一 直角坐標(biāo)機(jī)器人的定義及主要特點(diǎn)

　　機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。

　　直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對(duì)不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人，從簡(jiǎn)單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作，可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：

　　1 任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機(jī)器人，

　　2 采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元級(jí)連和齒輪齒條傳動(dòng)，可以形成幾十米的超大行程機(jī)器人。

　　3 采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

　　4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。

　　5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01mm～ 0.05mm。

　　6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。

二 德國(guó)VC視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　機(jī)器視覺就是使機(jī)器有人眼和大腦的部分功能，能自動(dòng)進(jìn)行幾何形狀測(cè)量，印刷質(zhì)量缺欠識(shí)別和產(chǎn)品外觀質(zhì)量識(shí)別等工作。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常用在全自動(dòng)化、高效可靠和非接觸的大批量生產(chǎn)過程中的檢測(cè)識(shí)別工作。常見的視覺系統(tǒng)一般包括：光源、鏡頭、CCD攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。而許多智能相機(jī)就是一個(gè)通用圖象處理系統(tǒng)，把鏡頭、圖象傳感器、高速DSP、存儲(chǔ)器、常用圖像處理軟件、通訊口和/輸入輸出口等集成在一個(gè)香煙盒大小的盒內(nèi)，用戶可以任意編程，能代替基于PC機(jī)的圖象處理系統(tǒng)。智能相機(jī)有彩色智能相機(jī)和黑白智能相機(jī)，有線陣和面陣智能相機(jī)，本文僅介紹一款德國(guó)VC公司面陣黑白CCD智能相機(jī)。

　　工作時(shí)首先CCD智能相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成灰度圖像信號(hào)，先放大該信號(hào)，再數(shù)字化為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像以二維矩陣存儲(chǔ)起來，如Vision Components GmbH公司智能像機(jī)VC2028的每一幅數(shù)字圖像都是640＊480的二維矩陣。該矩陣的每一個(gè)元素叫像素，它的數(shù)值通常是0～255。像素的數(shù)值0～255對(duì)應(yīng)目標(biāo)的最暗和最亮處。圖像處理軟件就是根據(jù)圖像中像素分布和亮度變化等信息抽取圖像中目標(biāo)的特征，如：孔的數(shù)量、面積、形狀、長(zhǎng)度、形狀寬度和位置等，還可以是亮度變化等，然后與所存的模板進(jìn)行比較匹配，最后給出尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無等。結(jié)果。

　　用戶可以在PC機(jī)上用C語言或VC編寫自己的應(yīng)用程序，然后下傳到智能相機(jī)里，智能相機(jī)運(yùn)行該程序來完成特定的任務(wù)。也可以選用VC公司配帶的圖象處理軟件。

三 機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)

　　該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用德國(guó)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)公司（Movtec）的三軸運(yùn)動(dòng)控制卡DEC4T和運(yùn)動(dòng)控制軟件Editasc。DEC4T運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC機(jī)，專用控制3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡。EdiTasc不僅是MOVTEC公司各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件，它也是一個(gè)高度開放的開發(fā)平臺(tái)，可以直接控制各種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。DEC4T自帶36路數(shù)字輸入輸出口，來作為限位開關(guān)，控制CCD智能相機(jī)和起動(dòng)檢測(cè)儀器。

　　Editasc可采用Mtasc語言或G代碼編程，Mtasc語言為Editasc專用語言，具有如下一些特點(diǎn)：

　　· 任意定義各種長(zhǎng)度、多種類型的變量和數(shù)組 ;

　　· 許多數(shù)學(xué)函數(shù);

　　· 多種循環(huán)程序;

　　· 多種條件

　　· 允許有任意層擴(kuò)展和嵌套;

　　· 調(diào)用子程序和調(diào)用其它語言的子程序;

　　· 極其方便的I/O口操作。

　　· 在程序的輸入和編輯過程中可以執(zhí)行任意一行或幾行程序，可方便地驗(yàn)證程序及數(shù)據(jù)的合理性。

四 幾個(gè)典型應(yīng)用

　　1 產(chǎn)品標(biāo)簽檢驗(yàn)

　　在幾乎所有的現(xiàn)代化批量生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品包裝盒上所印文字、符號(hào)、產(chǎn)品上的標(biāo)簽等要求印刷精美，無任何缺陷和錯(cuò)誤。但實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)下面的問題，如部分字符漏印，部分字符不完整，不同字符間混亂，如：5和6; 6和9印混了，字符位置不對(duì)，字符的字體不對(duì)或不一致等。要解決上面的問題就必須選一優(yōu)秀的圖象處理系統(tǒng)，對(duì)這些文字和符號(hào)進(jìn)行100%的可靠的檢驗(yàn)，才能保證100%的合格率，達(dá)到真正的“零缺陷”。被檢驗(yàn)識(shí)別的文字和符號(hào)可以由下面的方式產(chǎn)生：印刷，噴碼，熱轉(zhuǎn)印和激光雕刻等。這更增加了檢驗(yàn)識(shí)別的難度。

