分析直角坐标机器人中配视觉系统的应用.doc
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1、分析直角坐标机器人中配视觉系统的应用当今,随着社会的全面发展,对机器人的要求越来越高,机器人高度智能化已成为热点研究问题。视觉控制是机器人智能化的重要实现方法,其利用视觉得到大量的环境信息,通过智能化分析自主规划行为,实现智能控制。神经网络能够模拟复杂的函数关系,可作为机器人的智能控制核心。另外,互联网技术高度发展,充分利用丰富的网络资源,把网络融入到机器人技术中,将是机器人智能化的一个重要发展方向。在深入的研究相关理论之后,本文首次提出了基于网络的直角坐标机器人视觉伺服系统结构。 机器人视觉控制的研究涉及到多学科的内容,如图像处理、运动学、动力学、控制理论、计算机高级语言编程等。本文在计算机
2、网络的环境下,利用视觉传感器CCD摄像机得到的图像作为反馈信息,再传送到机器人运动控制器,实现了直角坐标机器人的位置闭环控制,即视觉伺服(Visual Servo),其中运动控制器的核心采用BP神经网络。一、直角坐标机器人的定义及主要特点机器人按ISO 8373定义为:位置可以固定或移动,能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。直角坐标机器人是以直线运动轴为主,各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴,Y轴和Z轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。直角坐标机器人主要由
3、一些直线运动单元,驱动电机,控制系统和末端操作器组成。针对不同的应用,可以方便快速组合成不同维数,各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人,从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从食品生产到汽车装配等各行各业的自动化生产线中,都有各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作,可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点:1 任意组合成各种结构样式,带载能力和尺寸的机器人,2 采用多根直线运动单元级连和齿轮齿条传动,可以形成几十米的超大行程机器人。3 采用多根直线运动单元平连及各带多滑块结构
4、时其负载能力可增加到数吨。4 其最大运行速度可达到每秒8米,加速度可达到每秒4米。5 重复定位精度可达到0.01mm 0.05mm。6 采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂轨迹的工作。二、德国VC视觉系统简介机器视觉就是使机器有人眼和大脑的部分功能,能自动进行几何形状测量,印刷质量缺欠识别和产品外观质量识别等工作。机器视觉系统通常用在全自动化、高效可靠和非接触的大批量生产过程中的检测识别工作。常见的视觉系统一般包括:光源、镜头、CCD摄相机、图像采集卡、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。而许多智能相机就是一个通用图象处理系统,把镜头、图象传感器、高速DSP、存储
5、器、常用图像处理软件、通讯口和/输入输出口等集成在一个香烟盒大小的盒内,用户可以任意编程,能代替基于PC机的图象处理系统。智能相机有彩色智能相机和黑白智能相机,有线阵和面阵智能相机,本文仅介绍一款德国VC公司面阵黑白CCD智能相机。工作时首先CCD智能相机将被摄取目标转换成灰度图像信号,先放大该信号,再数字化为数字图像。数字图像以二维矩阵存储起来,如Vision Components GmbH公司智能像机VC2028的每一幅数字图像都是640480的二维矩阵。该矩阵的每一个元素叫像素,它的数值通常是0255。像素的数值0255对应目标的最暗和最亮处。图像处理软件就是根据图像中像素分布和亮度变化
6、等信息抽取图像中目标的特征,如:孔的数量、面积、形状、长度、形状宽度和位置等,还可以是亮度变化等,然后与所存的模板进行比较匹配,最后给出尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等结果。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分CMOS和CCD两种)把图像抓取到,然后将该图像传送至处理单元,通过数字化处理,根据像素分布和亮度、颜色等信息,来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。用户可以在PC机上用C语言或VC编写自己的应用程序,然后下传到智能相机里,智能相机运行该程序来完成特定的任务。也可以选用VC公司配带的图象处理软件。三、机器人数控系统该机器人
7、的控制系统采用德国运动控制技术公司(Movtec)的三轴运动控制卡DEC4T和运动控制软件Editasc。DEC4T运动控制卡是基于PC机,专用控制3台步进电机和数字伺服电机的运动控制卡。EdiTasc不仅是MOVTEC公司各种控制卡配套的通用数控软件,它也是一个高度开放的开发平台,可以直接控制各种工业自动化设备,或方便的开发用户专用页面及控制系统。DEC4T自带36路数字输入输出口,来作为限位开关,控制CCD智能相机和起动检测仪器。德国MOVTEC公司DEC4T步进/数字伺服电机控制卡运动控制器的工作方式运动控制器要插在PC机的总线插槽上。常用的有针对ISA总线和PCI总线的两种运动控制器,
8、两者不能互换。运动控制器上有控制步进电机和/或模拟伺服电机的控制信号端子,多路数字输入/输出口,多路模拟输入/输出口等。 针对运动控制器开发的运动控制软件在PC机上运行。它由低层运动控制软件和用户操作界面两部分组成。低层运动控制软件告诉运动控制器进行直线和圆弧等插补运动所需的所有参数,及对I/O口进行操作,同时接受运动控制器上返回的运动状态及输入口状态等参数。运动控制器按刚接到收的指令自行控制步进电机或模拟伺服电机进行插补运动及对I/O口进行操作。用户操作界面把操作员与低层运动控制软件连接起来,输入所有运动参数,控制运动过程及显示各种运动状态等。 由于运动控制器自己独立工作,PC机在控制运动控
9、制器的同时,可以运行其它的软件。I/O口可以很方便的扩展,如接配电子轮和编码器信号输入等。在PC机主频为100MHz时,3轴连动圆弧插补周期大约为0.5ms。当PC机主频提高时,插补周期更短,中断时间可以设为更短,使机器运动更加平稳,实时监控I/O口。EdiTasc是TRIMETA公司为其各种控制板卡配套的通用数控软件。它不仅是一个包含钻床,铣床,镗床,雕刻机和加工中心控制功能的理想数控软件,也是一个高度开放的开发平台,可以直接控制各种工业自动化设备,可以方便的开发用户专用页面及控制系统。EdiTasc是在WINDOWS下实时运行、汉化的通用数控系统软件,识别国际标准的DIN 66025 G代
10、码和高级语言MTASC。EdiTasc由低层运动控制软件和用户操作界面两部分组成。低层运动控制软件可实时准确地告诉运动控制卡进行直线和圆弧等插补运动,可以对所需的所有参数进行设置,也可以对I/O口进行操作。在进行直线插补运动时低层运动控制软件按设定的时间段周期性地告诉运动控制卡有关运动轴运行的速度和长度。在这一小周期内有关各运动轴按各自所要求的速度运动到所要求的长度。系统采用预读功能,预读程序段数设为最多可达149段。采用预加速/减速来保证切削矢量速度恒定或平稳过度。在周期性地告诉运动控制卡有关运动轴运行的速度和长度的同时,低层运动控制软件接收运动控制卡上返回的运动轨迹位置,如各个轴在这一时间
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