視覺(jué)與力覺(jué)融合的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)

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摘要：工業(yè)機(jī)械臂因?yàn)閮?yōu)勢(shì)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(duì)象或流程出現(xiàn)輕微改變也需要重新設(shè)定機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(diǎn)問(wèn)題。而基于視覺(jué)和力覺(jué)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(shí)也是當(dāng)前機(jī)械臂研究的熱點(diǎn)之一。本課題主要研究融合視覺(jué)引導(dǎo)和力覺(jué)反饋的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)，利用視覺(jué)算法檢測(cè)并定位目標(biāo)，利用力覺(jué)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(guó)制造；視覺(jué)引導(dǎo)

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)機(jī)械臂末端與不同特性物體接觸過(guò)程中的力信息進(jìn)行分析，同時(shí)將機(jī)械臂末端在拾取不同物體過(guò)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(guò)這一方式能夠獲得力特征檢測(cè)模型。利用模型來(lái)判斷機(jī)械臂與物體接觸時(shí)的力特征，并控制機(jī)械臂與目標(biāo)進(jìn)行接觸，通過(guò)視覺(jué)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)物體移動(dòng)作業(yè)。而利用該系統(tǒng)可以通過(guò)軟件來(lái)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(jué)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

1.1相關(guān)政策

工業(yè)機(jī)械臂在我國(guó)起步于70年代初，其發(fā)展過(guò)程可以大致分為70年代的萌芽期、80年代的生長(zhǎng)期、90年代的實(shí)用化期以及至今四個(gè)階段。而經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國(guó)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(jiān)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(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在“十三五”時(shí)期需要實(shí)現(xiàn)“兩突破”“三提升”，也就是說(shuō)實(shí)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(shí)現(xiàn)質(zhì)量可靠性，提升國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，使我國(guó)擁有完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系。

1.2國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于機(jī)械臂上應(yīng)用視覺(jué)的研究較早，并且涉及到廣泛的領(lǐng)域，我國(guó)的研究時(shí)間相對(duì)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(yùn)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(dòng)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(lè)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(guó)機(jī)械臂銷(xiāo)量為3.60萬(wàn)臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)品牌銷(xiāo)量為0.36萬(wàn)臺(tái)，國(guó)產(chǎn)品牌占比為10%；到2018年我國(guó)工業(yè)機(jī)械臂銷(xiāo)量增長(zhǎng)至9.72萬(wàn)臺(tái)。

1.3生產(chǎn)工藝技術(shù)路線(xiàn)

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(guò)輕型合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(dòng)慣量小的特性。通過(guò)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(shí)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(shì)

國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)起步較晚，但隨著國(guó)內(nèi)人工成本的不斷上升，工業(yè)機(jī)械臂對(duì)制造業(yè)顯得越來(lái)越重要，并且國(guó)內(nèi)正處于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，作為無(wú)法取代的重要設(shè)備，工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用和普及勢(shì)必會(huì)成為企業(yè)的優(yōu)先選擇。國(guó)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(guó)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(shì)和廣闊的市場(chǎng)需求，工業(yè)機(jī)械臂在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景不可估量[3]。根據(jù)《中國(guó)制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)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(shí)現(xiàn)中國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。而智能制造是《中國(guó)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(dòng)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段。未來(lái)，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(guó)工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2應(yīng)用水平和現(xiàn)存問(wèn)題

視覺(jué)與力覺(jué)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(kāi)門(mén)、裝配、磨削等功能。但是，其問(wèn)題在于應(yīng)用視覺(jué)融合力覺(jué)的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)還存在一定難度，視覺(jué)算法的實(shí)現(xiàn)比較困難，而針對(duì)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(wú)法保證。

2.1需解決的關(guān)鍵技術(shù)、工藝問(wèn)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(jué)與力覺(jué)的研究非常多，如通過(guò)視覺(jué)、力覺(jué)等提高工業(yè)機(jī)械臂在各個(gè)方面作業(yè)的智能化程度?；谧ト?lái)說(shuō)，傳統(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(guò)視覺(jué)定位的方式對(duì)物體具體位置進(jìn)行定位，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取，而在獲取物體的位置信息時(shí)，視覺(jué)算法存在一定難度，因?yàn)槠渲饕轻槍?duì)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(wú)法保障。在抓取物體時(shí)，目標(biāo)物體深度信息具有較高的測(cè)量精度才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)抓取。而線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的輔助測(cè)量、超聲波深度探測(cè)的精度等測(cè)量方式均十分理想，但同時(shí)也會(huì)加大系統(tǒng)復(fù)雜程度。

2.2解決方法

基于需解決的問(wèn)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(jué)傳感器和力覺(jué)傳感器，能夠使工業(yè)機(jī)械臂具有視覺(jué)感知和力的感知，提高機(jī)械臂的靈活程度，同時(shí)也可以將任務(wù)分為力覺(jué)部分、視覺(jué)部分，通過(guò)力感測(cè)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(jué)和力覺(jué)，獲得機(jī)器人伺服控制方法，在估計(jì)平面的法線(xiàn)防線(xiàn)中應(yīng)用視覺(jué)傳感器，并控制末端執(zhí)行器平行于平面運(yùn)動(dòng)，而在獲取末端執(zhí)行器上應(yīng)用力覺(jué)，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(jué)和力覺(jué)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(lái)，隨著自動(dòng)化工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械手也將隨之壯大起來(lái)，而在許多制造大國(guó)，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關(guān)鍵所在?；趪?guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，全球工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量正處于不斷增加的情況下，在2005—2015年這十年的時(shí)間內(nèi)，新裝工業(yè)機(jī)器人年均成長(zhǎng)速度高達(dá)14%，同時(shí)在2015年全球范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量突破24萬(wàn)臺(tái)，中國(guó)、韓國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)這五個(gè)國(guó)家是全球前五大機(jī)器人市場(chǎng)排名，總銷(xiāo)量占全世界的70%，到2020年時(shí)可達(dá)700億美元。調(diào)研機(jī)構(gòu)Freedonia同時(shí)預(yù)測(cè)在2021年，全球范圍內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人將會(huì)比2011年增長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光學(xué)信號(hào)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(shí)傳送給上位機(jī)。力檢測(cè)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(duì)象接觸時(shí)，產(chǎn)生接觸力的模擬信號(hào)，然后將信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)，方便工控機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。末端工裝基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求來(lái)對(duì)剛件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)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(pán)、夾具等設(shè)備安裝在傳感器末端，可以使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取作業(yè)，而機(jī)械臂在抓取過(guò)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、高可靠性不斷發(fā)展，并且操作和維修更加簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)三位一體化：由連桿模塊、關(guān)節(jié)模塊通過(guò)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(kāi)放型控制器方向發(fā)展，從而實(shí)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(lái)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(shí)還可以在裝配、焊接機(jī)械手上安裝視覺(jué)、力覺(jué)傳感器，通過(guò)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(yǔ)

基于視覺(jué)和力覺(jué)融合的工業(yè)機(jī)械臂控制技術(shù)不僅可以為社會(huì)各個(gè)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(huì)的產(chǎn)業(yè)政策。同時(shí)，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(xiǎn)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(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)機(jī)械臂在執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)，平均故障間隔期高達(dá)6000小時(shí)以上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的自動(dòng)化工藝。根據(jù)《中國(guó)制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)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(shí)現(xiàn)中國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。而智能制造是《中國(guó)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(dòng)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(guó)工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

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作者：付保英 單位：鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院