基于机器视觉系统的机械手设计*

张 元 ， 黄志辉 ， 彭辰晨 ， 曹丽芳 ， 邹 杰 ， 焦 祥

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

1 研究背景

零件分拣系统因运作平稳性、高效性以及安全性等突出性能，已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分，被广泛应用于各种物料分拣的场合，甚至逐渐被应用于一些工作环境危险的行业，如军工、火电等行业，从而保障工作人员的安全[1-2]。手爪作为零件分拣系统中最后的执行部件，是一个功能和系统高度集成部件，整个手爪的设计涉及多个学科知识内容。手爪的种类有很多，从工作原理以及机械结构的角度对手爪的类型进行分类，如图1所示[3-5]。

图1 手爪的分类

目前广泛使用的手爪都是基于各种机器人的，其工作原理也比较简单，一般是由计算机发出指令，由机器人的手臂带动机械手达到示教位置，即零件所在位置，然后再控制机械手手爪去夹持零件，接下来就是从A点到B点的搬运工作，周而复始[6-7]。这种模式夹持分拣零件存在的缺点：每个手爪夹持的零件都是固定的大小或者形状，抓取不同特征的零件时需要不同的手爪来完成，当在搬运或者其他工作过程中需要更换其他种类零件时，就需要通过机器人的行程控制，使机器人再到指定的位置更换手爪，正如数控机床作业中的换刀一样，这样会浪费不少时间，不利于提高生产效率。为了满足手爪对不同形状特征零件的抓取，同时可以快速地更换手爪，节约时间，课题组基于机器视觉系统，从概念结构上简单地设计一款多功能机械手，根据分拣零件的特征，该机械手可以方便快捷地自动切换手爪。

2 建模设计

课题组设计的机械手的主要载体部分也是普通的机器人，机器人的主体部分由底座、大臂、小臂和手腕等组成[8-9]，在机器人的手臂末端设计并安装多功能夹爪，其主要组成结构图如图2所示。

图2 硬件组成框架结构图

课题组设计的机械手主要由旋转机构、摄像头以及手爪三部分组成。旋转机构的作用是方便快捷地切换手爪1、手爪2和摄像头，机械手上设计了两种不同形状的手爪，便于根据需求进行切换，满足不同形状特征零件的抓取。其工作原理如下：机械手通过机器人手臂移动到工件待抓取的位置，摄像头对抓取工件进行图像识别，从而选择合适的手爪进行抓取，如果待抓取工件上有两个可夹持的平面的特征，则由旋转机构将手爪1旋转到抓取位置；如果待抓取工件是球体特征，则由旋转机构将手爪2旋转到抓取位置。该机械手整体设计简单，所有结构的建模都是在NX12.0软件中进行，如图3所示。

手爪1夹持不同零件的示意图如图4所示，手爪2夹持不同直径球体的示意图如图5所示。

图4 手爪1工作示意图

图5 手爪2工作示意图

3 机构的运动仿真

机构的运动仿真是在NX12.0软件中完成的，机器人的运动和机械手的运动有先后顺序，而且每个杆件的运动都存在间歇性，所以在这里的驱动体定义，基本采用step函数来完成。杆件之间的运动比较多，这就涉及了很多step函数[10]，具体设置又需要完全配合分拣搬运的流程，整个分拣搬运轨迹流程、时间以及step函数驱动的设置如下。

1）初始位置：初始位置为机器人处于停止非工作状态时所处的位置，由机器人本身决定。

2）机械手移动到零件正上方（3 s）：机器人将机械手移动到零件正上方，同时摄像头处于工作位置，从而进行视觉识别。底座与大臂的运动函数STEP(x,0, 0, 3, 60)，大臂与小臂的运动函数STEP(x, 0, 0, 3,40)，小臂与手腕的运动函数STEP(x, 0, 0, 3, -30)，手腕与机械手的运动函数STEP(x, 0, 0, 3, -20)。

3）旋转机构转动（1 s）：经过识别，旋转机构转动，选择合适的手爪，旋转机构运动函数STEP(x, 0,0, 3, -120)。

4）抓取零件（1 s）：机械手向下运动，同时手爪闭合夹紧零件，大臂与小臂的运动函数STEP(x, 4,0, 4.5, 5)，小臂与手腕的运动函数STEP(x, 4, 0, 4.5,-5)，手腕与机械手的运动函数STEP(x, 4, 0, 4.5, 15)，两个夹爪闭合的运动函数STEP(x, 4.5, 0, 5, -25)。

5）机械手移动到收纳盒正上方（3 s）：底座与大臂的运动函数STEP(x, 5, 0, 8, -180)，大臂与小臂的运动函数STEP(x, 5, 0, 8, -60)，小臂与手腕的运动函数STEP(x, 5, 0, 8, 45)，手腕与机械手的运动函数

STEP(x, 5, 0, 8, 20)。

6）放置零件（1 s）：手爪张开，放下零件，两片夹爪张开的运动函数STEP(x, 8, 0, 9, 25)。

7）回到初始位置（1 s）：底座与大臂的运动函数STEP(x, 9, 0, 10, 120)，大臂与小臂的运动函数STEP(x, 9, 0, 10, -45)，小臂与手腕的运动函数STEP(x, 9, 0, 10, -15)，手腕与机械手的运动函数STEP(x, 9, 0, 10, -15)，旋转机构的运动函数STEP(x,9, 0, 10, 120)。

抓取一个零件的时间周期约为10 s，因此可以定义求解时间为11 s，其运动轨迹流程如图6所示。中间的为初始位置，每分拣抓取一个零件就循环执行一次这样的流程。

图6 运动仿真轨迹图

4 结论

课题组通过NX12.0软件设计并建模了机器视觉系统中分拣机械手，并以此为研究对象，以典型零件为夹持案例，对机器人识别零件、切换机械手爪、夹持过程以及搬运过程进行了运动仿真。仿真结果表明：结合了视觉识别零件特征，机械手可以自动选择合适的手爪进行抓取，无需再到指定位置旋转手爪，节省了时间，运动仿真结果从理论上验证了该方案的可行性。不过课题组只是设计了视觉与机械手分拣抓取零件的三维模型，还未对所有控制元器件都进行详细的规划与控制，因此最终要完成实物的生产，还需要做很多的工作。