擇要：針對傳統(tǒng)PC構件手工拆裝模出產功課職員多、占地面積年夜跟工位利用率低的生產方式，聯(lián)合機器人運動控制技術、激光掃描技巧跟圖象感知技巧，提出了一種基于3D視覺引誘的直角坐標系機器人體系。正在論述視覺引誘機器人自動拆裝模具原理的根底上，計劃了一種針對混凝土預制構件拆裝模具的四自由度直角坐標系機器人體系，開辟了基于EtherCAT總線的分布式節(jié)制軟硬件體系，并停止工場實際出產測試。測試結果表明：該機器人可以間接由圖紙驅動自動實現(xiàn)PC構件的拆模跟裝模等焦點出產進程；模具辨認準確率高于99.5%；單個模具的裝模節(jié)奏少于20s；抓手中間反復定位精度到達±1mm。為混凝土預制構件拆裝模實現(xiàn)齊自動化功課供給了完全解決方案。
近年來，跟著經濟的快捷開展，勞動力本錢的回升，預制構件加工精度與質量、裝配式建筑施工技巧跟管理水平的進步和國度政策因素的鞭策，預制裝配式修筑顯現(xiàn)快捷開展的態(tài)勢[1]?；炷令A制構件是實現(xiàn)修筑主體布局預制的根底，而以后海內PC構件生產線配備的自動化程度近不克不及知足室第工業(yè)化的開展需要[2]。按構件圖紙外形跟尺寸停止模具拼接跟組裝、構件出產實現(xiàn)后的模具蕩滌與收受接管等進程是PC構件出產的焦點環(huán)節(jié)[3]?，F(xiàn)階段，海內PC生產線次要以手工或機器幫助拆裝模為主，而外洋用于拆裝模具的機器人價錢高且不克不及順應海內出筋構件的出產。
為此，本文提出一種基于3D視覺引誘的直角坐標系機器人體系，并正在此基礎上開辟了用于拆裝模具的機器抓手、用于出產出筋構件的模具和其他幫助機構。最初對全部機器人體系停止了實際出產測試與剖析，無效進步了體系的控制精度跟節(jié)奏，完整知足PC生產線關于拆模跟裝模的齊自動化出產需要。
1機器人本體結構設計
正在工業(yè)機器人范疇中，直角坐標機器人是存在多個自由度的一種典范多用途工業(yè)機器人，各自由度可建成空間直角關聯(lián)，該機器人運動簡略，承載能力強[4]。本文所計劃的直角坐標機器人有4個自由度，可能動員機器抓手正在三維空間中沿X軸、Y軸和Z軸停止程度挪動，Z軸上的抓手可以盤繞Z軸停止扭轉。
所述直角坐標機器人本體布局模子如圖1所示，次要由三軸聯(lián)動龍門架和裝置正在三軸聯(lián)動龍門架上的機械手跟模具辨認傳感器模塊構成，此中三軸聯(lián)動龍門架包羅X軸桁架、Y軸導軌、YZ滑臺跟Z軸導軌。機器人中的4個樞紐由4個伺服電機停止驅動，經由過程現(xiàn)場總線實現(xiàn)機器人的精確定位、PC構件出產的模具裝配后辨認收受接管、畫線、裝模等事情，極大進步了出產服從，可根絕人為因素招致的產物尺寸偏差顛簸年夜，制止出產安全隱患。
1.X軸桁架2.Y軸桁架3.Z軸桁架4.R軸扭轉抓手5機器人控制柜圖14軸直角機器人本體布局
機器抓手布局如圖2所示，次要由抓手主體、夾抓模塊、敲磁釘模塊、中間定位模塊跟畫線模塊構成。抓手主體上絕對裝置有兩組夾抓模塊，兩組夾抓模塊內離別裝置敲磁釘模塊，定位模塊與抓手主體毗鄰，畫線噴油模塊與定位模塊毗鄰。夾爪、敲磁釘跟中間定位模塊均為氣動布局，正在抓手進氣管講上裝置有壓力檢測傳感器，擔任檢測體系壓力是不是正在平安規(guī)模內。
1.中間定位插銷2.噴墨畫線機構3.激光測距傳感器4.敲磁釘氣缸5.高低氣缸6.壓力傳感器7.電磁閥島8.抓手機構圖2拆裝模機器人抓手布局
23D視覺體系計劃
2.1體系構成
所計劃的視覺體系硬件以PC作為控制中心，由200萬像素工業(yè)相機、半導體線激光器和響應的傳感器固定裝置構成。系統(tǒng)軟件為基于Opencv開辟的對應的線激光處置懲罰算法。工業(yè)相機跟半導體線激光以流動的角度跟高度裝置正在拆裝模機器人Z軸。體系運轉時，激光器收回一條布局光映照正在待掃描事情臺上，經由過程拆裝模機器人X標的目的勻速挪動實現(xiàn)對全部工作臺模具的掃描，天生點云圖象，顛末圖像處理后輸出模具的角度跟坐標信息，以便于機械手拆模。
