雙SCARA機(jī)器人異型插件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 巖，黎奕輝，張凱富，管貽生

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

在過(guò)去的幾十年時(shí)間里，隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，電子元器件的組裝也變得越來(lái)越重要，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，異型器件的裝配有兩種方式可供選擇：手工裝配或者使用自動(dòng)化裝配[1]。前者不僅效率低、成本高，而且質(zhì)量難以保證；后者主要采用單個(gè)機(jī)器人進(jìn)行異型插件的裝配工作[2]，然而在重復(fù)性較高的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，依然存在工序繁多和空間利用率低等問(wèn)題。結(jié)合當(dāng)前多機(jī)器人系統(tǒng)的眾多優(yōu)勢(shì)[3]，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者提出了將雙機(jī)器人應(yīng)用于協(xié)同下棋[4]、焊接[5]及復(fù)雜樣品的制備和測(cè)量過(guò)程[6]。

目前，很少有將多機(jī)器人應(yīng)用于自動(dòng)插件的系統(tǒng)，為了提高異型電子元器件裝配方面的自動(dòng)化水平及插件的效率，減少電子制造業(yè)中的工序數(shù)量和生產(chǎn)設(shè)備的占用空間，設(shè)計(jì)了一種雙SCARA機(jī)器人異型插件系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件層面采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的架構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上下位關(guān)系清晰；在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)引入了模塊化的編程思想，有效的縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。根據(jù)異型元件和PCB自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在目標(biāo)識(shí)別時(shí)采用特征提取的方法，結(jié)果表明該方法具有很高的可靠性。最后通過(guò)在樣機(jī)上實(shí)驗(yàn)成功完成了異型元件的自動(dòng)化裝配，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括工控機(jī)、雙SCARA 機(jī)器人本體、兩臺(tái)控制器、視覺(jué)系統(tǒng)和PCB傳送裝置等。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個(gè)SCARA機(jī)器人分別由兩臺(tái)控制器控制，通過(guò)Ethernet與上位機(jī)連接。本系統(tǒng)采用的是基于“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”形式的集中式控制體系，PC作為上位機(jī)，對(duì)每個(gè)機(jī)器人進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并接受機(jī)器人的反饋信息；運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各軸的實(shí)時(shí)控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System Structure Diagram

2.1 SCARA機(jī)器人本體

SCARA機(jī)器人由3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組成，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在平面上的定位具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，特別適合于裝配作業(yè)。雙SCARA機(jī)器人是整個(gè)硬件系統(tǒng)中的執(zhí)行部件，負(fù)責(zé)插件任務(wù)，它們分別位于PCB傳送裝置的兩側(cè)，各自配有兩個(gè)料盤(pán)，末端裝有氣動(dòng)夾爪。

2.2 上位機(jī)

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，需要實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人的反饋及各I/O 的狀態(tài)，計(jì)算量比較大。此外，上位機(jī)所要連接的外部設(shè)備也比較多，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)采用的上位機(jī)為嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機(jī)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，擴(kuò)展接口多，能滿足與多種類型外部設(shè)備的通訊。

2.3 PCB傳送裝置

PCB傳送裝置采用的是單段式皮帶線，其寬度與PCB剛好相吻合，由一個(gè)交流電機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)的皮帶線運(yùn)動(dòng)，皮帶線上放置PCB，而交流電機(jī)的啟停由每個(gè)傳感器的狀態(tài)決定，頂板和阻擋位由氣缸控制。

2.4 視覺(jué)系統(tǒng)

用機(jī)器視覺(jué)代替人的眼睛來(lái)識(shí)別與定位目標(biāo)，可以避免人眼疲勞這一缺陷且能夠24小時(shí)不停工作。視覺(jué)系統(tǒng)主要包括三個(gè)工業(yè)相機(jī)（CCD1、CCD2和CCD3）、光學(xué)鏡頭、圖像采集卡和圖像處理軟件等。工業(yè)相機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與主機(jī)相連，其中CCD1和CCD2安裝于雙SCARA異型插件機(jī)底座上方，視野朝上，用于對(duì)SCARA機(jī)器人所夾持的異型插件針腳進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)以及位姿計(jì)算；CCD3安裝在SCARA2上，視野朝下，用于計(jì)算PCB的位姿，從而得到插件的目標(biāo)位置。

