基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人拾取技術(shù)仿真研究*

姚 鋼

(湖南網(wǎng)絡(luò)工程職業(yè)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

視覺引導(dǎo)技術(shù)是指利用攝像機(jī)代替人眼、計(jì)算機(jī)代替大腦[1]，通過處理相機(jī)獲取的圖像對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量、檢測(cè)和識(shí)別，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成拾取、分揀等任務(wù)[2]。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)視覺系統(tǒng)(稱為眼)與工業(yè)機(jī)器人(稱為手)的位置關(guān)系，通常有Eye-to-Hand(眼在手外)和Eye-in-Hand(眼在手上)[3]兩種形式。工業(yè)生產(chǎn)中常見的工作方式是將兩種視覺引導(dǎo)方式與流水線作業(yè)相結(jié)合，為工業(yè)機(jī)器人的拾取作業(yè)提供實(shí)時(shí)引導(dǎo)。不同拾取方式下工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的工藝過程有所差別，為合理設(shè)計(jì)規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人程序和運(yùn)動(dòng)過程，通常使用仿真軟件進(jìn)行模擬，合理配置規(guī)劃生產(chǎn)資源，評(píng)價(jià)智能生產(chǎn)線的可行性及潛在問題[4]。為此，本文采用RobotStudio機(jī)器人仿真軟件[5]，以某矩形零件為例，以Eye-to-Hand和Eye-in-Hand兩種視覺引導(dǎo)方式對(duì)工業(yè)機(jī)器人零件拾取轉(zhuǎn)運(yùn)工作站進(jìn)行建模與仿真。

1 Eye-in-Hand視覺引導(dǎo)仿真

1.1 模型構(gòu)建

基于眼在手上視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人工作站通常實(shí)現(xiàn)零件的靜態(tài)拾取，其主要構(gòu)成如圖1所示。其中，工業(yè)機(jī)器人為ABB-IRB2600，相機(jī)與吸嘴工具共同安裝在機(jī)器人第六軸法蘭盤上，物料臺(tái)上放置零件。

1-工業(yè)機(jī)器人；2-相機(jī)與吸嘴工具；3-流水線；4-長(zhǎng)方體零件；5-物料臺(tái)

1.2 Smart組件搭建

RobotStudio軟件中進(jìn)行生產(chǎn)過程仿真的實(shí)質(zhì)是使用Smart組件功能模塊將各類子對(duì)象組件按照工藝要求進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

1.2.1 零件沿流水線運(yùn)動(dòng)

通過Smart組件輸入信號(hào)Start來啟動(dòng)仿真系統(tǒng)，使Random生成隨機(jī)數(shù)，經(jīng)VectorConverter向量轉(zhuǎn)換后賦予Source生成隨機(jī)位姿的零件拷貝件，并放入隊(duì)列Queue，Queue與LinearMover直線運(yùn)動(dòng)綁定，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)生成的拷貝件沿流水線直線運(yùn)動(dòng)。Smart組件I/O信號(hào)如表1所示。

表1 Smart組件I/O信號(hào)

1.2.2 零件到位停止

零件拷貝件運(yùn)動(dòng)中被平面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor檢測(cè)到后停止，Smart組件向機(jī)器人發(fā)出信號(hào)Callrobot，觸發(fā)機(jī)器人啟動(dòng)。

1.2.3 相機(jī)拍照定位

通過PositionSensor子件對(duì)零件位置進(jìn)行監(jiān)控，獲取零件表面中心點(diǎn)與拍照點(diǎn)相對(duì)位置(Position)與角度(Orientation)差值。

拍照點(diǎn)與拾取點(diǎn)坐標(biāo)系如圖2所示，設(shè)置工作站機(jī)器人在拍照點(diǎn)P1坐標(biāo)系與零件無旋轉(zhuǎn)時(shí)表面中心點(diǎn)P2坐標(biāo)系方向一致，當(dāng)零件以隨機(jī)狀態(tài)到達(dá)拍照點(diǎn)，通過PositionSensor子件即可獲取點(diǎn)P2相對(duì)于P1的位置與角度偏差。

圖2 拍照點(diǎn)與拾取點(diǎn)坐標(biāo)系 圖3 隨機(jī)零件位置情況及相對(duì)位置參數(shù) 圖4 RapidVariable子件數(shù)據(jù)傳送

圖3為隨機(jī)零件位置情況及相對(duì)位置參數(shù)，在相應(yīng)的PositionSensor子件屬性中，Position參數(shù)中顯示X為44 mm、Y為0、Z為-155 mm，轉(zhuǎn)角(Orientation)為-64.51°，表征零件到位停止后中心點(diǎn)P2相對(duì)于拍照等待點(diǎn)P1在X正向偏離量為44 mm、Z負(fù)向偏離量為155 mm、繞Z軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)了64.51°。

