视觉与力觉融合的工业机械臂控制技术

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摘要：工业机械臂因为优势众多，所以应用范围十分广泛，如稳定性好、效率高、恶劣环境适应性强等。但由于传统工业机械臂存在兼容性、自主性差等缺陷，即使工作对象或流程出现轻微改变也需要重新设定机械臂运动参数和作业系统，所以工业机械臂的智能化研究成为当前的热点问题。而基于视觉和力觉的工业机械臂是提高机械臂作业灵活性与可靠性的关键手段，同时也是当前机械臂研究的热点之一。本课题主要研究融合视觉引导和力觉反馈的工业机械臂控制技术，利用视觉算法检测并定位目标，利用力觉控制工业机械臂与目标物的接触。

关键词：工业机械臂；中国制造；视觉引导

基于机器学习的方法对机械臂末端与不同特性物体接触过程中的力信息进行分析，同时将机械臂末端在拾取不同物体过程中产生的力信息样本进行采集，基于信息样本训练LSTM网络，而通过这一方式能够获得力特征检测模型。利用模型来判断机械臂与物体接触时的力特征，并控制机械臂与目标进行接触，通过视觉引导、力反馈的机械臂应用系统，并搭建相应的实验平台，控制机械臂实现物体移动作业。而利用该系统可以通过软件来控制机械臂，这意味着该系统在完成物体拾取、摆放等方面的有效性。另外，将视觉引导和力反馈相融合，应用在工业机械臂具有更高的灵活性和智能化程度[1]。

1发展现状

1.1相关政策

工业机械臂在我国起步于70年代初，其发展过程可以大致分为70年代的萌芽期、80年代的生长期、90年代的实用化期以及至今四个阶段。而经过20多年的发展已经初具规模。目前我国机器人产业发展正处于从数量向高质量扩展的攻坚阶段。在《机器人产业发展规划（2016—2020年）》文件中提出，我国的机器人产业在“十三五”时期需要实现“两突破”“三提升”，也就是说实现机器人关键零部件、高端产品等方面的突破，使机器人实现质量可靠性，提升国际上的竞争力，使我国拥有完善的机器人产业体系。

1.2国内外同类产品生产现状

国外对于机械臂上应用视觉的研究较早，并且涉及到广泛的领域，我国的研究时间相对较晚。在工业领域内，当前的机械臂在装卸机器人、搬运机器人、焊接机器人等的技术已成熟，并且应用非常广泛。在当前的机器人技术领域内，应用最广泛的自动化机械装置当属机械臂，除了在工业领域内，在其他诸如娱乐服务、医疗医学、军事等领域都能用到机械臂[2]。2014年我国机械臂销量为3.60万台，其中国产品牌销量为0.36万台，国产品牌占比为10%；到2018年我国工业机械臂销量增长至9.72万台。

1.3生产工艺技术路线

大部分的工业机械臂是采用形状记忆聚合物材质和轻型合金材质组合形成的机械臂零部件，减轻机械臂的整体重量，且通过轻型合金材料和形状记忆聚合物材质保证机械臂的密度小、强度大而且转动惯量小的特性。通过在形状记忆聚合物材质中加入增强材料，利用增强材料增加形状记忆聚合物材质的刚度，且增强材料中采用短纤维和颗粒增强材料按6︰4比例混合，利用短纤维增强强度和刚度的同时增加材料的可恢复力应变率，且颗粒增强材料便于改善增强材料与基体聚合物之间的连结，使得连接更紧密，相互影响更直接。

1.4发展趋势

国内的工业机械臂技术起步较晚，但随着国内人工成本的不断上升，工业机械臂对制造业显得越来越重要，并且国内正处于企业转型升级的关键时期，作为无法取代的重要设备，工业机械臂的应用和普及势必会成为企业的优先选择。国内工业机械臂的发展十分迅速，政府颁布的支持政策也起到了很大的助推作用。政府相继颁布了《中国制造2020》、“十三五”规划和《机器人产业发展规划（2016—2020年）》等政策扶持机器人产业的发展。有了政策的支持，再加上机械臂的产品优势和广阔的市场需求，工业机械臂在国内的发展前景不可估量[3]。根据《中国制造2025》的发展规划，未来制造业将形成新一代信息技术和制造业相融合的新模式，力求实现中国由制造大国向制造强国转变。而智能制造是《中国制造2025》的核心，工业机械臂的应用更是其关键，以工业机械臂为核心的智能制造已经成为推动我国制造业转型升级的重要手段。未来，随着工业机械臂应用的不断扩展和智能制造的转型，我国工业机械臂发展潜力巨大。

2应用水平和现存问题

视觉与力觉相融合应用在机械臂中，主要用于工业领域，并且已经具有开门、装配、磨削等功能。但是，其问题在于应用视觉融合力觉的工业机械臂控制技术还存在一定难度，视觉算法的实现比较困难，而针对目标拾取作业，仅可以保证拾取的位置，关于合适接触状态、拾取力度等方面，机械臂末端拾取目标物还无法保证。

