基于视觉随动技术的工业机器人应用研究

李野

摘要：通过应用机器视觉技术在抓取效率与识别精度方面的优势，同时结合随动跟踪技术完成在线实时跟踪，本文结合视觉技术与随动跟踪技术并应用SCARA机器人，实现物体的自动识别、运动抓取、准确装箱，对研究机器人在运动控制领域具有重要意义，同时也为机器人其他应用方向提供一种有效的解决方案。

关键词：工业机器人;视觉;跟随运动

0  引言

随着现代技术的发展，在分拣装箱领域对效率的要求、灵活性的要求也越来越高，以往的分拣装箱系统采用物料停止-对中的模式，这种模式大大的增加了系统的响应时间，降低了生产效率，同时设备的频繁启停、反复运动对使用寿命有较大影响。如何实现自动识别-跟随抓取对分拣装箱系统具有重要的意义，本文结合视觉定位技术、随动跟踪技术，并应用SCARA机器人系统实现一套完整的分拣-装箱系统，为机器人在行业中的应用提供有效的解决办法。

1  机器视觉技术

机器视觉技术通过视觉摄像机对物体进行拍照处理，获取物体图像信息，模拟人眼视觉的功能，通过视觉传感、图像采集、图像处理等多个环节[1，2]，可以实现对物体的自动定位、识别、分类、比对，最终将处理的数据结果下发给执行运动机构，实现相应目标物体的抓取、摆放等动作。机器视觉技术通过预先设定的图像模板，进行图像的匹配，通过图像匹配实现物体的识别，同时在结合系统的标定参数进行视觉系统的计算，工作原理如图1所示，最终计算出位姿偏差。

在2D视觉应用中，如图2所示，标定物体坐标参数点A，并通过上述图像匹配方法，获取图像位姿信息，计算出图像位姿点B，通过点A与点B在基础坐标系中的差值，最终可以计算出目标物体偏差值△x，△y，△θ，即平面物体的三个位姿偏差数据，将偏差发送给执行运动机构实现目标物体的搬运抓取。通过机器视觉能够采集制造过程中的多个图像[3]并通过各系统中的坐标系变换，得到目标物体的位姿信息，可使执行运动机构抓取目标物体的准确度得到很大程度的提高。

2  随动跟踪技术

执行运动机构能够按照预定的速度，在一定范围内能够与已知的理想轨迹相一致[4，5]，并以相同的速度与运动物体共同运动，从而实现轨迹路径的跟踪过程，通过轨迹的跟踪，能够完成目标物体的动态抓取过程，动态的抓取过程能够很大程度上提升抓取的效率，同时随动控制方式与机器人相结合，能够更大限度的提升机器人的应用空间及场景。

执行运动机构起点为C1，在t1时刻，目标物体的起点位置为A，在△t时间内，目标物体到达B点，同时执行运动机构在B点位置与目标物体速度相同，从而实现在△t时间内跟踪到目标物体的目的，如图3所示在此运动过程中目标物体是以恒定的速度v运行。在实际应用过程中，由于执行运动机构的结构、行程等因素限制，在△t时间内，执行运动机构运行的距离不能超出其运行最大行程范围，一旦超出执行运动机构将无法在有效的时间内跟踪到目标物体。

3  结合视觉、随动跟踪技术的应用

通過视觉系统对输送的目标物体进行拍照，确定目标物体的位姿，并以SCARA机器人作为目标物体搬运执行机构，实现目标物体的自动识别与定位，同时通过随动跟踪技术，进行实时的跟随运动，从而实现目标物体的动态抓取过程，保证了目标物体的连续运行，从而提高了系统的生产效率。系统布置如图4所示，其中实线部分为视觉拍照区域，在该区域内均可实现目标物体的视觉定位，点划线区域为跟随抓取区域，在该区域内能够实现目标物体的跟随运动及抓取动作，目标物体以四个为一组放置到指定料盒中，图4中圆形标记位置为目标物体的放置料盒，同样料盒定位方式任然以视觉拍照方式进行精确定位，确定放置位置的准确性。

在本系统中，设定视觉系统的拍照视场为800*800mm，物体在此区域内均可实现目标物体位置信息的确定，由于视觉系统受到环境光照影响比较大，为保证在视觉拍照时能够具有一个良好的环境光照条件，将视觉相机的拍照区域设定成封闭区域并加以遮光防护，保证系统能够在一个稳定的环境光照下，确保目标物体图像采集的稳定性。另外，由于SCRAR机器人的运动范围限制，在机器人工作的有效区域内，均可以实现目标物体的跟踪抓取，一旦SCARA机器人的跟随位姿点超出其运动范围，机器人系统将自动漏过该物体，以便后续物体的抓取。在SCARA机器人系统中，通过设计机器人的跟随距离、跟随速度等参数，实现SCARA机器人参数的匹配，最终实现目标物体的跟随运动，完成物体的运动跟踪抓取过程。

为保证物体输送的稳定性及可靠性，以伺服电机作为驱动装置，采用同步带传动方式，减少带传动打滑现象，从而提高物体输送精度，保证了目标物体输送的稳定与可靠，并且与实际应用相结合，配置稳定运行线速度，有利于提高抓取的准确性与跟随运动的可靠性，从而提高了系统的稳定性。

根据搬运目标物体的材质、重量、形状等信息，采用真空吸附的方式实现目标物体的快速抓取搬运，为了实现快速的响应过程，采用快速响应电磁阀及大流量真空发生器，同时配备有真空压力反馈，确保系统的稳定可靠，控制原理如图5所示。

利用SCARA机器人的快速响应，使得该生产线的生产节拍能够达到3.5s每件，可在有效的时间内对来料进行分拣搬运，同时保证了系统的连续运转，避免输送系统重复启停，大大提高了生产线的效率。同时，该系统的建立解决了生产工位单调、重复的劳动模式，生产线实现用工减少每班3人次，每天6人次的用工，极大的提高了经济效益。

4  结束语

通过对视觉系统、随动跟踪系统的阐述，并应用两种技术在机器人快速识别分拣系统中的应用，为无序分拣、动态分拣提供了一个良好的应用案例，为其技术在相关行业中的推广及应用起到示范作用，为机器人在更多领域的应用提供了一个良好的解决方案。

参考文献：

[1]张辰，等.视觉引导技术在SCARA机器人装配任务中的应用[J].传感器与微系统术，2019，38（2）：157-160.

[2]盛华军，等.视觉图像技术与机器人工件抓取的协作应用[J].自动化与仪表，2020，35（2）：37-46.

[3]杨旗，陈杰，崔玉博，等.基于视觉引导的ABB机器人定位与抓取[J].机械工程与自动化，2019（5）：57-59.

[4]张日红，等.基于运动跟踪的工业机器人随动控制[J].现代农业装备，2018，5：63-66.

[5]江海天，等.工业机器人随动跟踪控制系统的设计[J].科技创新，2019，10：11.