1.2.4 位置信息傳送至機(jī)器人

Smart組件中，RapidVariable子件的主要功能是設(shè)置或者獲得RAPID程序中的變量值，可用于模擬工作站將相機(jī)獲取的零件位置信息發(fā)送至機(jī)器人的控制過程。圖4為將隨機(jī)零件X偏移量值和旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)rz通過RapidVariable子件向機(jī)器人程序變量進(jìn)行傳送的情況，其中Variable中X、rz是Rapid程序中的變量。

1.2.5 完成抓取放置動(dòng)作

機(jī)器人根據(jù)RapidVariable子件傳送的數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)抓取和放置位置時(shí)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)Smart組件中的Attacher和Detacher動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)零件的準(zhǔn)確抓取和放置。

表2為Smart組件各子件按照工藝過程進(jìn)行邏輯連接的情況。

表2 Smart組件各子件的邏輯連接

1.3 機(jī)器人程序

1.3.1 目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)工藝過程，設(shè)置3個(gè)機(jī)器人運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)，如圖5所示。其中，pHome為機(jī)器人作業(yè)開始等待點(diǎn)，pWait為機(jī)器人等待拍照點(diǎn)，pTarget為零件最終放置的位置。實(shí)際上，機(jī)器人在運(yùn)行過程中還有零件拾取點(diǎn)、過渡點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)，這些點(diǎn)位可通過RelTool等指令進(jìn)行偏移旋轉(zhuǎn)獲得。

圖5 機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置

1.3.2 I/O信號(hào)設(shè)置

仿真中機(jī)器人通過I/O信號(hào)與Smart組件關(guān)聯(lián)，機(jī)器人信號(hào)共有3個(gè)，見表3。

表3 機(jī)器人I/O信號(hào)

機(jī)器人I/O信號(hào)與Smart組件I/O信號(hào)通過RobotStudio仿真軟件中的工作站邏輯功能模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)接關(guān)系如表4所示。

表4 機(jī)器人與Smart組件I/O信號(hào)對(duì)接關(guān)系

1.3.3 機(jī)器人程序編制

機(jī)器人實(shí)施零件拾取時(shí)要按照相機(jī)獲取的位置偏差數(shù)據(jù)調(diào)整工具的位姿，這就需要考慮機(jī)器人工具坐標(biāo)系與零件所在坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

圖6為機(jī)器人工具坐標(biāo)系與拾取點(diǎn)坐標(biāo)系，機(jī)器人工具Tool_Eye_in_hand與零件之間X、Y、Z軸分別平行，X軸相差180°、Y軸方向一致、Z軸相差180°，工具與零件繞Z軸旋轉(zhuǎn)正方向相反，相應(yīng)的機(jī)器人程序語句如下：

圖6 機(jī)器人工具坐標(biāo)系與拾取點(diǎn)坐標(biāo)系

MoveJ RelTool(pWait,-x*1000,y*1000,-z*1000 Rz:=

-rz/pi*180), v2500, fine, Tool_Eye_in_ handWObj:=

Workobject_1;

程序語句中，設(shè)置num型變量x、y、z、rz用來接收相機(jī)獲取的X、Y、Z軸方向偏差以及繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)前述分析的坐標(biāo)關(guān)系，程序中RelTool指令的x、z、rz值需要取負(fù)值。機(jī)器人主程序如下：

PROC main()

InitAll; !調(diào)用初始化程序，機(jī)器人復(fù)位

WHILE TRUE DO

PICK; !調(diào)用拾取零件程序

PUT; !調(diào)用放置零件程序

ENDWHILE

ENDPROC

PROC InitAll()

x:=0; ！變量數(shù)據(jù)清零

y:=0; ！變量數(shù)據(jù)清零

z:=0; ！變量數(shù)據(jù)清零

rz:=0; ！變量數(shù)據(jù)清零

Reset pick; ！拾取信號(hào)復(fù)位

Reset put; ！放置信號(hào)復(fù)位

MoveL pHome, v1000, z100, Tool_Eye_in_hand

WObj:=Workobject_1; ！機(jī)器人返回HOME點(diǎn)ENDPROC

基于眼在手上視覺引導(dǎo)的工作站作業(yè)過程如圖7所示。由圖7可知，工作站機(jī)器人能夠準(zhǔn)確獲取隨機(jī)零件的位置及角度偏差，并依此引導(dǎo)機(jī)器人工具在零件中心進(jìn)行拾取，較好地模擬了基于眼在手上的視覺引導(dǎo)方式下機(jī)器人的作業(yè)過程。

