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1、【工業(yè)節(jié)能論文】視覺與力覺融合的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù) 摘要：工業(yè)機(jī)械臂因為優(yōu)勢眾多，所以應(yīng)用范圍十分廣泛，如穩(wěn)定性好、效率高、惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等。但由于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂存在兼容性、自主性差等缺陷，即使工作對象或流程出現(xiàn)輕微改變也需要重新設(shè)定機(jī)械臂運動參數(shù)和作業(yè)系統(tǒng)，所以工業(yè)機(jī)械臂的智能化研究成為當(dāng)前的熱點問題。而基于視覺和力覺的工業(yè)機(jī)械臂是提高機(jī)械臂作業(yè)靈活性與可靠性的關(guān)鍵手段，同時也是當(dāng)前機(jī)械臂研究的熱點之一。本課題主要研究融合視覺引導(dǎo)和力覺反饋的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)，利用視覺算法檢測并定位目標(biāo)，利用力覺控制工業(yè)機(jī)械臂與目標(biāo)物的接觸。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械臂；中國制造；視覺引導(dǎo)

2、 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對機(jī)械臂末端與不同特性物體接觸過程中的力信息進(jìn)行分析，同時將機(jī)械臂末端在拾取不同物體過程中產(chǎn)生的力信息樣本進(jìn)行采集，基于信息樣本訓(xùn)練LSTM網(wǎng)絡(luò)，而通過這一方式能夠獲得力特征檢測模型。利用模型來判斷機(jī)械臂與物體接觸時的力特征，并控制機(jī)械臂與目標(biāo)進(jìn)行接觸，通過視覺引導(dǎo)、力反饋的機(jī)械臂應(yīng)用系統(tǒng)，并搭建相應(yīng)的實驗平臺，控制機(jī)械臂實現(xiàn)物體移動作業(yè)。而利用該系統(tǒng)可以通過軟件來控制機(jī)械臂，這意味著該系統(tǒng)在完成物體拾取、擺放等方面的有效性。另外，將視覺引導(dǎo)和力反饋相融合，應(yīng)用在工業(yè)機(jī)械臂具有更高的靈活性和智能化程度[1]。 1發(fā)展現(xiàn)狀 1.

3、1相關(guān)政策 工業(yè)機(jī)械臂在我國起步于70年代初，其發(fā)展過程可以大致分為70年代的萌芽期、80年代的生長期、90年代的實用化期以及至今四個階段。而經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于從數(shù)量向高質(zhì)量擴(kuò)展的攻堅階段。在《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》文件中提出，我國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在“十三五”時期需要實現(xiàn)“兩突破”“三提升”，也就是說實現(xiàn)機(jī)器人關(guān)鍵零部件、高端產(chǎn)品等方面的突破，使機(jī)器人實現(xiàn)質(zhì)量可靠性，提升國際上的競爭力，使我國擁有完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系。 1.2國內(nèi)外同類產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀 國外對于機(jī)械臂上應(yīng)用視覺的研究較早，并

4、且涉及到廣泛的領(lǐng)域，我國的研究時間相對較晚。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，當(dāng)前的機(jī)械臂在裝卸機(jī)器人、搬運機(jī)器人、焊接機(jī)器人等的技術(shù)已成熟，并且應(yīng)用非常廣泛。在當(dāng)前的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用最廣泛的自動化機(jī)械裝置當(dāng)屬機(jī)械臂，除了在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，在其他諸如娛樂服務(wù)、醫(yī)療醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域都能用到機(jī)械臂[2]。2014年我國機(jī)械臂銷量為3.60萬臺，其中國產(chǎn)品牌銷量為0.36萬臺，國產(chǎn)品牌占比為10%；到2018年我國工業(yè)機(jī)械臂銷量增長至9.72萬臺。 1.3生產(chǎn)工藝技術(shù)路線 大部分的工業(yè)機(jī)械臂是采用形狀記憶聚合物材質(zhì)和輕型合金材質(zhì)組合形成的機(jī)械臂零部件，減輕機(jī)械臂的整體重量，且通過輕型合

