徐 鑫 封龍高 吳名陵
湖南三一快而居住宅工業有限公司 長沙 410000
摘 要：針對傳統PC 構件手工拆裝模生產作業人員多、佔地面積大和工位利用率低的生產方式，結合機器人運動控制技術、鐳射掃描技術和影象感知技術，提出了一種基於3D 視覺引導的直角座標系機器人系統。在闡述視覺引導機器人自動拆裝模具原理的基礎上，設計了一種針對混凝土預製構件拆裝模具的四自由度直角座標系機器人系統，開發了基於EtherCAT 匯流排的分散式控制軟硬體系統，並進行工廠實際生產測試。測試結果表明：該機器人可以直接由圖紙驅動自動完成PC 構件的拆模和裝模等核心生產過程；模具識別準確率高於99.5%；單個模具的裝模節拍少於20 s；抓手中心重複定位精度達到±1 mm。為混凝土預製構件拆裝模實現全自動化作業提供了完整解決方案。
關鍵詞：機器人；混凝土預製構件; 模具;3D 視覺; EtherCAT
中圖分類號：TP241 文獻標識碼：B 文章編號：1001-0785（2020）04-0041-07
近年來，隨著經濟的快速發展，勞動力成本的上升，預製構件加工精度與質量、裝配式建築施工技術和管理水平的提高以及國家政策因素的推動，預製裝配式建築呈現快速發展的態勢[1]。混凝土預製構件（簡稱PC 構件）是實現建築主體結構預製的基礎，而當前國內PC 構件生產線裝備的自動化水平遠不能滿足住宅工業化的發展需求[2]。按構件圖紙形狀和尺寸進行模具拼接和組裝、構件生產完成後的模具清洗與回收等過程是PC 構件生產的核心環節[3]。目前，國內PC 生產線主要以手工或機械輔助拆裝模為主，而國外用於拆裝模具的機器人價格高且不能適應國內出筋構件的生產。
為此，本文提出一種基於3D 視覺引導的直角座標系機器人系統，並在此基礎上開發了用於拆裝模具的機械抓手、用於生產出筋構件的模具以及其他輔助機構。最後對整個機器人系統進行了實際生產測試與分析，有效提高了系統的控制精度和節拍，完全滿足PC 生產線對於拆模和裝模的全自動化生產需求。
1 機器人本體結構設計在工業機器人領域中，直角座標機器人是具有多個自由度的一種典型多用途工業機器人，各自由度可建成空間直角關係，該機器人運動簡單，承載能力強[4]。本文所設計的直角座標機器人有4 個自由度，能夠帶動機械抓手在三維空間中沿X 軸、Y 軸以及Z 軸進行水平移動，Z 軸上的抓手可以圍繞 Z 軸進行旋轉。
所述直角座標機器人本體結構模型如圖 1 所示，主要由三軸聯動龍門架以及安裝在三軸聯動龍門架上的機械手和模具識別感測器模組組成，其中三軸聯動龍門架包括X 軸桁架、 Y 軸導軌、 YZ 滑臺和Z 軸導軌。機器人中的4 個關節由4 個伺服電機進行驅動，透過現場匯流排實現機器人的精確定位、PC 構件生產的模具拆卸後識別回收、畫線、 裝模等工作，極大提高了生產效率，可杜絕人為因素導致的產品尺寸誤差波動大，避免生產安全隱患。
1.X 軸桁架 2.Y 軸桁架 3.Z 軸桁架4.R 軸旋轉抓手 5 機器人控制櫃圖1 4 軸直角機器人本體結構
機械抓手結構如圖2 所示，主要由抓手主體、夾抓模組、敲磁釘模組、中心定位模組和畫線模組組成。抓手主體上相對安裝有兩組夾抓模組，兩組夾抓模組內分別安裝敲磁釘模組，定位模組與抓手主體連線，畫線噴油模組與定位模組連線。夾爪、敲磁釘和中心定位模組均為氣動結構，在抓手進氣管道上安裝有壓力檢測感測器，負責檢測系統壓力是否在安全範圍內。
1. 中心定位插銷 2. 噴墨畫線機構 3. 鐳射測距感測器4. 敲磁釘氣缸 5. 上下氣缸 6. 壓力感測器7. 電磁閥島 8. 抓手機構圖2 拆裝模機器人抓手結構
2 3D 視覺系統設計2.1 系統組成所設計的視覺系統硬體以PC 作為控制中心，由200 萬畫素工業相機、半導體線鐳射器以及相應的感測器固定裝置組成。系統軟體為基於Opencv 開發的對應的線鐳射處理演算法。工業相機和半導體線鐳射以固定的角度和高度安裝在拆裝模機器人Z 軸。系統執行時，鐳射器發出一條結構光照射在待掃描工作臺上，透過拆裝模機器人X 方向勻速移動完成對整個工作臺模具的掃描，生成點雲圖像，經過影象處理後輸出模具的角度和座標資訊，以便於機械手拆模。