2.2丈量原理
所搭建的3D視覺體系基于布局光丈量技巧，采取激光三角測距原理[5]，如圖3所示，線激光映照正在被測物上概況，被工業(yè)相機吸收，面A、B是激光束正在分歧高度的被測物概況上的中間地位，面A′、B′是工業(yè)相機靶面上的像面，面A所在的立體設為基準面，AO的距離已知，由此可計較出高度H。
圖33D視覺系統(tǒng)結構示意圖
機器人帶著模具辨認傳感器模塊以流動速率沿X標的目的運動至全部事情平臺掃描完畢。
2.3點云圖象處理
分揀機器人的傳感器技術起首將相機標定至機器人坐標系下，每一幀圖像中激光線上X標的目的的面由機器人地位給出，Y標的目的的點取相機像素坐標，Z標的目的的高度值H可以計較得出，經由過程接連掃描全部工作臺，失掉事情臺上一切像素點的三維點云。
為進一步供出三維點云對應的模具特點信息，須要將三維點云停止立體模子投影濾波，將三維點云投影到Z=0也就是X-Y立體上[6]。點云投影并不克不及間接獲得模具特點，轉換實現(xiàn)的二維圖象須包括每一個面的深度，可用灰度圖顏色的深淺去默示原點云數(shù)據(jù)的深度。經由過程設置公道的灰度(深度)閾值失掉事情平臺的二值圖像。
由三維點云求解失掉的二值圖象存在良多噪點和小的孔洞，這些皆會影響終極模具辨認的準確性，可以經由過程二值圖象的根本形態(tài)學運算辦理這些滋擾。起首經由過程對圖像腐化可能溶解連通區(qū)域的鴻溝，取舍得當巨細跟外形的布局元素，可以濾撤除一切不克不及完整包括布局元素的噪聲面[7]。腐化后的模具圖像會變得比原始圖像更肥大，是以腐化后的圖像須要再停止收縮復原，以使圖象的表面變得潤滑，終極求解出方針模具的外接矩形表面。
2.4拆模門路計劃
由上可以失掉每一個模具正在X-Y立體的中間坐標跟角度。每一個模具存在同一的高度，機器人依據(jù)此中心坐標跟角度便可以停止抓取后收受接管。機器人須要遍歷每一個模具的中間一次，使機器人遍歷的門路最短等價于求解加權完整無向圖中接見每一個極點的總權數(shù)最小的閉路，又稱之為最優(yōu)哈密頓回路[8]?，F(xiàn)階段借不一種無效的算法去求解最優(yōu)哈密頓回路，可利用近似算法辦理該問題[。起首隨意率性拔取此中一個結點作為出發(fā)點，每一步皆探求離上一步距離最短的面作為下一個結點，終極可以失掉機器人近似最優(yōu)門路軌跡。
3機器人控制系統(tǒng)計劃
3.1體系總體設計
拆裝模機器人控制系統(tǒng)硬件布局如圖8所示.拆裝模機器人次要節(jié)制跟檢測的工具為直角機器人X、Y、Z跟R軸伺服電機、機器人主站模塊、模具運送體系、工作臺清算體系跟機器抓手模塊。拆裝模機器人體系次要由運動節(jié)制下位機、3D視覺模塊、當?shù)厣衔蝗藱C交互體系跟中控室MES體系的機器人經管模塊構成。
3.2系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
針對體系硬件的設計方案，用ST布局文本語言正在TwniCAT中編寫機器人節(jié)制主程序、機器人跟MES體系通信接口順序和機器人跟上位機HMI通信接口順序。
體系使命類型跟構件圖紙數(shù)據(jù)由中控室MES體系下發(fā)，次要分為掃描拆模跟繪線裝模兩種使命類型。掃描拆模：機器人收到使命后會斷定模具緩存庫空位是不是充足，如有充足的庫位則間接啟動機器人跟3D視覺體系勻速沿X標的目的掃描全部模具平臺，失掉平臺上每一個像素點的3維坐標值，并進一步提取模具特點，失掉平臺上一切模具正在機器人坐標系下的中間坐標、角度跟長度，按最短門路準則天生機器人拆模運動軌跡；繪線裝模：起首對MES下發(fā)的圖紙數(shù)據(jù)停止完整性跟正確性校驗，數(shù)據(jù)無異常則按構件中表面、預埋件表面坐標分類存儲正在機器人順序內存中，依據(jù)中表面外形特點跟邊長得出每條邊的最優(yōu)模具拼接組合，依據(jù)預埋表面的外形信息得出機器人X、Y兩軸直線跟圓弧插補舉措表，最初依據(jù)模具實際庫存數(shù)據(jù)天生機器人運動軌跡。
