工業機器人裝配系統的關鍵技術研究*

單正婭，郭 瓊，姚曉寧

（無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121）

0 引言

教育部主辦的全國職業院校技能大賽“工業機器人技術應用”賽項，比賽任務已從糖盒分揀發展為機器人關節裝配[2]。根據賽項任務變化，關鍵要解決2 個問題：（1）提高精度，裝配的精度要求高；（2）提高速度，因為機器人任務加倍而比賽時間不變。本文以數據采集處理為主線，介紹了提高精度、速度的關鍵技術研究。

1 任務內容

系統由工業機器人、AGV 機器人、托盤及裝配流水線、視覺系統和碼垛機立體倉庫等六大分系統組成[2-3]。主控、立庫、機器人、相機及編程計算機之間采用工業以太網通訊，系統網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲圖

賽項任務是碼垛機從立體倉庫中取出工件并放置AGV機器人上部輸送線，由AGV機器人輸送至托盤流水線，經視覺系統定位和識別工件，然后工業機器人抓取并放置到裝配流水線相應位置，最后機器人完成裝配并移入成品庫。

圖2 任務流程圖

2 工件信息采集處理及應用

2.1 數據采集

系統選用信捷公司的X-sight SV4-30ml 智能視覺傳感器，用X-sight軟件進行工件學習并獲得工件的類型、中心點坐標和擺放角度[4]。

圖3 所示為需要識別抓取和裝配的工件，分別為機器人關節底座、電機模塊、諧波減速器和輸出法蘭。由于1號工件較高，正常擺放時相機拍攝圖像如圖4（a）所示，擺放較偏時如圖4（b）所示，對比可以看出圖4（b）有明顯畸變，這樣相機軟件計算出的中心點會有偏差。為了解決此問題，采用光斑法分別學習2 個小圓點的坐標如圖4（c）所示，分別為（x1，y1）和（x2，y2），那么工件中心點的坐標物品角度根據上述公式自行編寫腳本程序求中心點坐標和角度，程序如下。實踐證明，這種方法能有效解決圖像畸變引起的誤差，抓取正確，保證裝配精度。

圖3 需要識別抓取和裝配的工件

圖4 1號工件圖像

腳本程序

2.2 數據轉換與處理

主控PLC S7-1200 采用西門子博途V14 版本平臺內嵌的MODBUS—TCP庫函數實現以太網通信，PLC以主機的身份通過MODBUS—TCP 協議讀取相機的數據[5]。通訊程序塊如圖5所示。通信獲得的工件中心點坐標需轉換成機器人坐標，以便機器人抓取工件。坐標轉換主要分3步，具體如下。

圖5 通信程序

（1）相機得到的中心點坐標是像素值，要進行圖像坐標處理，把像素值轉換成位移坐標值。具體方法：取一工件，用標尺測量出工件實際長度（如70 mm），然后將工件置于相機拍照區內，測量出該工件的像素點長度（135 個像素點），則比例系數=工件長度/工件像素點=70/135=0.52，那么像素值乘以系數0.52算出中心點的位移坐標值。

（2）把第一步得到的位移坐標值換算成以托盤中心為原點的坐標值。由于像素的原點和托盤的右上角重合，所以只要坐標平移即可。

（3）在抓取位機器人示教托盤中心點（托盤右上角有導角，示教點不明顯，才示教易找的托盤中心點，因此有第二步的坐標平移），加上第二步的偏移就得到機器人抓取點坐標。坐標轉換程序如下。

值得注意的是工件高度不一致，焦距就不一致，坐標轉換的比例系數會發生變化，所以要測量每個工件的比例系數，避免誤差，保證裝配精度。

2.3 數據應用

賽項的主要任務是工件抓取并裝配，實則就是機器人對數據轉換與處理得到的數據應用。機器人根據工件中心點坐標和角度值抓取，判斷工件類型完成裝配[6]。

裝配流水線由裝配工位、備件庫和成品庫3 部分組成，其中裝配工位從左到右分別放置4種工件，1號位兼成品組裝位，每工位裝有氣缸對工件二次定位。備件庫存放2、3 和4號備件；成品庫存放成品和1 號備件。具體分布如圖6 所示。圖中工位較多且偏移固定，一般參賽隊伍使用機器人碼垛指令。碼垛指令主要分兩步，第一在示教器上設置偏移，第二在示教器觸摸屏上手寫輸入碼垛程序，這種方法本質就是機器人的控制器根據偏移計算坐標。考慮到碼垛程序多輸寫慢，主控PLC來計算坐標。

具體方法以備品庫為例，先機器人示教2 號位得到坐標（x，y），而3號位相對2號的偏移是（140 mm，110 mm），主控只需2 條指令就可求出3 號位坐標，分別為："GVL".giRX1:=#x-#140;"GVL".giRY1:=#y-#100。主控計算法比在示教器上操作的碼垛指令方便快捷，事實上此方法也節省了40 min的比賽時間。

圖6 裝配流水線工位分布

系統采用只要有可組裝工件立即組裝的萬能策略，可應對比賽中可能出現的各種隨機順序，也鍛煉了選手的編程能力，流程如圖7所示。另外，采用先進后出的堆棧原理存取工件，減少工件移位，提高速度。

3 系統調試

系統調試中有個很重要的誤差——左右原點誤差，是大賽中很多隊伍裝配不成功的主要原因。裝配流水線是步進電機控制，而原點設在中間位（G8 工位），裝配時會產生左右原點，引起裝配誤差。而擋片寬度不足0.5 cm，裝配時大部分順時針運動（G7 工位到G8 工位）偶爾逆時針（G9 工位到G8 工位）改變原點，且這時抓取的是識別誤差最大的1 號工件，所以不易發現此誤差。為解決該問題，團隊采用了3種方案，具體如下。

（1）博途軟件中只能設置左或者右原點，在程序中利用參"Axis".Homing.ApproachDirection 改變設置，實現順時針運動時設置右原點，而逆時針時設置左原點，從而保證原點相同。程序如下：

（2）根據擋板的寬度計算左右原點相差的脈沖數，在程序中補償。

（3）回原點時不回到0 而是回到負數，人為把逆時針運動變成順時針運動，保證原點一致。

實踐證明，以上幾種方案都可行。

4 大賽發展方向

（1）目前比賽時有1個組裝位，今后可以3個或2個組裝位，非組裝位可規定或不規定存放某類工件。

（2）添加快換接頭，機器人根據工件的類型，判斷回抓取位過程中是否更換手爪，這樣復雜機器人的運動軌跡，充分挖掘機器人能力，也可以增加工件種類，實現更復雜的裝配。

（3）在AGV 機器人上添加無線通訊模塊，由主控控制AGV，使AGV并網。

（4）增加運輸路線，成品由AGV機器人運送至立庫然后入庫。

（5）采用產線不停拍照，增加廢品檢測，相機檢測到廢品后，主控通知立庫立即補貨。

5 結束語

本文重點介紹了圖像畸變處理、坐標轉換、主控中心點計算法和裝配策略等提高精度和速度的關鍵技術，可以廣泛應用在今后的技術研究和大賽指導中。同時，根據調試經驗及賽后總結，預測了大賽未來的發展方向，做到以賽促教、以賽促學、以賽促研、教學相長，培養機器人技術應用人才，服務地方經濟建設[7-8]。