基于工業(yè)機(jī)械臂和視覺定位的高精度柔性定位技術(shù)研究

彭佳欣

（寧夏小牛自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司，寧夏 銀川 750011）

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械臂在生產(chǎn)制造中扮演著越來越重要的角色。然而，傳統(tǒng)的固定定位方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高精度、高速度柔性定位的需求。為了解決這一問題，研究人員開始將工業(yè)機(jī)械臂與視覺定位技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更精確、更靈活的定位應(yīng)用。視覺定位技術(shù)作為一種強(qiáng)大的感知和定位手段，可以通過圖像處理和算法分析來實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位。工業(yè)機(jī)械臂配合視覺定位技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位任務(wù)，還能在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)感知和適應(yīng)環(huán)境變化，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 視覺系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中檢測(cè)方向，各種檢測(cè)算法的優(yōu)劣

1.1 檢測(cè)方向

（1）物體識(shí)別與分類。視覺系統(tǒng)可以通過圖像處理算法，對(duì)工作環(huán)境中的不同物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分類。通過對(duì)物體的特征提取和匹配，可以準(zhǔn)確判斷出目標(biāo)物體的類型和屬性。

（2）目標(biāo)定位與跟蹤。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要將機(jī)械臂定位到目標(biāo)物體的位置，以便進(jìn)行后續(xù)的操作。視覺系統(tǒng)可以通過對(duì)目標(biāo)物體在圖像中的位置進(jìn)行精確定位，并實(shí)時(shí)追蹤目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)，確保機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確地抓取或操作目標(biāo)物體。

（3）缺陷檢測(cè)與質(zhì)量控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是非常重要的。視覺系統(tǒng)可以利用圖像處理算法，對(duì)產(chǎn)品的表面缺陷、尺寸偏差等進(jìn)行檢測(cè)和判定。通過視覺系統(tǒng)的輔助，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

（4）姿態(tài)估計(jì)與形狀分析。在某些工業(yè)應(yīng)用中，需要對(duì)目標(biāo)物體的姿態(tài)和形狀進(jìn)行分析。視覺系統(tǒng)可以通過圖像處理算法，提取目標(biāo)物體的特征點(diǎn)或邊緣，并通過幾何學(xué)模型進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)和形狀分析。

1.2 各種檢測(cè)算法的優(yōu)劣

（1）傳統(tǒng)機(jī)器視覺算法。傳統(tǒng)機(jī)器視覺算法主要基于圖像處理和特征提取的技術(shù)，如邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)、輪廓提取等。這些算法相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于部分場(chǎng)景下的目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)。但是，對(duì)于復(fù)雜背景和光照條件變化較大的情況，傳統(tǒng)機(jī)器視覺算法的準(zhǔn)確性和魯棒性較差。

（2）深度學(xué)習(xí)算法。深度學(xué)習(xí)算法近年來在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了巨大的突破。通過構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像特征的自動(dòng)學(xué)習(xí)和提取。深度學(xué)習(xí)算法在目標(biāo)檢測(cè)和圖像分類等任務(wù)上具有較高的準(zhǔn)確性和魯棒性。同時(shí)，通過使用大規(guī)模的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，深度學(xué)習(xí)算法還可以適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。

2 機(jī)械臂控制原理，動(dòng)作抓取避障最優(yōu)最快路徑選擇

2.1 機(jī)械臂控制原理

機(jī)械臂的控制原理基于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和執(zhí)行器控制，以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)和位置控制。在控制機(jī)械臂時(shí)，需要考慮關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)和協(xié)調(diào)，以及末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)控制。

機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是指根據(jù)特定的任務(wù)和要求，通過規(guī)劃關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。常見的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法包括關(guān)節(jié)空間規(guī)劃和笛卡爾空間規(guī)劃。關(guān)節(jié)空間規(guī)劃通過規(guī)劃關(guān)節(jié)角度的變化來控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)自由度和精度。而笛卡爾空間規(guī)劃則通過規(guī)劃末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)來控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，適用于需要特定位置和姿態(tài)的任務(wù)。

機(jī)械臂的執(zhí)行器控制是指控制關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)所需的力、速度和位置控制。執(zhí)行器控制通常使用PID 控制器或其他高級(jí)控制算法，通過反饋信號(hào)來調(diào)整執(zhí)行器的輸出，以達(dá)到期望的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。

