融合視覺(jué)與力覺(jué)的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)應(yīng)用分析

肖薇

摘要：工業(yè)用機(jī)器人的智能研究具有高效、優(yōu)秀的穩(wěn)定性和對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境的強(qiáng)烈適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)。因此，生產(chǎn)力在許多方面發(fā)生了變化，為社會(huì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。缺點(diǎn)是，由于存在自主性低、兼容性低等缺點(diǎn)，所以即使處理或工作對(duì)象有小的變更，也需要對(duì)操作系統(tǒng)和機(jī)器人臂的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行復(fù)位的固定參數(shù)和處理中發(fā)揮作用。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)集成視覺(jué)和電源的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手應(yīng)用系統(tǒng)。通過(guò)建立應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，軟件系統(tǒng)控制機(jī)器人臂完成傳送帶上的靜態(tài)和隨機(jī)對(duì)象包裝。由此，系統(tǒng)的有效性得到驗(yàn)證，并進(jìn)一步說(shuō)明與以往的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂相比，將視覺(jué)和力量的反饋整合起來(lái)的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂更加靈活和智能。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)引導(dǎo);力覺(jué);工業(yè)機(jī)械臂

0 引言

人類(lèi)外部信息的主要來(lái)源是視覺(jué)，人類(lèi)與外部世界接觸的主要媒介是觸覺(jué)。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的觸覺(jué)包含力量、壓力、滑動(dòng)等，而力覺(jué)是最復(fù)雜且廣泛使用的觸覺(jué)形態(tài)。人類(lèi)用眼睛接收外部世界的信息，然后用大腦處理能量，控制手腳的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)過(guò)程的持續(xù)周期是人與外界的自由相互作用。同樣，期待機(jī)器人機(jī)械臂也有這樣的自律功能。機(jī)器人手臂通過(guò)視覺(jué)傳感器與外界信息進(jìn)行通信，輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，控制機(jī)器人手臂適應(yīng)環(huán)境。在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，力傳感器反饋機(jī)械手與外界接觸時(shí)力的變化。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)力信息的處理結(jié)果，控制機(jī)械手臂與環(huán)境的接觸動(dòng)作。如果機(jī)器人機(jī)械臂的自律功能持續(xù)增加，最終可能代替人類(lèi)完成重復(fù)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)和其他任務(wù)。因此，將視覺(jué)和力量與外部感知相結(jié)合，研究具有自主處理功能的工業(yè)機(jī)器人臂非常重要。

1.????? 機(jī)械臂的力覺(jué)智能及其應(yīng)用

機(jī)器人手臂的力覺(jué)感知能力是指機(jī)器人通過(guò)融合力/力矩傳感信息主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，是智能能力的表現(xiàn)。當(dāng)機(jī)器人機(jī)械臂接觸外部環(huán)境時(shí)，可以持續(xù)獲取力的感知信息，使機(jī)器人機(jī)械臂自動(dòng)改變外界，從而適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。研究的核心是機(jī)器人與外部環(huán)境之間接觸受到限制時(shí)的力量或基于扭矩的主動(dòng)及被動(dòng)調(diào)整及控制戰(zhàn)略。

嵌入力的機(jī)器人機(jī)械臂大部分用于組裝、磨削、研磨、把持等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。組裝時(shí)，特別是在組裝軸孔時(shí)，可以根據(jù)接觸過(guò)程的力/扭矩的變化信息來(lái)判斷聯(lián)系狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)整。通過(guò)控制作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂和作業(yè)對(duì)象的接觸強(qiáng)度進(jìn)行研磨，與手工作業(yè)相比，產(chǎn)品的品質(zhì)大幅提高。生產(chǎn)線(xiàn)方面，僅僅靠手工操作無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率的要求，基于對(duì)提高組裝線(xiàn)的工作效率考慮，有重復(fù)性勞動(dòng)的生產(chǎn)部門(mén)對(duì)機(jī)器人有極大地使用傾向。

2.1系統(tǒng)的組成原理

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手在視覺(jué)和動(dòng)力控制下完成應(yīng)用任務(wù)。該系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和力傳感系統(tǒng)組成。主要設(shè)備包括中央控制設(shè)備、圖像采集設(shè)備、力檢測(cè)設(shè)備和機(jī)器人手臂。上位機(jī)是中央控制設(shè)備或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。工業(yè)攝像機(jī)主要是采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖像的圖像采集設(shè)備，力檢測(cè)系統(tǒng)主要是獲取接觸力信息。這些設(shè)備是獨(dú)立的模塊。為了實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)通信，需要建立一個(gè)通信通道。原則上每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)交換完成后，才能開(kāi)始軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。圖1顯示系統(tǒng)的組成概況。工業(yè)相機(jī)固定在機(jī)器人臂上的位置，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜或USB連接到主計(jì)算機(jī)。工具設(shè)計(jì)在機(jī)器人臂端，可安裝力傳感器、固定件、吸盤(pán)等設(shè)備，與環(huán)境接觸并執(zhí)行操作。力傳感器的信號(hào)通過(guò)傳輸變換單元，上級(jí)計(jì)算機(jī)取得力信號(hào)，上級(jí)計(jì)算機(jī)通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人臂控制器通信，機(jī)器人臂控制器通過(guò)上級(jí)計(jì)算機(jī)可以按照##的控制模式執(zhí)行和控制機(jī)器人機(jī)械臂的動(dòng)作，也可以通過(guò)該方法將機(jī)器人機(jī)械臂的動(dòng)作狀態(tài)傳送給上級(jí)計(jì)算機(jī)。通過(guò)連接到本地網(wǎng)絡(luò)，您可以調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。它主要連接到運(yùn)行調(diào)試軟件系統(tǒng)的上級(jí)計(jì)算機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯： 首先，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)在實(shí)驗(yàn)中獲取目標(biāo)圖像，將圖像傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中獲得目標(biāo)位置。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制工業(yè)機(jī)械手對(duì)該位置進(jìn)行工作，在工作過(guò)程中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲得末端和目標(biāo)接觸器產(chǎn)生的力信息，根據(jù)反饋結(jié)果決定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如在抓取作業(yè)中，何時(shí)停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)并啟動(dòng)抓取。

