工业机器人实验平台设计分析

李开阳

（贵州装备制造职业学院,贵州 贵阳 550008）

1 前言

在《中国制造2025》提出之后，中国制造业已经朝着智能化时代方向不断发展。在工业自动化领域中，机器人集中了自动化技术、信息技术等各种技术，2020年，我国工业机器人总量已经超出100万台。在工程领域中，工业机器人需要大量具备机器人应用能力以及操作技术人才提供支撑，我国各大高校陆续开设机器人专业以及相关技术课程。所以，需要充分考虑现代制造业的发展趋势，在工程课程体系中充分引进机器人实训项目，充分创新工程教育，为新工科建设提供服务。

工程训练活动主要以实践活动为主，借助训练充分提高学生工程素质。所以，需要不断增加学生实践学时的比重，为所有学生提供良好实操平台与机会。但是，机器人和相关配套设备采购成本高，一些地方高校的实训中心工业机器人采购数量较少，无法保证所有学生获得良好独立操作机会[1]。而Delta工业机器人为轻载、高速并联机器人，通常借助视觉系统以及示教编程完成目标物体捕捉人物，通过3个伺服轴（并联）对TCP空间位置进行确定，以搬运、加工目标物体，在电子产品、药品、食品等行业装配、包装作业环节具有广泛应用。

基于Syamac Studio软件的Delta工业机器人平台，借助NJ控制器中EtherCAT通信端口，有效保证伺服驱动器、控制器和图像处理系统数据传输效率，并提高控制精度，可以对快速移动工件进行准确、在线拾取。另外，因为控制一体化，促使编程语言更加统一，以维护与开发角度分析，充分强化维护性与实时性。同时借助Syamac Studio软件，通过简单设定即能够合理配置伺服、网络、控制器和其他设备，借助内部功能块就能够实现复杂条件下运控目标，同时可以借助NS对仿真功能与模拟功能进行统合处理，充分保证程序调试效率。在实际现场中，借助标准RJ45连接器，就能够对控制器和现场设备展开快速、便捷连接，所以两者有机结合能够充分将实际教学中Delta工业机器人应用价值发挥出来。

现阶段，我国工业机器人实验平台，一般以机器人运行原理和组成结构的介绍为主，还有串联工业机器人的编程示教，基本上不会涉及机器人实际应用技能与知识。而本文建立的机器人实验平台能够对不同并联机器人的应用展开灵活实验，并应用机器人分拣技术机器视觉技术，可以充分模拟生产现场工况，将学生学习兴趣充分激发出来。

2 工业机器人实验平台构建目标与技术支撑

2.1 工业机器人实验平台构建目标

为了促使机器人学科教育课程能够将自身创新型人才培养模式充分发挥出来，按照高校教学改革以及教学质量部署情况，根据职能系统、模式识别以及控制理论等学科点，将工业机器人实验平台设计与建设作为特色鲜明、一定规模、开发共享以及体系完整的人才培养的重要途径，充分实现计算机科学、自动化技术专业创新人才与高层次人才的培养，主要目标为：①构建特色突出的将工业机器人操作作为多学科融合、载体的教学平台，为计算机、自动化以及其他相关专业学生提供良好实验学习平台。②构建重视创新能力、开放、高起点、高标准的学生科技学习平台，并为教师教学改革提供良好研究平台。

进行创新教学活动，借助融合不同学科，进行指导模式、教学机制建设以及教学方法改革，构建高效、系统、科学的创新、高素质人才培养系统，深入探索素质、能力、知识协调的人才培养机制，不仅引导学生掌握丰富的基础知识，同时具有良好实践能力[2]。

2.2 技术支撑

该实验平台中一项重要技术就是机器视觉。（1）图像处理。机器视觉本质主要是对图像中重要信息进行描述与解释，核心内容就是图像处理以及识别等。与处理图像，能够将原始图像中一些噪声、干扰等充分消除，促使图像能够满足用户的期望，在图像处理中，图像识别属于中介阶段，本质是从图像至图像特征之过程，比如点、线以及面。借助特征能够对图像中物体边界信息进行提取，借助“面”特征可以对图像区域信息进行提取，所有通过图像特征可以实现图像识别。（2）摄像头标定。基于确立图像像素坐标下的一点和该点在3D空间中坐标映射关系。该技术借助3D空间中已知点和其在图像坐标系中相应像素坐标，同时根据3D成像模型进行标定计算。其内部阐述可以对空间景物和图像像素点的关系进行描述，外部阐述可以对机械人坐标系中的摄像头坐标系进行描述，两者共同对3D空间中某点相对2D坐标映射关系进行确定。

3 实验平台硬件构成

以Delta机器人为例。机器人实验平台涵盖编程设备、OMRON视觉检测平台、4轴Delta机械手、OMRON自动化控制系统。

3.1 OMRON机器视觉检测系统

主要涵盖：以FZ3—350 Z为基础图像传感器控制器以及FZ—SC2系列中，200万像素照相机、相关通讯电缆、显示器、光源以及镜头等，如图1所示。

3.2 4轴Deltal机械手

涵盖4轴Delta机械手的本体以及外围流水线的机架（涵盖位置检测传感器、电机、变频器以及旋转编码器）等

3.3 OMRON自动化控制系统

涵盖以NJ501-4310CPU机械手为基础的，专用主机电源、CPU主机模块、触摸屏、开关量输出/输入模块、接线端子、开关、传感器、伺服电机、继电器等附件[3]。