2.2 動(dòng)作抓取避障最優(yōu)最快路徑選擇

在機(jī)械臂的動(dòng)作抓取過程中，需要選擇最優(yōu)最快的路徑，以提高效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，還要考慮避免障礙物和碰撞的問題。

動(dòng)作抓取路徑的選擇可以采用規(guī)劃算法，如A*算法、Dijkstra 算法等。這些算法能夠根據(jù)目標(biāo)位置和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)約束，快速計(jì)算出最優(yōu)的路徑。同時(shí)，還可以考慮使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)最優(yōu)路徑，并進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。

避障問題是機(jī)械臂動(dòng)作抓取中需要解決的關(guān)鍵問題之一。常見的避障方法包括基于傳感器的障礙物檢測(cè)和基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃。傳感器如激光雷達(dá)、攝像頭等能夠感知周圍環(huán)境，并通過數(shù)據(jù)處理和算法判斷是否存在障礙物。路徑規(guī)劃方法則根據(jù)環(huán)境模型和障礙物信息，尋找可行的、避開障礙物的路徑，以實(shí)現(xiàn)安全和高效的動(dòng)作抓取。

3 視覺和機(jī)械臂坐標(biāo)系的統(tǒng)一、精度與速度提升方案、旋轉(zhuǎn)中心的實(shí)操辦法

3.1 視覺和機(jī)械臂坐標(biāo)系的統(tǒng)一

在工業(yè)機(jī)械臂配合視覺定位的應(yīng)用中，視覺系統(tǒng)和機(jī)械臂往往具有不同的坐標(biāo)系。為了實(shí)現(xiàn)精確的柔性定位，需要將兩者的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一。這可以通過坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。標(biāo)定過程中，需要準(zhǔn)備一個(gè)已知位置的標(biāo)定物體，并在機(jī)械臂工作區(qū)域內(nèi)放置它。然后，使用視覺傳感器拍攝標(biāo)定物體的圖像，并通過圖像處理算法提取出標(biāo)定物體的特征信息。根據(jù)標(biāo)定物體在圖像中的幾何關(guān)系，可以計(jì)算出視覺系統(tǒng)與機(jī)械臂坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。通過應(yīng)用該轉(zhuǎn)換矩陣，可以將視覺檢測(cè)到的目標(biāo)位置映射到機(jī)械臂坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的統(tǒng)一。

3.2 精度與速度提升方案

要提高工業(yè)機(jī)械臂在配合視覺定位下的精度和速度，必須優(yōu)化控制算法和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，以提高機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度。可以采用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法，如PID 控制或模型預(yù)測(cè)控制，結(jié)合機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡跟蹤。同時(shí)，還要改善傳感器的精度和響應(yīng)速度，以提高對(duì)目標(biāo)物體位置和姿態(tài)的檢測(cè)能力。可以采用高分辨率的視覺傳感器、精準(zhǔn)的力傳感器等先進(jìn)傳感器技術(shù)，并通過合理的信號(hào)處理方法提高傳感器的性能。最后，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和減小負(fù)載慣性矩，以實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)動(dòng)速度。可以采用輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)等方法，減小機(jī)械臂的質(zhì)量和慣性，從而提高加速度和速度的響應(yīng)能力。

3.3 旋轉(zhuǎn)中心的實(shí)操辦法

要選擇一個(gè)已知形狀和尺寸的校準(zhǔn)板或標(biāo)定物體，并將其放置在工作區(qū)域內(nèi)。然后，使用相機(jī)拍攝校準(zhǔn)板或標(biāo)定物體的圖像，并通過圖像處理算法提取出其特征點(diǎn)或邊緣信息。其次，根據(jù)幾何關(guān)系和坐標(biāo)變換，可以計(jì)算出機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)中心位置。這可以通過標(biāo)定板上已知的幾何特征來實(shí)現(xiàn)，例如，角點(diǎn)、直線或孔洞等。在計(jì)算旋轉(zhuǎn)中心位置時(shí)，需要考慮相機(jī)和機(jī)械臂坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)標(biāo)定板的幾何信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算。通過這種實(shí)操辦法，可以確定機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)中心的精確位置，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位控制。

