前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的水果雕花機器人創新實驗設計，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要:設計了水果雕花機器人，在目標對象的位置、大小變化時，NACHI6自由度工業機器人可在攝像頭的輔助下，實時調整路徑，配合自制的裝夾平臺與雕刻刀，實現對哈密瓜的雕刻。本實驗可滿足學生對工業機器人、機器視覺、自動控制等先進技術的實踐教學要求，提高工科學生的創新與實踐能力。
關鍵詞:工業機器人;機器視覺;哈密瓜;雕刻;創新實驗
0引言
繼德國2013年提出工業4．0概念后［1-2］，我國也提出了中國制造2025，對工業機器人技術［3-5］的需求與日俱增。掌握工業機器人、機器視覺［6-8］、自動控制等先進技術的綜合是當今社會對新型人才的要求。結合生活實例，隨著人們生活水平的不斷提高，各種果蔬雕花成了高檔飯店的標配。然而花雕技術含量高、雕刻效率低，人工成本不斷攀升并存在安全隱患。為此本文結合生活實際需求，設計了基于視覺的水果(以哈密瓜為例)雕花機器人創新實驗，針對不同的哈密瓜(大小、位置不同)，配置有攝像頭的機器人可對哈密瓜進行快速拍照、定位、調整路徑，按照設定程序，完成哈密瓜雕花。通過本實驗，學生能夠將工業機器人、攝像頭、機器人末端執行器三者組成一個能夠完成特定任務的機器人系統，以此來提高學生的科研水平與創新能力。
1系統整體結構
系統結構如圖1所示，根據哈密瓜雕花技術要求，機器人系統主要分為3部分:工業機器人系統、機器視覺系統、機器人執行終端及其控制。工業機器人采用型號為MZ04-01-CFD-0000的納智(NACHI)6自由度機器人，工作半徑541mm，負載4kg，重復定位精度0．02mm。機器人共有6軸(自由度):第1軸為手臂回轉;第2軸為手臂前后運動;第3軸為手臂上下運動;第4軸與第6軸為手腕回轉;第5軸為手腕彎曲。機器視覺部分采用低照度、無畸變、200萬像素的OV2710型1080P的USB攝像頭，其視角可達53°。在1920×1080分辨率下可達30幀/s，高速無拖影，自動對焦，支持IR-CUT，可傳輸多種數據，UVC免驅協議兼容多種主流的開發環境(Windows、Linux、Android等)。同時配套多種主流語言開發包及例程，支持Halcon、Labview、Matlab等第三方圖像處理軟件直接調用。機器人執行終端包括雕刻刀及裝夾平臺，其中裝夾平臺由4個步進電動機驅動，其中2個型號為42BYG34-401A，2個57BYG34-401A，步矩角StepAngle為1．8°，由單片機控制。
2實驗準備
2．1機器人性能及手動操控
了解NACHI工業機器人基本性能、工作原理、適用場合，每個關節的作用及動作范圍。如圖2所示，使學生掌握手持操控器。操控器不僅可控制機器人進行各種運動，還可以監測x、y、z3個位置、roll、pitch、yaw3個姿態以及一些關鍵的數據變量。操控器屏幕為高亮度LCD液晶屏，顯示效果及人機交互界面友好，用戶操作簡易便捷，可以方便操控機器人，設定其位置和姿態?？梢酝ㄟ^以太網或USB燒寫程序，可供分步調試程序，功能強大。依次對6個軸進行按鍵:按X+，X-，則第1軸轉動，帶動本體左右回轉;按Y+，Y-，則第2軸轉動，帶動第2手臂前后俯仰;按Z+，Z-，則第3軸轉動，帶動第1手臂上下運動;按RX+，RX-，則第4軸轉動，帶動手腕回轉;按RX+，RX-，則第5軸轉動，使手腕彎曲;按RX+，RX-，則第6軸轉動，帶動法蘭回轉。通過手持操控器，讓學生了解每個軸的性能、運動范圍，以及多軸組合運動時的特點。
2．2機器人視覺系統