5、金材料和形狀記憶聚合物材質(zhì)保證機(jī)械臂的密度小、強(qiáng)度大而且轉(zhuǎn)動慣量小的特性。通過在形狀記憶聚合物材質(zhì)中加入增強(qiáng)材料，利用增強(qiáng)材料增加形狀記憶聚合物材質(zhì)的剛度，且增強(qiáng)材料中采用短纖維和顆粒增強(qiáng)材料按6︰4比例混合，利用短纖維增強(qiáng)強(qiáng)度和剛度的同時增加材料的可恢復(fù)力應(yīng)變率，且顆粒增強(qiáng)材料便于改善增強(qiáng)材料與基體聚合物之間的連結(jié)，使得連接更緊密，相互影響更直接。 1.4發(fā)展趨勢 國內(nèi)的工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)起步較晚，但隨著國內(nèi)人工成本的不斷上升，工業(yè)機(jī)械臂對制造業(yè)顯得越來越重要，并且國內(nèi)正處于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，作為無法取代的重要設(shè)備，工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用和普及勢必會成為企業(yè)的優(yōu)先

6、選擇。國內(nèi)工業(yè)機(jī)械臂的發(fā)展十分迅速，政府頒布的支持政策也起到了很大的助推作用。政府相繼頒布了《中國制造2020》、“十三五”規(guī)劃和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等政策扶持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。有了政策的支持，再加上機(jī)械臂的產(chǎn)品優(yōu)勢和廣闊的市場需求，工業(yè)機(jī)械臂在國內(nèi)的發(fā)展前景不可估量[3]。根據(jù)《中國制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，未來制造業(yè)將形成新一代信息技術(shù)和制造業(yè)相融合的新模式，力求實現(xiàn)中國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。而智能制造是《中國制造2025》的核心，工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用更是其關(guān)鍵，以工業(yè)機(jī)械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。未來，隨著工業(yè)機(jī)械臂應(yīng)用的不斷擴(kuò)

7、展和智能制造的轉(zhuǎn)型，我國工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆? 2應(yīng)用水平和現(xiàn)存問題 視覺與力覺相融合應(yīng)用在機(jī)械臂中，主要用于工業(yè)領(lǐng)域，并且已經(jīng)具有開門、裝配、磨削等功能。但是，其問題在于應(yīng)用視覺融合力覺的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)還存在一定難度，視覺算法的實現(xiàn)比較困難，而針對目標(biāo)拾取作業(yè)，僅可以保證拾取的位置，關(guān)于合適接觸狀態(tài)、拾取力度等方面，機(jī)械臂末端拾取目標(biāo)物還無法保證。 2.1需解決的關(guān)鍵技術(shù)、工藝問題 工業(yè)機(jī)械臂是一種機(jī)器人，在工業(yè)機(jī)械臂中應(yīng)用視覺與力覺的研究非常多，如通過視覺、力覺等提高工業(yè)機(jī)械臂在各個方面作業(yè)的智能化程度?；谧ト碚f，傳

8、統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂的靈活性不夠高，并且適應(yīng)環(huán)境的水平較低，所以要使工業(yè)機(jī)械臂獲得環(huán)境感知能力。通過視覺定位的方式對物體具體位置進(jìn)行定位，以此來實現(xiàn)抓取，而在獲取物體的位置信息時，視覺算法存在一定難度，因為其主要是針對目標(biāo)拾取方面，因此在保障拾取位置的前提下，機(jī)械臂末端拾取力度、拾取目標(biāo)物的接觸狀態(tài)等方面無法保障。在抓取物體時，目標(biāo)物體深度信息具有較高的測量精度才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)抓取。而線結(jié)構(gòu)光的輔助測量、超聲波深度探測的精度等測量方式均十分理想，但同時也會加大系統(tǒng)復(fù)雜程度。 2.2解決方法 基于需解決的問題，考慮結(jié)合工業(yè)機(jī)械臂與多種傳感器，例如，采用視覺傳感器和力覺傳感器

9、，能夠使工業(yè)機(jī)械臂具有視覺感知和力的感知，提高機(jī)械臂的靈活程度，同時也可以將任務(wù)分為力覺部分、視覺部分，通過力感測控制操縱器，最大程度上保證接觸操作穩(wěn)定。另外還能夠結(jié)合視覺和力覺，獲得機(jī)器人伺服控制方法，在估計平面的法線防線中應(yīng)用視覺傳感器，并控制末端執(zhí)行器平行于平面運動，而在獲取末端執(zhí)行器上應(yīng)用力覺，這一方式能夠有效降低目標(biāo)定位難度，并提高智能化程度和作業(yè)能力。但是結(jié)合視覺和力覺在工業(yè)機(jī)械臂上的應(yīng)用，仍舊需要研究。 2.3主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 近年來，隨著自動化工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械手也將隨之壯大起來，而在許多制造大國，其人力成本的上升導(dǎo)致機(jī)器人已然成為維持制造力的

