型材搬運(yùn)上下料機(jī)器人研究_圖文

1、47卷第1期(總第172期中國(guó)造船V o l.47N o .1(Serial N o .1722006年3月SH IPBU I LD I N G O F CH I NA M ar .2006文章編號(hào):100024882(20050420104207收稿日期:2004203208;修改稿收稿日期:2005206209型材搬運(yùn)上下料機(jī)器人研究鄭紹春,孫超,李慧明,周永清(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,湖北武漢430063摘要為了解決在造船、造橋、建筑等鋼結(jié)構(gòu)制造工業(yè)中,實(shí)現(xiàn)鋼質(zhì)型材彎曲機(jī)、焊接機(jī)和切割機(jī)自動(dòng)搬運(yùn)上下料這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,本文提出了一種型材自動(dòng)搬運(yùn)上下料機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。作者較為詳盡地闡述了它

2、的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,提出了計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位及控制方法,并對(duì)重型超長(zhǎng)鋼質(zhì)型材搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行了技術(shù)探討。關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程;型材上下料;機(jī)器人;視覺(jué)定位;型材加工自動(dòng)生產(chǎn)線中圖分類(lèi)號(hào):U 671.99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 1概述我國(guó)船廠的型材加工設(shè)備(如焊接機(jī)、切割機(jī)、彎曲機(jī)等,在加工型材上下料時(shí),一般由操作工人借助車(chē)間的龍門(mén)吊車(chē)來(lái)完成。因?yàn)榈踯?chē)與人協(xié)同,能利用一定長(zhǎng)度的纜繩沿一定軌道在水平和豎直方向抓舉、提升和運(yùn)輸型材。由于型材質(zhì)重、型長(zhǎng),吊運(yùn)時(shí)存在搖擺和旋轉(zhuǎn),欲控制型材、精確定位、完成上下料操作,通常是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情;吊車(chē)啟停與搬運(yùn)路線人工控制,有時(shí)會(huì)帶有一定的隨意性與盲目性,使吊車(chē)運(yùn)行的效率

3、不高,導(dǎo)致電能的浪費(fèi),增加了造船成本;同時(shí),工人要抓住重型型材來(lái)阻止其振蕩、進(jìn)行定位,這項(xiàng)工作對(duì)操作工人來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的。為此,作者試圖用機(jī)器人替代傳統(tǒng)的吊車(chē)協(xié)同人上下料。借助機(jī)器人的超人功能,諸如出色的可重復(fù)性、定位的精確性和快速的移動(dòng)性,來(lái)提高型材加工的效率,降低船舶建造成本,并將操作工人從危險(xiǎn)工作環(huán)境中解放出來(lái)。基于這一設(shè)想,國(guó)外有關(guān)科研機(jī)構(gòu)業(yè)已作了大量研究工作1,2。借鑒國(guó)外的研究成果,作者嘗試著對(duì)型材冷彎?rùn)C(jī)自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行了研究,旨在全面實(shí)現(xiàn)型材加工自動(dòng)化及型材加工自動(dòng)生產(chǎn)線。2型材上下料機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理根據(jù)型材加工設(shè)備加工范圍和技術(shù)特征,型材上下料機(jī)器人應(yīng)滿足下述主要技術(shù)指標(biāo)

4、:操作型鋼范圍:球扁鋼、扁鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、T 型鋼;操作型鋼最大長(zhǎng)度:12m ;操作型鋼線形:直線、曲線;活動(dòng)工作空間X ×Y ×Z (長(zhǎng)×寬×高:60m ×6m ×(0.72m ;搬運(yùn)最大尺寸的型鋼計(jì)算重量:約600kg (以12m 長(zhǎng)T 型材為例:10mm ×400mm 20mm ×125mm ;定位精度:±1mm 。上述技術(shù)指標(biāo)具有如下所述的幾個(gè)技術(shù)特征:機(jī)器人工作的三維空間大,運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng),跨度大;搬運(yùn)物體質(zhì)重、型長(zhǎng);加工型材的機(jī)械加工面為一平面,機(jī)械手可平面定位,但非直線;定位精度要求不

