確度得到很大程度的提高。

2? 隨動跟蹤技術

執行運動機構能夠按照預定的速度，在一定范圍內能夠與已知的理想軌跡相一致[4，5]，并以相同的速度與運動物體共同運動，從而實現軌跡路徑的跟蹤過程，通過軌跡的跟蹤，能夠完成目標物體的動態抓取過程，動態的抓取過程能夠很大程度上提升抓取的效率，同時隨動控制方式與機器人相結合，能夠更大限度的提升機器人的應用空間及場景。

執行運動機構起點為C1，在t1時刻，目標物體的起點位置為A，在△t時間內，目標物體到達B點，同時執行運動機構在B點位置與目標物體速度相同，從而實現在△t時間內跟蹤到目標物體的目的，如圖3所示在此運動過程中目標物體是以恒定的速度v運行。在實際應用過程中，由于執行運動機構的結構、行程等因素限制，在△t時間內，執行運動機構運行的距離不能超出其運行最大行程范圍，一旦超出執行運動機構將無法在有效的時間內跟蹤到目標物體。

3? 結合視覺、隨動跟蹤技術的應用

通過視覺系統對輸送的目標物體進行拍照，確定目標物體的位姿，并以SCARA機器人作為目標物體搬運執行機構，實現目標物體的自動識別與定位，同時通過隨動跟蹤技術，進行實時的跟隨運動，從而實現目標物體的動態抓取過程，保證了目標物體的連續運行，從而提高了系統的生產效率。系統布置如圖4所示，其中實線部分為視覺拍照區域，在該區域內均可實現目標物體的視覺定位，點劃線區域為跟隨抓取區域，在該區域內能夠實現目標物體的跟隨運動及抓取動作，目標物體以四個為一組放置到指定料盒中，圖4中圓形標記位置為目標物體的放置料盒，同樣料盒定位方式任然以視覺拍照方式進行精確定位，確定放置位置的準確性。

在本系統中，設定視覺系統的拍照視場為800*800mm，物體在此區域內均可實現目標物體位置信息的確定，由于視覺系統受到環境光照影響比較大，為保證在視覺拍照時能夠具有一個良好的環境光照條件，將視覺相機的拍照區域設定成封閉區域并加以遮光防護，保證系統能夠在一個穩定的環境光照下，確保目標物體圖像采集的穩定性。另外，由于SCRAR機器人的運動范圍限制，在機器人工作的有效區域內，均可以實現目標物體的跟蹤抓取，一旦SCARA機器人的跟隨位姿點超出其運動范圍，機器人系統將自動漏過該物體，以便后續物體的抓取。在SCARA機器人系統中，通過設計機器人的跟隨距離、跟隨速度等參數，實現SCARA機器人參數的匹配，最終實現目標物體的跟隨運動，完成物體的運動跟蹤抓取過程。

為保證物體輸送的穩定性及可靠性，以伺服電機作為驅動裝置，采用同步帶傳動方式，減少帶傳動打滑現象，從而提高物體輸送精度，保證了目標物體輸送的穩定與可靠，并且與實際應用相結合，配置穩定運行線速度，有利于提高抓取的準確性與跟隨運動的可靠性，從而提高了系統的穩定性。

根據搬運目標物體的材質、重量、形狀等信息，采用真空吸附的方式實現目標物體的快速抓取搬運，為了實現快速的響應過程，采用快速響應電磁閥及大流量真空發生器，同時配備有真空壓力反饋，確保系統的穩定可靠，控制原理如圖5所示。

利用SCARA機器人的快速響應，使得該生產線的生產節拍能夠達到3.5s每件，可在有效的時間內對來料進行分揀搬運，同時保證了系統的連續運轉，避免輸送系統重復啟停，大大提高了生產線的效率。同時，該系統的建立解決了生產工位單調、重復的勞動模式，生產線實現用工減少每班3人次，每天6人次的用工，極大的提高了經濟效益。

4? 結束語

通過對視覺系統、隨動跟蹤系統的闡述，并應用兩種技術在機器人快速識別分揀系統中的應用，為無序分揀、動態分揀提供了一個良好的應用案例，為其技術在相關行業中的推廣及應用起到示范作用，為機器人在更多領域的應用提供了一個良好的解決方案。

參考文獻：

[1]張辰，等.視覺引導技術在SCARA機器人裝配任務中的應用[J].傳感器與微系統術，2019，38（2）：157-160.

[2]盛華軍，等.視覺圖像技術與機器人工件抓取的協作應用[J].自動化與儀表，2020，35（2）：37-46.

[3]楊旗，陳杰，崔玉博，等.基于視覺引導的ABB機器人定位與抓取[J].機械工程與自動化，2019（5）：57-59.

[4]張日紅，等.基于運動跟蹤的工業機器人隨動控制[J].現代農業裝備，2018，5：63-66.

[5]江海天，等.工業機器人隨動跟蹤控制系統的設計[J].科技創新，2019，10：11.