　　本文CCD相機(jī)選用德國(guó)Vision Components公司智能攝像機(jī)VC2038。其配置如下：CCD芯片是Sony 1/2” 640＊480點(diǎn)，每秒25楨圖像，存儲(chǔ)器配置是16 MB SDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百萬指令）。VC2038通過自帶RS232口 可以把位置數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。VC2038還自帶4路數(shù)字輸入口和4路數(shù)字輸出口。根據(jù)視場(chǎng)范圍和高度選用對(duì)應(yīng)的鏡頭。

　　被檢驗(yàn)的產(chǎn)品在傳送帶上單排排放或如圖1所示的并列排放。機(jī)器人首先停止傳送帶，并把檢測(cè)頭移動(dòng)到第一個(gè)產(chǎn)品上方，識(shí)別系統(tǒng)開始自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別第一個(gè)產(chǎn)品。機(jī)器人再把檢測(cè)頭移動(dòng)到第二個(gè)產(chǎn)品上方，接著識(shí)別系統(tǒng)開始自動(dòng)檢測(cè)第二個(gè)產(chǎn)品，如此依次識(shí)別完該排最后一個(gè)產(chǎn)品。再啟動(dòng)傳送帶把第二排產(chǎn)品移到檢測(cè)系統(tǒng)正下方，并開始該行產(chǎn)品的自動(dòng)檢驗(yàn)識(shí)別。

　　類似的應(yīng)用還可以在各種產(chǎn)品的外觀檢驗(yàn)，包裝檢驗(yàn)，商標(biāo)檢測(cè)等方面應(yīng)用。

　　2 印刷品質(zhì)量檢驗(yàn)

　　這里的任務(wù)是圖2產(chǎn)品的檢驗(yàn)。在圖2中被檢驗(yàn)的產(chǎn)品是透明塑料上的文字。機(jī)器人首先停止傳送帶，并勻速移動(dòng)檢測(cè)頭，識(shí)別系統(tǒng)在幾個(gè)特定的位置自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別所印文字和符號(hào)。塑料再起動(dòng)一定長(zhǎng)度，機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)開始該行產(chǎn)品的自動(dòng)檢驗(yàn)識(shí)別。

　　機(jī)器人是德國(guó)百格拉公司單軸機(jī)器人，由于負(fù)載小及移動(dòng)速度要求不高，故選用型號(hào)為L(zhǎng)M-P404 R-AT5，有效行程按任務(wù)要求選為1500毫米，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是百格拉公司的步進(jìn)電機(jī)VRDM3910LWB，機(jī)器人控制系統(tǒng)選用百格拉公司的專用工控機(jī)TLCC。TLCC通過CAN總線控制TLC611步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖像處理系統(tǒng)選用德國(guó)Vision Experts公司的檢測(cè)系統(tǒng) VE 4000 OCV/2。圖2是該系統(tǒng)在實(shí)際使用中的照片。

　　德國(guó)Vision Experts公司的E 4000 OCV/2系統(tǒng)由智能CCD攝像機(jī)VC2038和專利識(shí)別軟件組成，可以檢測(cè)各種符號(hào)，如：印刷的符號(hào)、噴碼符號(hào)、熱轉(zhuǎn)印、激光雕刻等?？梢?00%保證發(fā)現(xiàn)所有下面的問題：整個(gè)或部分字符漏印，不完整字符，不同字符間混亂，如5和6、6和9印混了，字符位置不對(duì)，字符的字體不對(duì)或不一致。該系統(tǒng)可以識(shí)別多種符號(hào)，當(dāng)圖像中要識(shí)別的符號(hào)與背景的對(duì)比度有些變化，如照明系統(tǒng)出了問題，甚至圖像背景里有某種規(guī)則的紋理時(shí)，該系統(tǒng)也可以很好地工作。該系統(tǒng)也非常靈活，可以一分鐘僅檢測(cè)10個(gè)產(chǎn)品，也可以一小時(shí)檢測(cè)10萬個(gè)產(chǎn)品;可以同時(shí)檢測(cè)300個(gè)字符，也可以檢測(cè)同時(shí)含10種字體的符號(hào)集合。被檢測(cè)產(chǎn)品可以被旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，E 4000 OCV/2系統(tǒng)自動(dòng)給出檢測(cè)數(shù)據(jù)，有自檢和外部信號(hào)啟動(dòng)公式，檢測(cè)的符號(hào)可以縮小或放大，給出符號(hào)的位置數(shù)據(jù)。