2.1需解决的关键技术、工艺问题

工业机械臂是一种机器人，在工业机械臂中应用视觉与力觉的研究非常多，如通过视觉、力觉等提高工业机械臂在各个方面作业的智能化程度。基于抓取来说，传统工业机械臂的灵活性不够高，并且适应环境的水平较低，所以要使工业机械臂获得环境感知能力。通过视觉定位的方式对物体具体位置进行定位，以此来实现抓取，而在获取物体的位置信息时，视觉算法存在一定难度，因为其主要是针对目标拾取方面，因此在保障拾取位置的前提下，机械臂末端拾取力度、拾取目标物的接触状态等方面无法保障。在抓取物体时，目标物体深度信息具有较高的测量精度才能够实现精准抓取。而线结构光的辅助测量、超声波深度探测的精度等测量方式均十分理想，但同时也会加大系统复杂程度。

2.2解决方法

基于需解决的问题，考虑结合工业机械臂与多种传感器，例如，采用视觉传感器和力觉传感器，能够使工业机械臂具有视觉感知和力的感知，提高机械臂的灵活程度，同时也可以将任务分为力觉部分、视觉部分，通过力感测控制操纵器，最大程度上保证接触操作稳定。另外还能够结合视觉和力觉，获得机器人伺服控制方法，在估计平面的法线防线中应用视觉传感器，并控制末端执行器平行于平面运动，而在获取末端执行器上应用力觉，这一方式能够有效降低目标定位难度，并提高智能化程度和作业能力。但是结合视觉和力觉在工业机械臂上的应用，仍旧需要研究。

2.3主要技术经济指标

近年来，随着自动化工业的不断发展，机械手也将随之壮大起来，而在许多制造大国，其人力成本的上升导致机器人已然成为维持制造力的关键所在。基于国际机器人协会的统计，全球工业机器人销量正处于不断增加的情况下，在2005—2015年这十年的时间内，新装工业机器人年均成长速度高达14%，同时在2015年全球范围内的工业机器人销量突破24万台，中国、韩国、日本、美国、德国这五个国家是全球前五大机器人市场排名，总销量占全世界的70%，到2020年时可达700亿美元。调研机构Freedonia同时预测在2021年，全球范围内的工业机器人将会比2011年增长82%。

3采用的技术标准以及预期规模和水平

3.1采用的技术标准

工业相机能够组成工业机械臂的图像获取设备，从而实现电信号和光学信号之间的转换，而相机还能够接收上位机的控制命令，因此采集图像需要将数据及时传送给上位机。力检测设备能够组成传输转换单元以及力传感器，将力传感器安装在工业机械臂末端，使机械臂在和目标对象接触时，产生接触力的模拟信号，然后将信号发送给工控机，方便工控机进行检测。末端工装基于试验设计要求来对刚件结构进行设计，通过力传感器的前提条件在于必须要制定适合在工业机械臂末端安装的工装，将吸盘、夹具等设备安装在传感器末端，可以使机械臂实现抓取作业，而机械臂在抓取过程中末端设备与目标物接触产生的力也可以由力传感器获取[4]。

3.2预期规模与水平

1）工业机械臂向着高速度、高精度、高可靠性不断发展，并且操作和维修更加简单。2）机械结构向着可重构化、模块化方向发展。如工业机械臂中的关节模块内的减速机、伺服电机、检测系统三位一体化：由连杆模块、关节模块通过重组方式构造机械手整机。3）工业机械手控制系统向着开放型控制器方向发展，从而实现网络化和标准化；提高器件集成度，并采用模块化结构，以此来提高系统可靠性、可维修性以及易操作性。4）传感器在工业机械臂中具有重要作用，不仅可以安装速度、位置等传感器，同时还可以在装配、焊接机械手上安装视觉、力觉传感器，通过融合技术能够实现环境建模及决策控制。

4结束语

基于视觉和力觉融合的工业机械臂控制技术不仅可以为社会各个行业提供优质环保的工业机械臂，也为工业机械臂的应用扩大了新的应用领域，促进了工业产业的更新换代，符合建设节约型社会的产业政策。同时，工业机械臂能够有效降低产品成本和废品率，减少工人误操作产生的残次零件风险等，因此其产生的一系列效益非常明显，如减少人工、降低机床损耗、促进技术创新，从而提高企业在市场上的竞争力。工业机械臂在执行各种任务时，平均故障间隔期高达6000小时以上，要远远优于传统的自动化工艺。根据《中国制造2025》的发展规划，未来制造业将形成新一代信息技术和制造业相融合的新模式，力求实现中国由制造大国向制造强国转变。而智能制造是《中国制造2025》的核心，工业机械臂的应用更是其关键，以工业机械臂为核心的智能制造已经成为推动我国制造业转型升级的重要手段。随着工业机械臂应用的不断扩展和智能制造的转型，我国工业机械臂发展潜力巨大。

参考文献：

[1]夏群峰，彭勇刚.基于视觉的机器人抓取系统应用研究综述[J].机电工程，2014，31(6)：697-701+710.

[2]何涛.浅谈机器视觉的原理及应用[J].技术与市场，2011，18(5)：11.

[3]陆健.最小二乘法及其应用[J].中国西部科技，2007(19)：19-21.

[4]徐效农，宋爱国，朱澄澄，等.基于环境建模与修正的视觉/力觉辅助遥操作系统[J].载人航天，2016，22(1)：55-61.

作者：付保英 单位：鹤壁职业技术学院