10、關(guān)鍵所在?；趪H機(jī)器人協(xié)會的統(tǒng)計，全球工業(yè)機(jī)器人銷量正處于不斷增加的情況下，在2005—2015年這十年的時間內(nèi)，新裝工業(yè)機(jī)器人年均成長速度高達(dá)14%，同時在2015年全球范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人銷量突破24萬臺，中國、韓國、日本、美國、德國這五個國家是全球前五大機(jī)器人市場排名，總銷量占全世界的70%，到2020年時可達(dá)700億美元。調(diào)研機(jī)構(gòu)Freedonia同時預(yù)測在2021年，全球范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人將會比2011年增長82%。 3采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及預(yù)期規(guī)模和水平 3.1采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)相機(jī)能夠組成工業(yè)機(jī)械臂的圖像獲取設(shè)備，從而實現(xiàn)電信號和光學(xué)

11、信號之間的轉(zhuǎn)換，而相機(jī)還能夠接收上位機(jī)的控制命令，因此采集圖像需要將數(shù)據(jù)及時傳送給上位機(jī)。力檢測設(shè)備能夠組成傳輸轉(zhuǎn)換單元以及力傳感器，將力傳感器安裝在工業(yè)機(jī)械臂末端，使機(jī)械臂在和目標(biāo)對象接觸時，產(chǎn)生接觸力的模擬信號，然后將信號發(fā)送給工控機(jī)，方便工控機(jī)進(jìn)行檢測。末端工裝基于試驗設(shè)計要求來對剛件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，通過力傳感器的前提條件在于必須要制定適合在工業(yè)機(jī)械臂末端安裝的工裝，將吸盤、夾具等設(shè)備安裝在傳感器末端，可以使機(jī)械臂實現(xiàn)抓取作業(yè)，而機(jī)械臂在抓取過程中末端設(shè)備與目標(biāo)物接觸產(chǎn)生的力也可以由力傳感器獲取[4]。 3.2預(yù)期規(guī)模與水平 1）工業(yè)機(jī)械臂向著高速度、高精度

12、、高可靠性不斷發(fā)展，并且操作和維修更加簡單。2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向著可重構(gòu)化、模塊化方向發(fā)展。如工業(yè)機(jī)械臂中的關(guān)節(jié)模塊內(nèi)的減速機(jī)、伺服電機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化：由連桿模塊、關(guān)節(jié)模塊通過重組方式構(gòu)造機(jī)械手整機(jī)。3）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向著開放型控制器方向發(fā)展，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化；提高器件集成度，并采用模塊化結(jié)構(gòu)，以此來提高系統(tǒng)可靠性、可維修性以及易操作性。4）傳感器在工業(yè)機(jī)械臂中具有重要作用，不僅可以安裝速度、位置等傳感器，同時還可以在裝配、焊接機(jī)械手上安裝視覺、力覺傳感器，通過融合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境建模及決策控制。 4結(jié)束語 基于視覺和力覺融合的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)不僅可

13、以為社會各個行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)保的工業(yè)機(jī)械臂，也為工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用擴(kuò)大了新的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)了工業(yè)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，符合建設(shè)節(jié)約型社會的產(chǎn)業(yè)政策。同時，工業(yè)機(jī)械臂能夠有效降低產(chǎn)品成本和廢品率，減少工人誤操作產(chǎn)生的殘次零件風(fēng)險等，因此其產(chǎn)生的一系列效益非常明顯，如減少人工、降低機(jī)床損耗、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，從而提高企業(yè)在市場上的競爭力。工業(yè)機(jī)械臂在執(zhí)行各種任務(wù)時，平均故障間隔期高達(dá)6000小時以上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的自動化工藝。根據(jù)《中國制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，未來制造業(yè)將形成新一代信息技術(shù)和制造業(yè)相融合的新模式，力求實現(xiàn)中國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。而智能制造是《中國制造2025》的核心，工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用更

14、是其關(guān)鍵，以工業(yè)機(jī)械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。隨著工業(yè)機(jī)械臂應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和智能制造的轉(zhuǎn)型，我國工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆? 參考文獻(xiàn)： [1]夏群峰，彭勇剛.基于視覺的機(jī)器人抓取系統(tǒng)應(yīng)用研究綜述[J].機(jī)電工程，2014，31(6)：697-701+710. [2]何濤.淺談機(jī)器視覺的原理及應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2011，18(5)：11. [3]陸健.最小二乘法及其應(yīng)用[J].中國西部科技，2007(19)：19-21. [4]徐效農(nóng)，宋愛國，朱澄澄，等.基于環(huán)境建模與修正的視覺/力覺輔助遙操作系統(tǒng)[J].載人航天，2016，22(1)：55-61.