3.4 維護(hù)保養(yǎng)注意的方案

相關(guān)人員應(yīng)該定期檢查機(jī)械臂的各個(gè)部件，包括關(guān)節(jié)、傳動(dòng)系統(tǒng)和傳感器等，確保它們的功能正常。定期檢查包括檢查零部件的磨損情況、潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。同時(shí)，還要注意對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行清潔，特別是接觸灰塵和雜物較多的地方。清潔過程中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那鍧崉┖凸ぞ撸⒆⒁夥乐谷魏我后w進(jìn)入機(jī)械臂內(nèi)部。另外，建立維護(hù)保養(yǎng)記錄，并制定相應(yīng)的故障排除策略，以便在出現(xiàn)問題時(shí)能夠快速解決。通過合理的維護(hù)保養(yǎng)方案，可以確保機(jī)械臂的穩(wěn)定運(yùn)行，提高其可靠性和使用壽命。

4 維護(hù)保養(yǎng)注意的方案

4.1 定期清潔和潤(rùn)滑

機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的正常工作需要保持其表面的清潔，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑。定期清潔機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的各個(gè)部件，包括關(guān)節(jié)、傳感器和相機(jī)等。使用適當(dāng)?shù)那鍧崉┖凸ぞ撸_保機(jī)械部件的表面干凈，并清除積塵和污漬。同時(shí)，根據(jù)制造商的建議，對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑，以減少摩擦和磨損。在進(jìn)行清潔和潤(rùn)滑時(shí)，需要注意安全事項(xiàng)，如關(guān)閉電源和采取防護(hù)措施，避免對(duì)人員和設(shè)備造成傷害和損壞。

4.2 檢查和校準(zhǔn)

機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)需要定期檢查其各個(gè)關(guān)節(jié)、傳感器和控制器，以確保其正常工作。檢查關(guān)節(jié)是否存在松動(dòng)或磨損，檢查傳感器是否準(zhǔn)確響應(yīng)。如果發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。此外，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)控制。校準(zhǔn)的過程可以使用標(biāo)定工具和方法，根據(jù)制造商的指導(dǎo)進(jìn)行操作。定期的檢查和校準(zhǔn)可以幫助發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并保持機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

4.3 維修和更換

機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)在工作中可能會(huì)出現(xiàn)故障或部件老化，需要及時(shí)響應(yīng)并進(jìn)行維修和更換。維修時(shí)，應(yīng)遵循制造商提供的維修手冊(cè)和操作規(guī)程，確保操作正確和安全。對(duì)于無法修復(fù)的嚴(yán)重故障或老化的部件，應(yīng)及時(shí)更換。及時(shí)的維修和更換可以保證機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的正常工作和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4.4 系統(tǒng)校驗(yàn)和測(cè)試

定期進(jìn)行系統(tǒng)的校驗(yàn)和測(cè)試，以驗(yàn)證機(jī)械臂和視覺定位的性能和精度。可以使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工件或任務(wù)來進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)比實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果，檢查是否存在偏差和誤差。如果發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)調(diào)整和校正，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于高精度定位應(yīng)用，特別需要進(jìn)行定期的系統(tǒng)校驗(yàn)和測(cè)試，以保證其工作精度和穩(wěn)定性。

4.5 數(shù)據(jù)備份和記錄

對(duì)機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的配置文件、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)備份。同時(shí)，建立維護(hù)保養(yǎng)的記錄和文檔，詳細(xì)記錄每次維護(hù)保養(yǎng)的時(shí)間、內(nèi)容和結(jié)果。這樣可以追蹤維護(hù)保養(yǎng)的歷史，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和趨勢(shì)，并做出相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整。建立健全的數(shù)據(jù)備份和記錄系統(tǒng)，可以幫助提高機(jī)械臂和視覺系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，以及對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期的管理和維護(hù)

5 結(jié)語

總之，基于工業(yè)機(jī)械臂配合視覺定位的高精度、高速度下的柔性定位應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用提供了有益的探索和思路，對(duì)于推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。未來的工作將進(jìn)一步完善技術(shù)細(xì)節(jié)，并探索其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為工業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化做出貢獻(xiàn)。