2.2 測量原理所搭建的3D 視覺系統基於結構光測量技術，採用鐳射三角測距原理[5]，如圖3 所示，線鐳射照射在被測物上表面，被工業相機接收，點A、B 是鐳射束在不同高度的被測物表面上的中心位置，點A′、B′是工業相機靶面上的像點，點A 所在的平面設為基準面，AO的距離已知，由此可計算出高度H。
圖3 3D 視覺系統結構示意圖
機器人帶著模具識別感測器模組以固定速度沿X 方向運動至整個工作平臺掃描結束。
2.3 點雲圖象處理首先將相機標定至機器人座標系下，每一幀圖象中鐳射線上X 方向的點由機器人位置給出，Y 方向的點取相機畫素座標，Z 方向的高度值H 可以計算得出，透過連續掃描整個工作臺，得到工作臺上所有畫素點的三維點雲，如圖4 所示。
圖4 工作平臺三維點雲圖
為進一步求出三維點雲對應的模具特徵資訊，需要將三維點雲進行平面模型投影濾波，將三維點雲投影到Z=0 也就是X-Y 平面上[6]。 點雲投影並不能直接獲取模具特徵，轉換完成的二維影象須包含每個點的深度，可用灰度圖顏色的深淺來表示原點雲資料的深度。透過設定合理的灰度( 深度) 閾值得到工作平臺的二值圖象，見圖5。
圖5 投影並閾值後的二值圖
從圖5 可以看出，由三維點雲求解得到的二值影象存在很多噪點以及小的孔洞，這些都會影響最終模具識別的準確性，可以透過二值影象的基本形態學運算解決這些干擾。首先透過對圖象腐蝕能夠消融連通區域的邊界，選擇適當大小和形狀的結構元素，可以濾除掉所有不能完全包含結構元素的噪聲點[7]。腐蝕後的模具圖象會變得比原始圖象更瘦小，因此腐蝕後的圖象需要再進行膨脹還原，以使影象的輪廓變得光滑，最終求解出目標模具的外接矩形輪廓，如圖6 所示。
圖6 求解出的各模具輪廓圖
2.4 拆模路徑規劃由圖6 可以得到每個模具在X-Y 平面的中心座標和角度。每個模具具有統一的高度，機器人根據其中心座標和角度就可以進行抓取後回收。機器人需要遍歷每個模具的中心一次，使機器人遍歷的路徑最短等價於求解加權完全無向圖中訪問每個頂點的總權數最小的閉路，又稱之為最優哈密頓迴路[8]。目前還沒有一種有效的演算法來求解最優哈密頓迴路，可使用近似演算法解決該問題[9]。首先任意選取其中一個結點作為起點，每一步都尋找離上一步距離最短的點作為下一個結點，最終可以得到如圖7 所示的機器人近似最優路徑軌跡。
圖7 本地上位機拆模路徑規劃圖
3 機器人控制系統設計3.1 系統總體設計拆裝模機器人控制系統硬體結構如圖8 所示. 拆裝模機器人主要控制和檢測的物件為直角機器人X、Y、Z和R 軸伺服電機、機器人主站模組、模具輸送系統、工作臺清理系統和機械抓手模組。 拆裝模機器人系統主要由運動控制下位機、3D 視覺模組、本地上位人機互動系統和中控室MES 系統的機器人管理模組組成。
圖8 控制系統總體結構圖
為使機器人具備更快的通訊速度、更好的實時性、更精確的位置控制，本文采用EtherCAT 分散式匯流排網路控制方式完成伺服和各IO 從站之間的通訊。EtherCAT 協議處理完全在硬體中進行，工作效率大大提高，1 000 個分散式I/O 資料的重新整理週期僅為30μs[10]。本文選用倍福（Beckhoff）公司的CX 系列嵌入式PC為核心控制器，該控制器採用開放的EtherCAT 實時乙太網匯流排協議，支援與第三方裝置通訊。上位機為PC機和觸模顯示器，主要負責3D 視覺演算法程式運算、系統監控、人機介面的管理和指令控制，協調系統進行工作; 倍福CX 嵌入式PC 運動控制器為下位機，主要負責對上位機發出指令的處理，實現複雜精確的軌跡運動，伺服驅動器負責接收控制器發出的運動指令，驅動伺服電機運動，並根據編碼器與感測器反饋的訊號對電機進行調整；MES 系統負責構件圖紙匯入、圖紙解析以及生產任務的傳送，將解析後的資料和生產任務傳送給下位機控制器執行。