图1 实验平台实物图

4 工业机器人运行原理

4.1 Deltal机械手结构

Deltal工业机器人机械部分涵盖可动支架、机械臂、固定支架等结构。伺服电机数量为3台，对A0、A1以及A2关节进行驱动，进而有效定位活动机架。结合需求，将选装头安装于活动机架中，借助固定支架中伺服电机，并借助传动轴对抓具中心转动进行控制，见图2。

4.2 Deltal机械手动作流程

Delta工业机器人工作轨迹见图3。

由任意点A开始向任意点B进行传送，之后做门型动作，两点坐标分别为：（X1、Y1、Z1）与（X2、Y2、Z2）。其中（X1、Y1、Z1）是Pick位置，（X2、Y2、Z2）是Pleace位置。采用以下方法进行往复动作：①移动绝对位置，由现阶段位置到（X2、Y2、Z2）位置之间移动绝对位置。②（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）动作，即输送带传输。由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之间展开门型动作，其中某点（X2、Y2、Z2）主要示意传输带中工件坐标，传输带以及机械手同步运动。③（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）动作，定点间，由（X1、Y1、Z1）到（X2、Y2、Z2）之间展开门型动作。

图2 Deltal工业机器人机械手坐标系与结构

图3 Delta工业机器人工作轨迹

4.3 Deltal工业机器人机械拾取原理

工业机器人选择NJ系列CPU模块主要使用以下坐标系：

（1）轴坐标系，ACS。若是固定支架平面和主动臂方向相同，则该位置是0度，其中上侧是负方向，下侧是正方向，各个轴相等。另外结合该坐标系进行轴伺服驱动器设定。

（2）机床坐标系，MCS。（Xm，Ym，Zm）笛卡尔坐标系即MCS，其和ACS转换关系是确定的。

（3）客户坐标系，UCS。该坐标系属于虚拟坐标系，基于视觉坐标系、机床坐标系中，工件坐标统一向客户坐标系进行转化，坐标为（Xu，Yu，Zu），便于机械手借助视觉检测有效拾取传送带中移动工件。输送带工作方向与客户坐标轴Xu方向相同，原点可以选择机床坐标系进行设计。按照传输带中MCS坐标，即（Xmi，Ymi，Zmi），对客户坐标系和机床坐标系之间相对偏角度进行计算，进而对客户坐标系进行确定。通过“FB_3D_Coordinate_Conver”功能块开展角度计算，通过“MC_DefineCoordSyste”功能块对坐标系进行确定。

视觉传感器能够对借助输送带传入到视野区域内相关工件进行识别，结合输送带位置对NJ控制程序中视觉触发信号进行确定，进而在输送带移动规定长度时，向视觉控制器发送信号，将视觉拍照功能触发。对触发时刻的工件摄影坐标与传送带位置进行确定之后，结合相关式子：工件现阶段位置=拍摄坐标+输送带现阶段位置-输送带触发时刻位置，若是通过循环计算方法获得的工件现阶段位置处于机械手能够进行抓取的区域中情况下，将抓取信号发出，通过计算所获得工件现阶段位置是抓取目标坐标位置[4]。

5 工业机械人实验的功能

5.1 搬运门型物料的实验

Deltal工业机器人对目标工件进行抓取时，运动轨迹主要是“门”字形。在该系统中点A（）&点B（X2、Y2、Z2）运动轨迹见下图。其中，点为Pick点，点B为Place点。

图4 Pick（X1、Y1、Z1）&Place（X2、Y2、Z2）运动轨迹

其中点A是Pick位置，而点B是Place位置，对于点C是动作流程相关结束位置。通过视觉处理获得（X1、Y1、Z1）位置，用户自由设定点B位置以及点C位置。在视觉传感器发现工件之后，对MC_LinearConveyor指令进行执行，传输带和机器人的动作同步，见图中①与②。在经过轨迹目标时间之后，若是工件反馈位置和设定目标位置相同，则对MC_SyncOut指令进行执行，选择同步停止手段将同步接触，见图中动作③。之后对MC_MoveTimeAbsolute指令进行执行，朝着B点位置进行门型动作，若是基于指定时间运行至B点，则机械手TCP向FALSE进行转变，见图中动作④。再借助C_MoveTimeAbsolute指令的执行，移动到C点位置，见动作⑤，此时该动作流程完成。在传感器发现另一个工件之后，见动作⑥，机械手对点A展开门型动作，动作原理与①相同，只是点C变为开始位置。对（X1、Y1、Z1）&（X2、Y2、Z2）动作进行循环，在停止指令发送出来之后，停止循环动作。

5.2 在线视觉的分拣实验

选择视觉方法确定坐标，同时对机械手抓取动作进行控制过程中，应该对机械手和视觉的坐标系进行统一，之后根据传送带的移动距离对触发视觉进行间隔，按照循环计算数据，通过机械手对可抓区域中工件进行抓取。该系统借助视觉处理能够准确判断缺陷、颜色以及形状合格性，进而决定是否执行工件抓取指令，也能够对流动工件进行抓取。另外，对传输带上工件摆放姿势进行识别，将偏离角度输出，通过机械手抓取，借助伺服轴的旋转达到定点摆放目的。

6 结语

综上所述，Deltal工业机器人属于良好实验平台，具有高精度与高效等特点，和现代工业发展速度紧密结合，教师可以引导学生学习相关课程以及实验，即可以对机器人运行原理进行充分了解与掌握，为学生未来学习以及工作夯实基础。在该系统中，硬件系统与软件系统均满足现阶段自动化系统智能化、可重构、模块化以及开放式发展趋势，掌握高速网络通信、自动控制、计算机以及机器人等技术，为未来机械人自动化生产活动积累经验，不断拓展新型产业中工业机器人应用空间。