5、高。綜合上述特征,作者在最廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人的幾種坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中,選用直角坐標(biāo)系作為構(gòu)造型材上下料機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)為:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;編程容易;若采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌,速度高、定位精度高;在X 、Y 和Z 三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有耦合作用,較容易控制;活動(dòng)范圍大。直角坐標(biāo)系機(jī)器人至少有三個(gè)自由度。為了搬運(yùn)曲線型材,其機(jī)械手的手指定位需增加一個(gè)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的自由度,因而設(shè)計(jì)為四個(gè)自由度。考慮到型材彎曲機(jī)、切割機(jī)和焊接機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)器人(見(jiàn)圖1,圖2,圖3操作的對(duì)象是重型超長(zhǎng)型材,為使型材搬運(yùn)在立體空間平穩(wěn)地平移,運(yùn)行軌跡光順平滑,使型材在長(zhǎng)度方

6、向的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)均受到電磁力的約束,避免產(chǎn)生振蕩,故其設(shè)計(jì)應(yīng)由下述部分組成:雙固定導(dǎo)軌1(本例設(shè)為X 軸,長(zhǎng)為60m ,見(jiàn)圖1;多門(mén)架(本例設(shè)為四門(mén)架:2A ,2B ,2C ,2D ,見(jiàn)圖1,跨度為6m ,跨度方向設(shè)為Y 軸;行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7(由于定位精度要求不高,采用齒輪齒條傳動(dòng),見(jiàn)圖2;提升機(jī)械手:3A ,3B ,3C ,3D ,見(jiàn)圖1(本例提升高度設(shè)為6m ,提升方向設(shè)為Z 軸;具有光學(xué)視覺(jué)定位功能的電腦裝置8,見(jiàn)圖2 。圖1型材上下料機(jī)器人的俯視圖型材上下料機(jī)器人搬運(yùn)的有效面積接近船體車(chē)間行車(chē)的工作區(qū)域,所以它能很好地利用車(chē)間的空間。它可根據(jù)操作對(duì)象的長(zhǎng)短確定采用多至四門(mén)架(一主動(dòng)2A ,三

7、從動(dòng)2B ,2C ,2D ,少到一門(mén)架(一主動(dòng)2A 。門(mén)架與門(mén)架由左右側(cè)推拉杠(4A 1,4A 2,4B 1,4B 2聯(lián)動(dòng),門(mén)架與推拉杠連接靠電磁離合器(5A ,5B ,5C 離合,因而它們之間相對(duì)間距可調(diào)。掛在每個(gè)門(mén)架上的提升機(jī)械手3可隨門(mén)架橫梁2在直角坐標(biāo)系里作三維運(yùn)動(dòng),機(jī)械手三個(gè)手指(12,15,13中每個(gè)手指的末端連接一電磁鐵吸附塊(11,10,14,第一手指12與第三手指13可繞Z 軸旋轉(zhuǎn),滿足型材彎曲機(jī)9加工成型后的曲線零件6搬運(yùn)要求。具有光學(xué)視覺(jué)(8定位功能的電腦裝置,可根據(jù)型材自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、進(jìn)料工藝文件轉(zhuǎn)換的輸入輸出定位指令來(lái)進(jìn)行離線處理。在線根據(jù)鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作臺(tái)顯示器上的車(chē)間