　　不僅塑料檢測(cè)如此，其它方面如印刷品、木材、PS板等方面都采用類似的方法進(jìn)行檢測(cè)。

　　3 工件識(shí)別定位及抓取

　　隨著自動(dòng)化生產(chǎn)能力的提高，現(xiàn)代工廠中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)需要分類分揀的場(chǎng)合，那么就非常需要配合視覺系統(tǒng)的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作。該例子為對(duì)倉庫中不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行定位及抓取。在機(jī)器啟動(dòng)前，操作人員根據(jù)具體需求，通過計(jì)算機(jī)將需要搬運(yùn)的產(chǎn)品的批次傳輸給視覺系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人帶動(dòng)視覺系統(tǒng)到達(dá)產(chǎn)品上方時(shí)，視覺系統(tǒng)通過獲取的圖像進(jìn)行識(shí)別，通常識(shí)別物為條碼，當(dāng)確認(rèn)該產(chǎn)品為需要搬運(yùn)的產(chǎn)品，那么視覺系統(tǒng)再通過獲取的圖像進(jìn)行精確定位，將坐標(biāo)值傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人隨后運(yùn)動(dòng)到指定位置，進(jìn)行抓取搬運(yùn)。如果檢測(cè)該產(chǎn)品不是需要搬運(yùn)的產(chǎn)品，那么傳輸給機(jī)器人相應(yīng)的信號(hào)，機(jī)器人移動(dòng)到下一工件位置進(jìn)行下一次檢測(cè)。

　　該系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)同樣采用德國(guó)Vision Components公司智能攝像機(jī)VC2038,機(jī)器人采用德國(guó)百格拉直角坐標(biāo)機(jī)器人，控制系統(tǒng)采用的為德國(guó)MOVTEC公司運(yùn)動(dòng)控制卡，這樣能夠保證在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中對(duì)視覺系統(tǒng)與直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制與配合。

　　目前，類似系統(tǒng)已經(jīng)在很多自動(dòng)化流水線上應(yīng)用，均獲得很好的效果。

　　4 視覺系統(tǒng)引導(dǎo)的灌裝機(jī)械

　　目前機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，以下我們介紹機(jī)器人在灌裝機(jī)械中的使用。如圖4所示，在一些工廠中需要對(duì)液態(tài)產(chǎn)品大量的進(jìn)行灌裝以方便運(yùn)輸，所以自然就增加了對(duì)灌裝機(jī)的需求，附圖中為視覺引導(dǎo)的直角坐標(biāo)機(jī)器人在灌裝機(jī)中的應(yīng)用。機(jī)器人方面選用德國(guó)百格拉龍門式三維直角坐標(biāo)機(jī)器人，視覺方面選擇德國(guó)Vision Components公司智能攝像機(jī)VC4038E。

　　該系統(tǒng)是通過BLOB區(qū)域分析的方法來進(jìn)行桶口的位置確定。由于每個(gè)桶口的正上面都有一個(gè)與鐵桶本身顏色區(qū)分明顯的白點(diǎn)和黑洞，那么視覺系統(tǒng)就采用區(qū)域分析的方法對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，獲得該白點(diǎn)和的黑洞位置，然后通過換算確定桶口的位置，并通過以太網(wǎng)口傳輸給直角坐標(biāo)機(jī)器人。機(jī)器人獲得該坐標(biāo)后，直接帶動(dòng)注油管道到桶口上方，然后插入，注油，待結(jié)束后重復(fù)執(zhí)行以上的動(dòng)作。

　　該系統(tǒng)成功的解決了工廠注油難，費(fèi)時(shí)，費(fèi)力等困難，大大提高了工作效率，使其在幾個(gè)月內(nèi)便收回了該設(shè)備的成本。該類應(yīng)用可以推廣到其它產(chǎn)品或其它形狀的灌裝容器應(yīng)用中。這里面機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸要帶金屬防護(hù)帶，所用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是防爆電機(jī)。

五 結(jié)論及展望

　　本文介紹了德國(guó)百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人及德國(guó)Vision Components公司的智能相機(jī)。德國(guó)Vision Components公司的智能相機(jī)裝配在百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人上已經(jīng)被眾多用戶成功地用在工件定位，分類搬運(yùn)上。 隨著大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，很多產(chǎn)品要在許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面被檢測(cè)及精確定位，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人和圖像處理系統(tǒng)將具有更加廣范的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿?