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基于机器人视觉的轨迹再现机器人控制系统设计

摘要：随着工业自动化发展水平的不断提高，机器人在工业生产中的地位显得越来越重要，机器人技术在自动化生产领域的切割、雕刻等领域的应用有了长足的发展。本课题以无锡职业技术学院与无锡信捷电器股份有限公司合作开发的轨迹再现机器人为基础，着重研究了机器人的视觉技术与机械运动情况，并对轨迹再现机器人的主要部件进行详细分析。

关键词：机器人视觉；机器人轨迹规划

 

目录

一.引言 2

1.1工业机器人 2

1.2 我国的机器人发展趋势 2

1.3 轨迹再现机器人 4

二.基于机器人视觉的轨迹再现机器人的机械结构设计 5

2.1 总体结构设计 5

2.2 x轴平移机构 5

2.3 y轴平移机构 8

2.4 z轴升降机构 8

2.5 机器人视觉机构 11

3.1 总体硬件设计 13

3.2 电源模块 13

3.3 主控制器模块 14

3.4 伺服电机模块 17

3.5 步进电机模块 19

3.6 机器视觉模块 20

四.轨迹再现机器人程序解析 22

4.1 机器人准备阶段 22

4.2 相机学习 23

4.3 点动运行 23

4.4 自动模式 23

4.5 报警处理 24

五.结论 26

 

一.引言

1.1工业机器人

传统的工业生产，用蒸汽机、内燃机、电机驱动机器运动，代替人力，驱动工具生产产品，使得人力得以解放，人均生产能力大幅提升，工厂利润提高，人均收益增加。此种方式虽然相较于传统手工生产有很大优势，但在依然需要工人操控机器，机器本身并没有操作能力，不能独自进行生产作业。

机器人，是现代工厂自动化浪潮下产生的一种智能机器，这种机器具备一些与人或生物相似的自动获取外界信息并作出一定判断能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种可以有灵活用途的自动化机器。机器人的诞生，可以说是人类劳动力的又一次革命性的解放。如今的工业机器人，大多还是代替流水线工人的工作，以重复劳动为主，还有高精度作业，毕竟人的失误概率理论上来说大于机器。不过如今，机器人日趋智能化和网络化，相信不久的将来，没有人的车间，将遍布大江南北。

机器人的出现大大改善了工厂生产效率和次品率。应此，在劳动成本不断增长的前提下，机器人技术，日益普及已成为趋势。

1.2 我国的机器人发展趋势

    我国发展机器人的原因有许多：（1）机器人工业的发展是衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。（2）我国人口红利大不如十几年前，劳动成本的提高促使市场寻找新的工业优势，机器人可以重塑我国制造业竞争优势。（3）我国正处也市场转型阶段，发展机器人有助于价款国内企业的转型。

而我国机器人的发展，主要有以下短板：

（1）市场需求快速增长，但国内机器人设备制造企业技术条件所限，不能满足制造企业要求，所以许多企业将目光转向国外，从国外引进价格昂贵的机器人，目前我国新增工业机器人中超过70%依赖国外进口。

（2）产业化初步取得进展，但程度较低。

近年来，在国内市场需求激增以及国家鼓励行业间自主创新的情况下，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，进行工业机器人研制和生产，我国自主工业机器人的生产销售初具规模。一些产品已开始产业化生产应用，也取得了一定的反响，但由于在精度、速度等方面相对于进口产品还有一定差距，所以这些产品的市场份额一般不大，且知名度不如进口产品，难成气候。

（3）掌握了一些先进技术，但整体技术水平仍然较低。

我国目前机器人的发展相较于以前已经有了长足的进步，可以自主生产机器人的机械臂，设计控制系统的软件和硬件，研究机器人的运动学和轨迹规划，可以生产部分机器人的关键元件，开发了不少可以应用于工业现场的诸如喷漆、电焊、装配、搬运机器人，在一些领域已经达到了世界先进的水平，但总体而言，中国机器人的发展相对于发达国家依然有较大差距。

而我国机器人的发展依然有不小阻力：首先外资品牌占国内市场绝对份额，日本的YASKAWA（安川电机）、日本的fanuc（发勒科）、瑞典的abb、德国的kuka（库卡）等知名企业产品在中国市场的占有率达到近90%，仅fanuc一家，就在我国占有23%的市场份额。而我国研发机器人的企业想要在市场占据一席之地，就要与这些拥有雄厚资金和技术支持的企业竞争。

而且我国机器人生产的关键核心部件受制于人。由于我国机器人发展时间落后于国外，技术储备并不雄厚，所以一些关键部件的生产长期依赖于国外进口，使得国内机器人的生产成本过高，并不能取得良好的市场收益，企业投资热情并不高。

还有我国机器人工业刚发展不久，产业化发展并无一个统一的规范，伴随我国工业机器人需求的迅猛增长，有些技术不成熟的企业以质量低下价格低廉的劣质产品扰乱市场，造成恶性竞争，且有损国产机器人的口碑。虽然我国有不少的企业和高校都有机器人方面的研究，但是机器人的研发依然是研究性的、独立性的，没有一个国家层面上的交流平台，使得有许多无用的、重复的研究，造成研究资金与时间的不必要浪费。

（4）研发及产业化方面的激励政策尚需完善。

尽管国家有多个项目涉及机器人领域，但行业仍未建立起有效的公共技术平台以加强关键共性技术和核心功能部件的研究与突破，产业化的进程也难以推进，所以希望国家在企业与高校的机器人研究和产业化建立方面完善鼓励措施，促进产业发展。

所以全面实现工业机器人的国产化，形成较为完善的工业机器人产业体系依然有许多路要走，培养出三到五个家具有国际竞争力的知名企业和配套产业集群是必要的，国家可以适当对该类企业以优惠政策，帮助企业渡过产业发展初期的困难。

受技术快速发展、劳动力资源不断稀缺、生产效率要求近一步提高等因素影响，全球工业机器人将迎来更为广阔的发展空间和更高的发展速度。在区域分布上，欧美的工业一直是世界工业的排头兵，一些尖端技术都会首先应用和普及于欧美地区，但是随着亚洲地区制造业的发展，各项产业对于工业机器人的需求量增加，使得工业机器人市场需求逐渐由欧美地区转移到亚洲地区，这是世界制造中心转移向亚洲的标志。而我国机器人工业可以乘着这股东风快速发展。

1.3 轨迹再现机器人

在传统生产生活中，纯机械控制的设备一种只能对应一个或几个有限的生产方式，而手工制作成本和时间的花费又过于巨大，这显然不能适应现在个性化生产需求。所以，基于机器人视觉的轨迹再现机器人控制系统的概念被提出来，用以解决一些此类问题。

轨迹再现机器人控制系统，属于示教示机器人。示教机器人，是指把将要做的动作对机器人演示，机器人把经过的所有点储存于内部寄存器中，然后重复把该动作在输出端执行出来，实现机器的自动化运行。而轨迹再现机器人，是对2D平面线性轨迹采集之后，在执行端绘制采集的图形，这是对示教机器人的扩充。

轨迹再现机器人的出现，可以说是对世界工业发展具有非常积极的意义。因为需要复刻的行业很多，对于他们来说，轨迹再现机器人，可以减少工人大量的重复劳动需求。不仅对于企业，还有工人，轨迹再现机器人都对他们有积极意。

轨迹再现机器人，主要有信息采集系统、控制系统、机械系统、操作系统四部分构成，用于对2D平面线性轨迹的采集和再绘制。他可以应用于雕刻、焊接、切割等工业领域，适用性十分广泛。