8、電子地圖上型材的源方位坐標(biāo)和目的方位坐標(biāo)移動(dòng),當(dāng)被搬運(yùn)的型材進(jìn)入機(jī)器人視覺(jué)范圍時(shí),機(jī)械手手指具體定位坐標(biāo)可由視覺(jué)感知。50147卷第1期(總第172期鄭紹春等:型材搬運(yùn)上下料機(jī)器人研究 圖2 型材上下料機(jī)器人的主視圖圖3型材上下料機(jī)器人的側(cè)視圖3多機(jī)械手搬運(yùn)著力位置與型材撓度的分析由于型材實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料到型材彎曲機(jī)加工位,有一定的定位精度要求,在搬運(yùn)過(guò)程中其型材撓度±0.1mm 。在多機(jī)械手的磁吸附力一定、運(yùn)行速度不高時(shí),型材的撓度主要取決于機(jī)械手著力位置。根據(jù)搬運(yùn)不同長(zhǎng)度型材,可確定采用多至四個(gè)少到一個(gè)機(jī)械手。除進(jìn)料首端由于冷彎?rùn)C(jī)特殊要求至少留出距機(jī)械手著力中心點(diǎn)1.5m 外,其余機(jī)

9、械手按等間隔抓舉型材。每只機(jī)械手有三個(gè)手指,每個(gè)手指的磁吸附塊長(zhǎng)0.3m ,兩手指間隙0.15m ,總長(zhǎng)1.2m (見(jiàn)圖4。601中國(guó)造船研究簡(jiǎn)報(bào) 圖4機(jī)械手抓取型材著力位置示意圖作者將被搬運(yùn)型材留出端部的型材視為承受均布載荷的懸臂梁,而兩只機(jī)械手之間的型材視為兩端固定梁,據(jù)此來(lái)計(jì)算型材的撓度。依據(jù)材料力學(xué)中梁撓度的計(jì)算公式,可求得懸臂梁端點(diǎn)撓度y l 為y l =ql 48E I圖5 懸臂梁模型圖6兩端固定梁模型兩端固定梁中點(diǎn)繞度y 為y =ql4384E I式中q (x 為集度,即單位長(zhǎng)度的自重;E 為型材材料的彈性模量;I 為搬運(yùn)時(shí)型材剖面的慣性矩;l 為長(zhǎng)度(在兩式中分別為留出端長(zhǎng)度和

10、兩手之間的長(zhǎng)度。以規(guī)格為H P 200×9的球扁鋼為例:q =181.986N m ,E =200GPa,I =941cm 4這樣,利用上述公式便可計(jì)算出留出端以最大長(zhǎng)度l =1.35m 時(shí)的靜撓度為y l =ql48E I=0.04mm兩只機(jī)械手之間以最大長(zhǎng)度l =3.2-1.2=2m 型材中點(diǎn)靜撓度為y =ql4384E I=0.004mm而由提升引起的型材振蕩,在上述跨度下,只要提升速度不致過(guò)快,振蕩將小于靜撓度,不會(huì)影響定位精度。4型材上下料機(jī)器人計(jì)算機(jī)的視覺(jué)定位及控制方法4.1系統(tǒng)對(duì)各坐標(biāo)系定義與攝影機(jī)標(biāo)定車(chē)間電子地圖坐標(biāo)系O w x y z 與機(jī)器人的導(dǎo)軌行走機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系

11、重合,攝像機(jī)成像平面坐標(biāo)系為O cx y z ,且像平面O cx y 平面與O w x y 物平面平行(見(jiàn)圖7。O w x y z 分為四個(gè)象限,型材上料零點(diǎn)設(shè)為O w x y z 的原點(diǎn)。被加工的原材料型材放在堆場(chǎng) 、 象限,加工成型后型材,反彎線形型材位于 象限,正彎線形型材位于 象限,S 彎線形型材位于 、 象限之間。被搬運(yùn)型材腹板彎向邊緣曲線上一點(diǎn)在O w x y z 中的坐標(biāo)P (x w ,y w ,z w ,在像面上的成像點(diǎn)應(yīng)為P (x c ,y c 。由于鏡頭存在畸變,實(shí)際像點(diǎn)應(yīng)為P (x d ,y d 。光學(xué)中心O 點(diǎn)在計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系幀平面O euv 下的二維位置為O e (

12、0,0。由光學(xué)視覺(jué)裝置采集,按常規(guī)攝像機(jī)變換模型標(biāo)定(確定物空間三維坐標(biāo)系與三維攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系,確定物點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)與計(jì)算機(jī)圖像二維坐標(biāo)系之間的關(guān)系4,進(jìn)行坐標(biāo)變換處理后形成計(jì)算機(jī)圖像的二維坐標(biāo)P (u e ,v e 。下面以機(jī)器人將位于下料區(qū)域內(nèi)彎曲成形的型材搬運(yùn)到下一個(gè)工區(qū)(或裝配托盤(pán)中這個(gè)過(guò)程為例,來(lái)說(shuō)明搬運(yùn)機(jī)器人依靠計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng),機(jī)械手的電磁吸附塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位抓取型材,自動(dòng)吊運(yùn)的方法。4.2型材腹板彎向邊緣曲線數(shù)據(jù)的提取根據(jù)需搬運(yùn)型材的末端方位,鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作臺(tái)顯示器上的車(chē)間電子地圖,讀取型材末端的方位坐標(biāo)P (x m ,y m ;或?qū)⑿筒纳狭狭泓c(diǎn)P (0,0

13、(即O w x y z 的原點(diǎn)作為下料零點(diǎn)P (0,0,也可作為型材末端方位坐標(biāo)P (x m ,y m 的參考坐標(biāo)。以機(jī)器人的從動(dòng)門(mén)架(2D 機(jī)械手(3D 為定位對(duì)象,70147卷第1期(總第172期鄭紹春等:型材搬運(yùn)上下料機(jī)器人研究圖7攝影機(jī)標(biāo)定及坐標(biāo)變換示意圖以P(x m,y m為目的坐標(biāo),插補(bǔ)移動(dòng)。當(dāng)被搬運(yùn)的型材進(jìn)入安裝在機(jī)器人的機(jī)械手上的攝像頭(3-7視覺(jué)范圍時(shí),機(jī)器人對(duì)型材進(jìn)行掃描,完成對(duì)型材腹板彎向邊緣曲線數(shù)據(jù)G(x i,y i的提取3,在計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系下為G(u i,v i。計(jì)算型材兩端點(diǎn)坐標(biāo)P(u0,v0和P(u N,v N之間的直線(后面稱(chēng)弦線距離:L=R=(u N-u02

14、+(v N-v02(1以及其與x軸的夾角:=arctan v N -v0u N-u0(2當(dāng)確定了各機(jī)械手中心電磁鐵吸附塊的定位坐標(biāo)X k后,電腦依X k在型材曲線坐標(biāo)集G(u i, v i中自動(dòng)匹配出最接近的坐標(biāo)點(diǎn)作為各中心電磁鐵吸附塊所需運(yùn)動(dòng)到的最終定位坐標(biāo)P(u k, v k。4.3所需門(mén)架個(gè)數(shù)和門(mén)架間距的確定4個(gè)門(mén)架可搬運(yùn)肋骨最長(zhǎng)可達(dá)12m。如果在某批加工的是小型船舶的肋骨小于12m,可根據(jù)不同弦線長(zhǎng)度L的肋骨,再按表1選擇門(mén)架個(gè)數(shù)n和門(mén)架間距L。再將n與L代入下式X k=-L-(n-1L 2-(k-1L 2n4,1k4(3來(lái)確定第k個(gè)門(mén)架(2A中心電磁鐵吸附塊的定位坐標(biāo)X k。當(dāng)確定了各機(jī)械手中心電磁鐵吸附塊的定位坐標(biāo)X k后,電腦依X k,在肋骨曲線坐標(biāo)集G(u i,v i中自動(dòng)匹配出最接近的坐標(biāo)點(diǎn)作為各中心電磁鐵吸附塊所需運(yùn)動(dòng)到的最終定位坐標(biāo)P(u k,v k。表1搬運(yùn)不同弦線長(zhǎng)度L的型材的門(mén)架個(gè)數(shù)和間距肋骨弦線長(zhǎng)度L(m