體系當?shù)厣衔粰C人機交互界面基于開辟。Qt存在優(yōu)越的結構化、靈巧的面向對象的布局和明晰的文檔跟直觀的API，為開辟跨平臺桌面應用程序人機交互界面供給了優(yōu)越的撐持[11]。利用倍福公司供給的ADS通信和談實現(xiàn)控制器與上位機HMI及MES體系通信。ADS正在傳輸層上利用的是TCP和談，撐持句柄間接接見變量數(shù)據(jù)，可能便利實現(xiàn)PC跟控制器的通信，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)運轉時與人機界面的數(shù)據(jù)交換。
體系觸模屏次要由操作員登岸、出產監(jiān)控、系統(tǒng)管理、使命列表跟掃描辨認等監(jiān)控畫面構成。
點擊左上角的Logo圖標便可返回機器人體系主界面，從主界面可以快捷進入其他各界里：出產監(jiān)控界面可以動態(tài)顯示MES體系下發(fā)的圖紙、每一個軸的運動形態(tài)和出產進度；系統(tǒng)管理界面次要實現(xiàn)模具、模具庫經管和要害地位的示教；使命列表界面用于顯現(xiàn)機器人門路計劃的成果；掃描辨認界面用于3D視覺辨認成果及門路計劃信息顯現(xiàn)。機器人出產監(jiān)控界面如圖12所示。
圖11人機界面節(jié)制窗口關聯(lián)圖
圖12當?shù)厣衔粰CHMI出產監(jiān)控界面
4試驗剖析
機器人抓手中間裝置有一個用于繪構件輪廓線的自動噴液機構，可以將構件圖紙表面正在事情平臺繪出來。抓手中間Z標的目的裝有一個激光測距傳感器，次要用于檢測瀕臨方針物體的距離并反應給控制器停止決策控制。激光傳感器的性能參數(shù)如表1所示。
試驗1：將激光傳感器離別裝置正在激光指向X、Y、Z軸標的目的上校準后停止定位測試，將被測尺度立體塊流動正在事情臺上停止測試，機器人反復定位精度測試成果如表2所示。
表2中Δd為節(jié)制某個軸運動指定位移后激光測距的變更量，測試失掉的最大絕對誤差是0.7mm，由此可知抓手中間反復定位精度可到達±1mm。
分揀機器人的局限性試驗2：將出產用的模具隨機放在畸形出產用的事情平臺上(保障模具沒有超越視線鴻溝)，讓機器人自動掃描辨認并抓取收受接管。接連測試10次，每次擺放的模具很多于30個，失掉模具辨認抓取測試成果如表3所示。
由試驗成果可知，正在319個隨機擺放的樣本測試中，第9次試驗中有1個模具中間坐標辨認沒有精確招致該模具未能精確抓取收受接管，機器人產生毛病（模具是不是能勝利被抓取是中間坐標是不是辨認精確的根據(jù)，正在角度同等的環(huán)境下，抓手計劃的抓取容許偏差為±4mm）。由此可知體系模具精確識別率優(yōu)于99.5%。
分揀機器人視覺系統(tǒng)5論斷
本文針對PC構件出產中人工裝模跟拆模服從低、工位多、占地面積年夜等問題，計劃了一種基于3D視覺引誘的機器人自動裝拆模體系。出產試驗結果表明：
1）該體系翻新開辟了一種低成本的激光掃描3D相機模具識別系統(tǒng)，其精確辨認抓取率優(yōu)于99.5%。
2）翻新創(chuàng)造了一種出筋新型模具，開辟了Allplan跟CAD構件圖紙深度解析接口，真正實現(xiàn)了由圖紙間接機器人停止柔性拆裝模自動化出產，順應海內出筋跟不出筋PC構件柔性出產需要。
3）開辟的通用線掃3D辨認物料跟引誘機器人定位系統(tǒng)可快捷使用正在其他視覺引誘機器人停止搬運、碼垛等場所，為修筑等其他視覺辨認使用機器人供給了辦理思緒。該機器人曾經正在海內多條PC生產線失掉優(yōu)越使用，無效進步了PC構件出產的自動化程度。
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