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1、【工業(yè)節(jié)能論文】視覺與力覺融合的工業(yè)機械臂控制技術摘要：工業(yè)機械臂因為優(yōu)勢眾多，所以應用范圍十分廣泛，如穩(wěn)定性好、效率高、惡劣環(huán)境適應性強等。但由于傳統(tǒng)工業(yè)機械臂存在兼容性、自主性差等缺陷，即使工作對象或流程出現(xiàn)輕微改變也需要重新設定機械臂運動參數(shù)和作業(yè)系統(tǒng)，所以工業(yè)機械臂的智能化研究成為當前的熱點問題。而基于視覺和力覺的工業(yè)機械臂是提高機械臂作業(yè)靈活性與可靠性的關鍵手段，同時也是當前機械臂研究的熱點之一。本課題主要研究融合視覺引導和力覺反饋的工業(yè)機械臂控制技術，利用視覺算法檢測并定位目標，利用力覺控制工業(yè)機械臂與目標物的接觸。關鍵詞：工業(yè)機械臂；中國制造；視覺引導基于機器學習的方法對機械臂末

2、端與不同特性物體接觸過程中的力信息進行分析，同時將機械臂末端在拾取不同物體過程中產(chǎn)生的力信息樣本進行采集，基于信息樣本訓練LSTM網(wǎng)絡，而通過這一方式能夠獲得力特征檢測模型。利用模型來判斷機械臂與物體接觸時的力特征，并控制機械臂與目標進行接觸，通過視覺引導、力反饋的機械臂應用系統(tǒng)，并搭建相應的實驗平臺，控制機械臂實現(xiàn)物體移動作業(yè)。而利用該系統(tǒng)可以通過軟件來控制機械臂，這意味著該系統(tǒng)在完成物體拾取、擺放等方面的有效性。另外，將視覺引導和力反饋相融合，應用在工業(yè)機械臂具有更高的靈活性和智能化程度1。1發(fā)展現(xiàn)狀1.1相關政策工業(yè)機械臂在我國起步于70年代初，其發(fā)展過程可以大致分為70年代的萌芽期、8

3、0年代的生長期、90年代的實用化期以及至今四個階段。而經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于從數(shù)量向高質(zhì)量擴展的攻堅階段。在機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20162020年）文件中提出，我國的機器人產(chǎn)業(yè)在“十三五”時期需要實現(xiàn)“兩突破”“三提升”，也就是說實現(xiàn)機器人關鍵零部件、高端產(chǎn)品等方面的突破，使機器人實現(xiàn)質(zhì)量可靠性，提升國際上的競爭力，使我國擁有完善的機器人產(chǎn)業(yè)體系。1.2國內(nèi)外同類產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀國外對于機械臂上應用視覺的研究較早，并且涉及到廣泛的領域，我國的研究時間相對較晚。在工業(yè)領域內(nèi)，當前的機械臂在裝卸機器人、搬運機器人、焊接機器人等的技術已成熟，并且應用非常廣泛。在當前

4、的機器人技術領域內(nèi)，應用最廣泛的自動化機械裝置當屬機械臂，除了在工業(yè)領域內(nèi)，在其他諸如娛樂服務、醫(yī)療醫(yī)學、軍事等領域都能用到機械臂2。2014年我國機械臂銷量為3.60萬臺，其中國產(chǎn)品牌銷量為0.36萬臺，國產(chǎn)品牌占比為10%；到2018年我國工業(yè)機械臂銷量增長至9.72萬臺。1.3生產(chǎn)工藝技術路線大部分的工業(yè)機械臂是采用形狀記憶聚合物材質(zhì)和輕型合金材質(zhì)組合形成的機械臂零部件，減輕機械臂的整體重量，且通過輕型合金材料和形狀記憶聚合物材質(zhì)保證機械臂的密度小、強度大而且轉(zhuǎn)動慣量小的特性。通過在形狀記憶聚合物材質(zhì)中加入增強材料，利用增強材料增加形狀記憶聚合物材質(zhì)的剛度，且增強材料中采用短纖維和顆粒增

5、強材料按64比例混合，利用短纖維增強強度和剛度的同時增加材料的可恢復力應變率，且顆粒增強材料便于改善增強材料與基體聚合物之間的連結，使得連接更緊密，相互影響更直接。1.4發(fā)展趨勢國內(nèi)的工業(yè)機械臂技術起步較晚，但隨著國內(nèi)人工成本的不斷上升，工業(yè)機械臂對制造業(yè)顯得越來越重要，并且國內(nèi)正處于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關鍵時期，作為無法取代的重要設備，工業(yè)機械臂的應用和普及勢必會成為企業(yè)的優(yōu)先選擇。國內(nèi)工業(yè)機械臂的發(fā)展十分迅速，政府頒布的支持政策也起到了很大的助推作用。政府相繼頒布了中國制造2020、“十三五”規(guī)劃和機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20162020年）等政策扶持機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。有了政策的支持，再加上機械臂的

6、產(chǎn)品優(yōu)勢和廣闊的市場需求，工業(yè)機械臂在國內(nèi)的發(fā)展前景不可估量3。根據(jù)中國制造2025的發(fā)展規(guī)劃，未來制造業(yè)將形成新一代信息技術和制造業(yè)相融合的新模式，力求實現(xiàn)中國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。而智能制造是中國制造2025的核心，工業(yè)機械臂的應用更是其關鍵，以工業(yè)機械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。未來，隨著工業(yè)機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉(zhuǎn)型，我國工業(yè)機械臂發(fā)展?jié)摿薮蟆?應用水平和現(xiàn)存問題視覺與力覺相融合應用在機械臂中，主要用于工業(yè)領域，并且已經(jīng)具有開門、裝配、磨削等功能。但是，其問題在于應用視覺融合力覺的工業(yè)機械臂控制技術還存在一定難度，視覺算法的實現(xiàn)比較困難，

7、而針對目標拾取作業(yè)，僅可以保證拾取的位置，關于合適接觸狀態(tài)、拾取力度等方面，機械臂末端拾取目標物還無法保證。2.1需解決的關鍵技術、工藝問題工業(yè)機械臂是一種機器人，在工業(yè)機械臂中應用視覺與力覺的研究非常多，如通過視覺、力覺等提高工業(yè)機械臂在各個方面作業(yè)的智能化程度。基于抓取來說，傳統(tǒng)工業(yè)機械臂的靈活性不夠高，并且適應環(huán)境的水平較低，所以要使工業(yè)機械臂獲得環(huán)境感知能力。通過視覺定位的方式對物體具體位置進行定位，以此來實現(xiàn)抓取，而在獲取物體的位置信息時，視覺算法存在一定難度，因為其主要是針對目標拾取方面，因此在保障拾取位置的前提下，機械臂末端拾取力度、拾取目標物的接觸狀態(tài)等方面無法保障。在抓取物體

8、時，目標物體深度信息具有較高的測量精度才能夠?qū)崿F(xiàn)精準抓取。而線結構光的輔助測量、超聲波深度探測的精度等測量方式均十分理想，但同時也會加大系統(tǒng)復雜程度。2.2解決方法基于需解決的問題，考慮結合工業(yè)機械臂與多種傳感器，例如，采用視覺傳感器和力覺傳感器，能夠使工業(yè)機械臂具有視覺感知和力的感知，提高機械臂的靈活程度，同時也可以將任務分為力覺部分、視覺部分，通過力感測控制操縱器，最大程度上保證接觸操作穩(wěn)定。另外還能夠結合視覺和力覺，獲得機器人伺服控制方法，在估計平面的法線防線中應用視覺傳感器，并控制末端執(zhí)行器平行于平面運動，而在獲取末端執(zhí)行器上應用力覺，這一方式能夠有效降低目標定位難度，并提高智能化程度