了解與機器人配套的攝像頭的基本性能，了解視覺處理器的相關概念。攝像頭如何將對象的相關信息(大小、位置等)轉換成圖像信號;掌握圖像處理系統將相關信息轉變成數字信號的原理，如何對這些信號進行各種運算來提取目標特征，進而控制機器人做出各種設定動作。2．3上位機編程要求學生熟悉編程軟件及界面，并能夠對機器人的各軸進行簡單控制。本系統采用納智自帶的編程軟件:FDonDeskLight，可在筆記本上直接編程，編程界面如圖3所示。上位機進行圖像處理，獲取處理對象的像素點位置坐標和角度，通過換算，轉換成機器人的位置坐標和角度，再通過套接字通訊發送給控制柜。控制柜接收到信息后，執行程序，控制機器人到達指定坐標并對目標對象實施設定的動作。
3哈密瓜雕花實驗設計
學生了解了機器人的工作原理后，開始設計雕花機器人。如圖4所示，在攝像頭、裝夾平臺以及雕刻刀的配合下，完成哈密瓜雕花實驗。
3．1執行終端及其控制部分設計
針對哈密瓜的結構特點，設計如圖5所示的裝夾平臺，考慮到機器人存在小范圍的死區，因此裝夾平臺有3個自由度:沿x，y方向移動、繞z軸旋轉，此外還包括一個可移式抱緊裝置。抱緊裝置為兩個帶L型彈簧鋼片的抱緊片，外觀呈半圓形，由左右絲桿驅動，可以將不同大小、形狀的哈密瓜抱緊，抱緊片外殼采用3D打印［9-10］技術制作而成。自制的雕刻刀可以固定在機器人自帶的法蘭盤上，雕刻刀不僅可以對哈密瓜進行雕刻，刀具前端還特制了鉤狀結構，配合碎塊清理程序，可以將切下來的哈密瓜碎塊清理。雕刻刀尾部固定結構采用3D打印，方便與機器人第6軸的法蘭盤相連接。裝夾平臺采用STM32F103單片機控制，如圖7所示，單片機可與上位機進行串口通訊。上位機對單片機發送哈密瓜的尺寸信息，單片機根據哈密瓜尺寸信息，將哈密瓜可靠固定，并控制裝夾平臺移動到設定位置。
3．2視覺系統
攝像頭可快速、準確地將哈密瓜大小信息(見圖8)轉換成圖像信號(見圖9)，傳送給專用的圖像處理系統，使其得到被攝目標的形態信息。根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號進行準確處理，圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制機器人終端的動作。
3．3上位機編程
在Windows操作系統下，進入納智自帶的編程軟件進行編程。編程包括3個部分，圖像處理部分編程(visualstudio)、機器人動作編程(FDonDesk)、機器人終端編程(裝夾平臺，單片機編程)。上位機將哈密瓜的像素坐標轉換為機器人的機械坐標，下位機通過MOVEX函數，控制機器人完成雕花動作?？刂茩C器人動作的程序流程如圖11所示。哈密瓜雕刻程序包括如下內容:①待雕刻的哈密瓜到達操作平臺后，攝像頭快速準確捕捉哈密瓜的坐標位置、大小，并將相關數據反饋給上位機。②上位機經過數據處理后，將哈密瓜的坐標位置信息傳遞給單片機，裝夾平臺接收指令后調整位置。③攝像頭將哈密瓜的截面信息發送給上位機，上位機結合客戶的設定(花瓣數量、形狀等)調用程序，機器人完成雕刻。如圖12所示為上位機中OpenCV的俯視視覺圖，通過OpenCV函數引用cv2類里的輪廓周長變量，perimeter=cv2．arcLength(cnt，True)，計算出哈密瓜輪廓的周長。假設周長為60cm，并且希望雕刻16個花瓣，則在其輪廓上均布取16點，再以這16個點為中心，形成32個等距線段，雕刻刀均勻切割32刀，形成16個花瓣，相鄰兩個花瓣的距離為60/16=3．75cm。32刀對應的x，y，z軸坐標可通過計算得到。花瓣的個數、形狀均可由用戶事先自定義設置。
4結語
通過本實驗，要求學生掌握如下技能:①工業機器人性能及其編程;②機器視覺及其編程;③機器人末端執行器的設計與控制(本實驗采用單片機控制，也可采用PLC等)，其中前兩點的結合是難點和重點。當目標對象大小、形狀不同時，就必須借助攝像頭，判斷對象的狀態，修正機器人行進路徑。當更換目標對象(如西瓜、木瓜等)時，還需要重新設計執行終端。通過本實驗，學生將工業機器人、攝像頭、機器人末端執行器三者組成一個機器人系統，完成特定任務。本實驗貼近生活，學生非常感興趣，且科技含量高，難度大，綜合性強，可作為創新實驗或者開放性實驗［11-13］，非常適合培養新工科人才。
作者:趙明巖 蔣昕余 陳垣融 楊旭銘 瞿瑞德 單位:中國計量大學