2.2系統(tǒng)主要部件

系統(tǒng)的主要部件是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行選擇的，在滿(mǎn)足基本的需求條件以后，考慮多方面的因素進(jìn)行選擇，不但要考慮部件的質(zhì)量也要考慮工作環(huán)境的影響。在工業(yè)應(yīng)用中還需要考慮電磁波等噪聲等環(huán)境問(wèn)題。所以在選擇力傳感器等部件時(shí)應(yīng)該考慮到在噪聲的影響后精度的問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇的是工業(yè)上的工控機(jī)。因?yàn)樵诠I(yè)方面，工控機(jī)和普通的計(jì)算機(jī)相比較更有優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在密封條件好，可以減少外界的影響比如電磁波、粉塵等，而且該工控機(jī)在工作時(shí)安全穩(wěn)定。

工業(yè)機(jī)械臂使用的是SCARA型四軸機(jī)械臂，如圖二所示。該機(jī)械臂有四個(gè)手臂，其中J1，J2完成的是水平方向上的平移，J3完成的是豎直方向上的平移運(yùn)動(dòng)，J4完成的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)非常靈活，使用的是驅(qū)控一體的控制器，可以通過(guò)接收控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。在其末端可以設(shè)計(jì)工裝，比如在末端裝載力傳感器，這樣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以反饋接觸力。

圖像采集設(shè)備是高質(zhì)量成像的選擇，可以通過(guò)雷州工業(yè)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)電纜連接，因此工業(yè)控制通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信控制來(lái)完成圖像采集，進(jìn)一步完成圖像的傳輸、存儲(chǔ)和圖像處理。

力檢測(cè)裝置包括力傳感器和傳輸轉(zhuǎn)換單元。如圖二所示，J3僅在豎直方向上移動(dòng)，力傳感器也安裝在其末端，因此力傳感器可以使用一維傳感器獲得軸運(yùn)動(dòng)方向上的力信息。

2.3系統(tǒng)總體工作流程

軟件控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是視覺(jué)與力控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)設(shè)備的控制，每個(gè)設(shè)備的信息采集和系統(tǒng)功能。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，ipc 的控制程序需要完成攝像機(jī)的驅(qū)動(dòng)、圖像的采集、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)、速度控制和力信息的采集。另外，還需要對(duì)圖像和力信息進(jìn)行處理。視覺(jué)與力協(xié)調(diào)控制機(jī)器人手臂的原理如圖3所示。 例如，在機(jī)械手臂的末端安裝一個(gè)吸盤(pán)，用以吸取物體。首先是使用機(jī)器人手臂，首先移動(dòng)到一個(gè)給定的位置，然后是無(wú)約束的視覺(jué)伺服過(guò)程，視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)圖像采集和處理獲得目標(biāo)物體的平面位置（x，y） ，換句話(huà)說(shuō)，目標(biāo)物體的深度信息得不到。Ipc 控制機(jī)械手的末端移動(dòng)到 A（x，y，z） ，并根據(jù)實(shí)際情況給出 z 坐標(biāo)。力檢測(cè)模塊包括力信息檢測(cè)模塊和機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的力特征提取模型。 模型的輸入是力信息，輸出是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)或停止。通過(guò)串行通信獲取力信息，將力傳感器產(chǎn)生的實(shí)時(shí)力信息輸入到機(jī)械手末端與目標(biāo)接觸時(shí)的力特性檢測(cè)模型中，控制系統(tǒng)根據(jù)模型輸出控制機(jī)械手臂的狀態(tài)，直至完成提取。整個(gè)過(guò)程由機(jī)械手的視覺(jué)系統(tǒng)控制，使機(jī)械手從遠(yuǎn)離物體的位置移動(dòng)到物體附近。一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程是由機(jī)械手的視覺(jué)系統(tǒng)控制，使其從遠(yuǎn)離目標(biāo)位置移動(dòng)到近離目標(biāo)位置，然后由力系統(tǒng)控制機(jī)械手接近和觸摸目標(biāo)物體。機(jī)械手與環(huán)境的接觸過(guò)程由力感系統(tǒng)控制。通過(guò)力檢測(cè)模塊提取物體的附加放置過(guò)程，放置過(guò)程也屬于機(jī)械手與環(huán)境的接觸過(guò)程，由力感系統(tǒng)控制。提升完成后，關(guān)閉力傳感系統(tǒng)，將力傳感臂末端移至初始位置，同時(shí)開(kāi)始力傳感系統(tǒng)伺服臂末端與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的接觸過(guò)程。當(dāng)力信號(hào)輸出停止時(shí)，系統(tǒng)將控制機(jī)械臂停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉吸盤(pán)釋放目標(biāo)，并將力感應(yīng)系統(tǒng)關(guān)閉到原位，等待下一次拾取和釋放。

3.總結(jié)

根據(jù)研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，介紹系統(tǒng)的總體操作原理，然后基于實(shí)驗(yàn)的精度選擇系統(tǒng)的主要組件，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分的控制邏輯和工作流，使用軟件系統(tǒng)控制系統(tǒng)的各種部分以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合和完成應(yīng)用程序任務(wù)的目的。

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