2.5 控制器

系統(tǒng)采用某公司的驅(qū)控一體機(jī)，可以對(duì)四個(gè)軸進(jìn)行控制，同時(shí)配有相對(duì)應(yīng)的手持示教器，方便用戶的手動(dòng)操作。驅(qū)控一體機(jī)集成了多個(gè)控制模塊CPU，內(nèi)置有高性能伺服驅(qū)動(dòng)模塊、I/O模塊、顯示模塊、通訊模塊。單軸功率低于1.2KW，四軸合計(jì)功率低于3KW；I/O接口豐富，滿足插件系統(tǒng)I/O控制的需求；運(yùn)動(dòng)控制功能有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)、軌跡跟隨和各類加減速等；支持RS-232、Ethernet、USB等總線擴(kuò)展方式，方便數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在Windows平臺(tái)上，常用的編程語(yǔ)言有Visual Basic、C、C++等，為了方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)充以及進(jìn)行人機(jī)交互，以C++為編程語(yǔ)言，基于Qt Creator設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件。在軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用模塊化的思想，將整個(gè)系統(tǒng)分為通訊模塊、機(jī)器人控制模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、仿真模塊、視覺(jué)模塊、IO模塊和軌跡規(guī)劃模塊等。

3.1 通訊模塊

通訊的建立至關(guān)重要，只有成功的連接上各個(gè)設(shè)備，才能進(jìn)行后續(xù)的操作。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)與視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人控制器之間通過(guò)TCP協(xié)議通訊，上位機(jī)作為客戶端（Client），視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人控制器作為服務(wù)端（Server），連接成功后，服務(wù)端不斷監(jiān)聽(tīng)客戶端的控制指令，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后發(fā)送到全局地址中，控制器根據(jù)這些收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3.2 仿真模塊

仿真可以用于模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，驗(yàn)證算法的可行性，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)減小不必要的損失。在本系統(tǒng)中，為了更好的融入Qt，系統(tǒng)的仿真采用Coin3D開(kāi)發(fā)。按照1：1的比例建立好三維模型后，通過(guò)設(shè)置各模塊的坐標(biāo)系、輸入?yún)?shù)索引、關(guān)節(jié)限位、透明度、顏色等以及相鄰模塊間的位姿關(guān)系，即可導(dǎo)入Coin3D仿真平臺(tái)。在離線模式時(shí)，只需給機(jī)器人設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)的位姿，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算，可以得到在不同位姿下各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，然后通過(guò)關(guān)節(jié)空間插補(bǔ)的方法及正解計(jì)算，在操作空間生成一條無(wú)碰的路徑，模仿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，用戶可以將該路徑保持下來(lái)發(fā)給實(shí)際機(jī)器人執(zhí)行；當(dāng)系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)器人連接上時(shí)，仿真動(dòng)畫(huà)可以實(shí)時(shí)跟隨機(jī)器人的運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

本系統(tǒng)的運(yùn)行流程，如圖2所示。啟動(dòng)系統(tǒng)后，首先會(huì)運(yùn)行初始化程序，并檢查機(jī)器人上位機(jī)與驅(qū)控一體機(jī)的通訊狀態(tài)、視覺(jué)系統(tǒng)通訊狀態(tài)以及各IO的狀態(tài)，如果有異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送相關(guān)警告信息，直到異常解除后才能進(jìn)入下一步工作。之后進(jìn)入準(zhǔn)備階段，先恢復(fù)視覺(jué)軟件的狀態(tài)，然后運(yùn)行軌跡規(guī)劃算法，即無(wú)碰路徑生成器，確保兩個(gè)SCARA機(jī)器人處于原點(diǎn)位置，復(fù)位所有IO端口。

圖2 雙SCARA異型插件系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.2 Process of Odd-form Component Insertion System of Dual-SCARA

系統(tǒng)進(jìn)入插件流程后，運(yùn)行邏輯控制器，首先通過(guò)PCB傳送裝置中的紅外傳感器檢測(cè)PCB是否到達(dá)指定位置，如果未檢查到PCB，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟傳送帶，傳送PCB并將其固定到插件區(qū)域，兩個(gè)SCARA 機(jī)器人到料盤(pán)中夾取異型插件，并分別運(yùn)送到CCD1 和CCD2中檢測(cè)，如果異型插件的針腳發(fā)生了彎曲或斷裂，則系統(tǒng)會(huì)將其淘汰并讓機(jī)器人重新取料，如果通過(guò)檢測(cè)，兩個(gè)SCARA機(jī)器人會(huì)通過(guò)系統(tǒng)生成的無(wú)碰軌跡將該異型插件安插在目標(biāo)位置。