3.2 系統軟體實現針對系統硬體的設計方案，用ST 結構文字語言在TwniCAT 中編寫機器人控制主程式、機器人和MES 系統通訊介面程式以及機器人和上位機HMI 通訊介面程式。 機器人控制系統主程式流程如圖9 所示，系統任務型別和構件圖紙資料由中控室MES 系統下發，主要分為掃描拆模和畫線裝模兩種任務型別。掃描拆模：機器人收到任務後會判斷模具快取庫空位是否足夠，若有足夠的庫位則直接啟動機器人和3D 視覺系統勻速沿X方向掃描整個模具平臺，得到平臺上每一個畫素點的3維座標值，並進一步提取模具特徵，得到平臺上所有模具在機器人座標系下的中心座標、角度和長度，按最短路徑原則生成機器人拆模運動軌跡；畫線裝模：首先對MES 下發的圖紙資料進行完整性和正確性校驗，資料無異常則按構件外輪廓、預埋件輪廓座標分類儲存在機器人程式記憶體中，根據外輪廓形狀特徵和邊長得出每條邊的最優模具拼接組合，根據預埋輪廓的形狀資訊得出機器人X、Y 兩軸直線和圓弧插補動作表，最後根據模具實際庫存資料生成機器人運動軌跡。
圖9 控制系統主程式流程圖
系統本地上位機人機互動介面基於Qt4.5 開發。Qt 具有良好的結構化、靈活的面向物件的結構以及清晰的文件和直觀的API，為開發跨平臺桌面應用程式人機互動介面提供了良好的支援[11]。使用倍福公司提供的ADS 通訊協議完成控制器與上位機HMI 及MES 系統通訊。ADS 在傳輸層上使用的是TCP 協議，支援控制代碼直接訪問變數資料[12]，能夠方便完成PC 和控制器的通訊，從而實現控制系統執行時與人機介面的資料交換，見圖10。
圖10 PC 生產線MES 系統機器人管理介面
系統觸模屏主要由操作員登陸、生產監控、系統管理、任務列表和掃描識別等監控畫面組成，控制視窗之間的關係如圖11 所示。點選左上角的Logo 圖示即可回到機器人系統主介面，從主介面可以快速進入其他各介面：生產監控介面可以動態顯示MES 系統下發的圖紙、每個軸的運動狀態以及生產進度；系統管理介面主要完成模具、模具庫管理以及關鍵位置的示教；任務列表介面用於顯示機器人路徑規劃的結果；掃描識別介面用於3D 視覺識別結果及路徑規劃資訊顯示。機器人生產監控介面如圖12 所示。
圖11 人機介面控制視窗關係圖
圖12 本地上位機HMI 生產監控介面
4 實驗分析所設計的拆裝模機器人實物圖如圖13 所示。機器人抓手中心安裝有一個用於畫構件輪廓線的自動噴液機構，可以將構件圖紙輪廓在工作平臺畫出來。抓手中心Z 方向裝有一個鐳射測距感測器，主要用於檢測接近目標物體的距離並反饋給控制器進行決策控制。鐳射感測器的效能引數如表1 所示。
圖13 裝模生產實驗圖
實驗1：將鐳射感測器分別安裝在鐳射指向X、Y、Z 軸方向上, 校準後進行定位測試，將被測標準平面塊固定在工作臺上進行測試，機器人重複定位精度測試結果如表2 所示。
表2 中Δd 為控制某個軸運動指定位移後鐳射測距的變化量，測試得到的最大絕對誤差是0.7 mm，由此可知抓手中心重複定位精度可達到±1 mm。
實驗2：將生產用的模具隨機放在正常生產用的工作平臺上( 保證模具不超出視野邊界)，讓機器人自動掃描識別並抓取回收。連續測試10 次，每次擺放的模具不少於30 個，得到模具識別抓取測試結果如表3 所示。
由實驗結果可知，在319 個隨機擺放的樣本測試中，第9 次實驗中有1 個模具中心座標識別不準確導致該模具未能正確抓取回收，機器人發生故障（模具是否能成功被抓取是中心座標是否識別正確的依據，在角度一致的情況下，抓手設計的抓取允許誤差為±4 mm）。由此可知系統模具正確識別率優於99.5%。模具識別抓取實驗圖見圖14。
圖14 模具識別抓取實驗圖
5 結論本文針對PC 構件生產中人工裝模和拆模效率低、工位多、佔地面積大等問題，設計了一種基於3D 視覺引導的機器人自動裝拆模系統。生產實驗結果表明：
1）該系統創新開發了一種低成本的鐳射掃描3D相機模具識別系統，其正確識別抓取率優於99.5%。
2）創新發明了一種出筋新型模具，開發了Allplan和CAD 構件圖紙深度解析介面，真正實現了由圖紙直接機器人進行柔性拆裝模自動化生產，適應國內出筋和不出筋PC 構件柔性生產需求。
3）開發的通用線掃3D 識別物料和引導機器人定位系統可快速應用在其他視覺引導機器人進行搬運、碼垛等場合，為建築等其他視覺識別應用機器人提供瞭解決思路。該機器人已經在國內多條PC 生產線得到良好應用，有效提高了PC 構件生產的自動化水平。
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