圖7 基于眼在手上視覺引導(dǎo)的工作站作業(yè)過程

2 Eye-to-Hand視覺引導(dǎo)仿真

圖8為眼在手外視覺引導(dǎo)的仿真工作站。眼在手外視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人工作站與眼在手上視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人工作站相比較，整體布局、Smart組件構(gòu)成、機(jī)器人程序等大體相同，區(qū)別在于：①相機(jī)調(diào)整至流水線固定位置；②Smart組件中的傳感器調(diào)整至流水線相機(jī)位置，零件觸發(fā)傳感器后不停止運(yùn)動(dòng)；③機(jī)器人實(shí)現(xiàn)零件動(dòng)態(tài)拾取。

圖8 眼在手外視覺引導(dǎo)的仿真工作站 圖9 拍照點(diǎn)隨機(jī)零件與拾取等待點(diǎn)位置關(guān)系

2.1 動(dòng)態(tài)拾取方案

圖9為拍照點(diǎn)隨機(jī)零件與拾取等待點(diǎn)位置關(guān)系。當(dāng)傳感器檢測(cè)到零件到達(dá)拍照點(diǎn)時(shí)觸發(fā)相機(jī)拍照，獲取其與機(jī)器人拾取等待點(diǎn)的位置與姿態(tài)偏差，仿真系統(tǒng)通過Smart組件的PositionSensor子件獲取拍照點(diǎn)隨機(jī)零件中心點(diǎn)P2與機(jī)器人等待點(diǎn)P1的相對(duì)位置(Position)及角度(Orientation)差值，相對(duì)位置偏差分別為ΔX、ΔY和ΔZ。設(shè)流水線速度為v1，機(jī)器人速度為v2，則有：

t1=ΔY/v1.

(1)

(2)

Δt=t1-t2.

(3)

其中：t1為零件從拍照點(diǎn)運(yùn)行至機(jī)器人等待點(diǎn)的時(shí)間；t2為吸嘴工具從等待點(diǎn)運(yùn)行到等待點(diǎn)位置所用時(shí)間；Δt為拍照后機(jī)器人等待啟動(dòng)的時(shí)間間隔，即零件觸發(fā)傳感器拍照后經(jīng)Δt機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)去拾取零件。

2.2 機(jī)器人程序

機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)與前述基本相同，下面簡(jiǎn)要說明動(dòng)態(tài)拾取Pick子程序：

PROC Pick()

MoveL Pwait,v2500,z100, Tool_Eye_to_handWObj:=Workobject_1;

！機(jī)器人移至等待點(diǎn)

WaitDI start,1; ！機(jī)器人啟動(dòng)

t2:= Sqrt(Pow(x,2)+ Pow(z,2))/2.5; ！計(jì)算時(shí)間t2

WaitTime 0.5; ！等待0.5 s

t1:= y/0.2; ！計(jì)算時(shí)間t1

WaitTime 0.5; ！等待0.5 s

t:=t1-t2-1; ！計(jì)算機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)間t

WaitTime t; ！機(jī)器人等待時(shí)間t

MoveJ reltool(Pwait,x*1000,y*1000,-z*1000Rz:=-

zj/pi*180),v2500,fine, Tool_Eye_to_handWObj:=Workobject_1;

!機(jī)器人移動(dòng)至拾取點(diǎn)

WaitTime 0.1;

Set pick;

WaitTime 0.1;

Reset pick;

MoveJ reltool(Pwait,x*1000,y*1000, 0Rz:=-zj/pi*180),v2500,fine,

Tool_Eye_to_handWObj:=Workobject_1;

!機(jī)器人移動(dòng)拾取點(diǎn)上方

ENDPROC

基于眼在手外視覺引導(dǎo)的工作站作業(yè)過程如圖10所示。由圖10可知，工作站機(jī)器人能夠模擬零件動(dòng)態(tài)拾取過程，動(dòng)態(tài)拾取方案可行。

圖10 基于眼在手外視覺引導(dǎo)的工作站作業(yè)過程

3 結(jié)語

基于視覺引導(dǎo)的零件拾取作業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域進(jìn)一步提升作業(yè)效率和精度的重要途徑，本文依托RobotStudio仿真軟件較為詳細(xì)地闡述了眼在手上與眼在手外兩種視覺引導(dǎo)方式下零件靜態(tài)與動(dòng)態(tài)拾取作業(yè)的仿真工作站方案，仿真運(yùn)行顯示兩個(gè)工作站均能較好地反映相應(yīng)作業(yè)過程、實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求，為工程應(yīng)用中相關(guān)作業(yè)工藝工程規(guī)劃及機(jī)器人設(shè)置提供了有益的參考。