4 視覺(jué)檢測(cè)分析

在異型元件的自動(dòng)化插裝系統(tǒng)中，需要通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)異型元件和PCB進(jìn)行識(shí)別。而在視覺(jué)檢測(cè)中，圖像的處理是其關(guān)鍵技術(shù)，目前，圖像處理算法不具通用性，需要根據(jù)具體產(chǎn)品制定相應(yīng)的檢測(cè)算法。通過(guò)相機(jī)采集到圖像后，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、分割和特征提取等操作。

4.1 圖形預(yù)處理

在實(shí)際的工作環(huán)境中，相機(jī)采集的圖像上往往有許多噪聲，這對(duì)后期的異型元件和PCB檢測(cè)會(huì)造成很大的干擾，因此，在圖像分割前需要先去除圖像噪聲。

經(jīng)過(guò)對(duì)采集到的異型元件圖像和PCB圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩者圖像上的噪聲主要是高斯噪聲，故選取高斯濾波[7]對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。公式如下：

式中：G(x，y，σ)—5×5 的高斯濾波模板；f1(x，y)—含有噪聲的像素值；f2(x，y)—濾波后的像素值。

4.2 圖像分割

在對(duì)異型元件進(jìn)行識(shí)別時(shí)，只需要識(shí)別出異型元件圖像上的某個(gè)區(qū)域即可，比如大塊的方形區(qū)域。圖像分割是在一定的標(biāo)準(zhǔn)下，將圖像中相似的像素點(diǎn)歸為一類，表明它們是同一個(gè)區(qū)域。通過(guò)圖像分割處理，可以將預(yù)處理后的圖像分解為若干互不交涉區(qū)域的集合[8]。

圖像分割的方法有很多，包括基于閾值的分割法、基于邊緣或區(qū)域的分割法和基于數(shù)學(xué)形態(tài)的分割法等。由于在本插件系統(tǒng)中，異型元件采用萃盤(pán)上料，其表面具有大量的線性和面性特征，且目標(biāo)對(duì)象與背景圖像的灰度有較大差異，故采用基于閾值的分割法，并根據(jù)最大類間方差法選定閾值的大小。

設(shè)原圖像為f(x，y)，所選的閾值為T(mén)，經(jīng)過(guò)閾值分割后的圖像為g(x，y)，則有：

從而將圖像分割為背景區(qū)域（標(biāo)記為0的像素點(diǎn)的集合）和前景區(qū)域（標(biāo)記為1的像素點(diǎn)的集合）。

4.3 特征提取

在對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位之前，需要提取出圖像上的特征信息。特征提取指的是使用不同的算法確定圖像上的點(diǎn)或連通域是否屬于一個(gè)圖像特征。通常提取的特征主要有周長(zhǎng)、面積、圓形度和矩形度等[9]，對(duì)于異型元件和PCB，可以將面積、圓形度和矩形度作為關(guān)鍵特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和位姿測(cè)量。

4.3.1 面積

面積是連通域S內(nèi)的像素值之和，可以表示為：

4.3.2 圓形度和矩形度

圓形度和矩形度特征的計(jì)算方法類似，圓度表示連通區(qū)域與標(biāo)準(zhǔn)圓形的相似度，矩形度是連通域的面積與其最小外接矩形面積之比。計(jì)算圓形度或矩形度的公式如下：

其中，相似度δ的值在0到1之間，其值越大，表明該特征越接近圓形（或矩形）。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性和可行性，以及檢測(cè)本系統(tǒng)在實(shí)際插件應(yīng)用中的效果，進(jìn)行了避碰仿真實(shí)驗(yàn)、異型元件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和具體的插件實(shí)驗(yàn)。

5.1 雙SCARA避碰仿真實(shí)驗(yàn)

在本仿真實(shí)驗(yàn)中，以兩個(gè)SCARA 機(jī)器人的零點(diǎn)位置為起點(diǎn)，以它們各自取料處上方的某點(diǎn)為終點(diǎn)，在系統(tǒng)中分別記錄這兩點(diǎn)的機(jī)器人構(gòu)型，然后生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡[10]。為保證機(jī)器人能夠成功的避碰，每條運(yùn)動(dòng)軌跡被分成了多段，機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，在同一時(shí)刻，它們會(huì)運(yùn)動(dòng)到各自的關(guān)鍵點(diǎn)處。如圖3所示，紅色的機(jī)器人代表SCARA1，藍(lán)色的代表SCARA2，兩條相交的曲線是它們運(yùn)動(dòng)的路徑。

圖3 雙SCARA避碰仿真Fig.3 Collision Avoidance Simulation of Dual-SCARA

從圖中可以看到，如果一開(kāi)始兩個(gè)機(jī)器人就相向而行，那么它們必然會(huì)在中途發(fā)生碰撞。所以為了避免發(fā)生碰撞，當(dāng)SCARA2從起點(diǎn)向終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，SCARA1先是有一個(gè)反方向的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖3（b）所示，當(dāng)SCARA2運(yùn)動(dòng)到不會(huì)與SCARA1發(fā)生碰撞的安全位置后，SCARA1才開(kāi)始向靠近終點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)，如圖3（c）所示。最終，兩個(gè)SCARA機(jī)器人成功的運(yùn)動(dòng)到了目標(biāo)位置。

5.2 異型元件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于不同的異型元件，所選用的特征信息也不同，本例中元件A的頭部和B的正面都呈矩形，引腳截面呈圓形，且元件A有3個(gè)引腳，元件B有2個(gè)引腳，據(jù)此作為檢測(cè)的依據(jù)，如表1所示，其中WR代表圓形度，WC代表矩形度。

表1 特征信息參數(shù)Tab.1 Feature Information Parameters

對(duì)這兩種元器件分別進(jìn)行了100組重復(fù)檢測(cè)試驗(yàn)，其中元件A 的檢測(cè)成功率約為97%，平均耗時(shí)5.73ms，元件B 的檢測(cè)成功率約為99%，平均耗時(shí)5.92ms，它們的檢測(cè)時(shí)間比較接近，而元件A的檢測(cè)成功率偏低的原因可能是其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，引腳更多。元件A的檢測(cè)過(guò)程，如圖4所示。

圖4 元件A檢測(cè)過(guò)程Fig.4 The Detection Process of Component A

5.3 基于雙SCARA機(jī)器人的異型插件系統(tǒng)插件實(shí)驗(yàn)

雙SCARA機(jī)器人每次總共可以安插4個(gè)異型元件，需要事先在軟件中設(shè)定它們?cè)赑CB中的位姿，然后通過(guò)矩陣變換得到它們?cè)诟鳈C(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿，而取件和插件位置的精定位是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量的。本系統(tǒng)中，PCB的孔徑為0.8mm，異型元件引腳直徑為0.6mm，機(jī)器人最大運(yùn)行速度約為5m/s。在相同速度下不同元件的插件結(jié)果，如表2所示。同一元件在不同速度的插件結(jié)果，如表3所示。由表格數(shù)據(jù)可知，該異型插件系統(tǒng)受異型元件引腳數(shù)量和機(jī)器人運(yùn)行速度的影響較小，穩(wěn)定性較好，具有較高的實(shí)用意義。

表2 相同速度下不同元件插件結(jié)果Tab.2 Different Component Plug-in Results at the Same Speed

表3 同一元件在不同速度插件結(jié)果Tab.3 Different Speed Plug-in Results for the Same Component

6 總結(jié)與展望

設(shè)計(jì)了一種雙SCARA 機(jī)器人異型插件系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了基于“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”架構(gòu)形式的集中式控制體系，以及硬件系統(tǒng)的主要部件，包括SCARA機(jī)器人本體、上位機(jī)、PCB傳送裝置、視覺(jué)系統(tǒng)和控制器。采用面向?qū)ο蟮腃++為編程語(yǔ)言，基于Qt Creator設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)。此外，提出了異型元件和PCB的視覺(jué)檢測(cè)方案，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在目標(biāo)識(shí)別時(shí)采用特征提取的方法。最后，通過(guò)仿真平臺(tái)和實(shí)際平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性，所開(kāi)發(fā)的雙SCARA機(jī)器人異型插件系統(tǒng)能有效的減少電子制造業(yè)中的工序數(shù)量和生產(chǎn)設(shè)備的占用空間，對(duì)異型電子元器件的快速插裝和多機(jī)器人系統(tǒng)的研究具有較大的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。在后續(xù)的工作中，將進(jìn)一步研究如何提高插件的精度以及對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高插件作業(yè)的成功率和效率。