9、和作業(yè)能力。但是結合視覺和力覺在工業(yè)機械臂上的應用，仍舊需要研究。2.3主要技術經(jīng)濟指標近年來，隨著自動化工業(yè)的不斷發(fā)展，機械手也將隨之壯大起來，而在許多制造大國，其人力成本的上升導致機器人已然成為維持制造力的關鍵所在?；趪H機器人協(xié)會的統(tǒng)計，全球工業(yè)機器人銷量正處于不斷增加的情況下，在20052015年這十年的時間內(nèi)，新裝工業(yè)機器人年均成長速度高達14%，同時在2015年全球范圍內(nèi)的工業(yè)機器人銷量突破24萬臺，中國、韓國、日本、美國、德國這五個國家是全球前五大機器人市場排名，總銷量占全世界的70%，到2020年時可達700億美元。調(diào)研機構Freedonia同時預測在2021年，全球范圍內(nèi)的

10、工業(yè)機器人將會比2011年增長82%。3采用的技術標準以及預期規(guī)模和水平3.1采用的技術標準工業(yè)相機能夠組成工業(yè)機械臂的圖像獲取設備，從而實現(xiàn)電信號和光學信號之間的轉(zhuǎn)換，而相機還能夠接收上位機的控制命令，因此采集圖像需要將數(shù)據(jù)及時傳送給上位機。力檢測設備能夠組成傳輸轉(zhuǎn)換單元以及力傳感器，將力傳感器安裝在工業(yè)機械臂末端，使機械臂在和目標對象接觸時，產(chǎn)生接觸力的模擬信號，然后將信號發(fā)送給工控機，方便工控機進行檢測。末端工裝基于試驗設計要求來對剛件結構進行設計，通過力傳感器的前提條件在于必須要制定適合在工業(yè)機械臂末端安裝的工裝，將吸盤、夾具等設備安裝在傳感器末端，可以使機械臂實現(xiàn)抓取作業(yè)，而機械臂在

11、抓取過程中末端設備與目標物接觸產(chǎn)生的力也可以由力傳感器獲取4。3.2預期規(guī)模與水平1）工業(yè)機械臂向著高速度、高精度、高可靠性不斷發(fā)展，并且操作和維修更加簡單。2）機械結構向著可重構化、模塊化方向發(fā)展。如工業(yè)機械臂中的關節(jié)模塊內(nèi)的減速機、伺服電機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由連桿模塊、關節(jié)模塊通過重組方式構造機械手整機。3）工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向著開放型控制器方向發(fā)展，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡化和標準化；提高器件集成度，并采用模塊化結構，以此來提高系統(tǒng)可靠性、可維修性以及易操作性。4）傳感器在工業(yè)機械臂中具有重要作用，不僅可以安裝速度、位置等傳感器，同時還可以在裝配、焊接機械手上安裝視覺、力覺傳感器，通過融合技術能

12、夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境建模及決策控制。4結束語基于視覺和力覺融合的工業(yè)機械臂控制技術不僅可以為社會各個行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)保的工業(yè)機械臂，也為工業(yè)機械臂的應用擴大了新的應用領域，促進了工業(yè)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，符合建設節(jié)約型社會的產(chǎn)業(yè)政策。同時，工業(yè)機械臂能夠有效降低產(chǎn)品成本和廢品率，減少工人誤操作產(chǎn)生的殘次零件風險等，因此其產(chǎn)生的一系列效益非常明顯，如減少人工、降低機床損耗、促進技術創(chuàng)新，從而提高企業(yè)在市場上的競爭力。工業(yè)機械臂在執(zhí)行各種任務時，平均故障間隔期高達6000小時以上，要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的自動化工藝。根據(jù)中國制造2025的發(fā)展規(guī)劃，未來制造業(yè)將形成新一代信息技術和制造業(yè)相融合的新模式，力求實現(xiàn)中國由制造大國

13、向制造強國轉(zhuǎn)變。而智能制造是中國制造2025的核心，工業(yè)機械臂的應用更是其關鍵，以工業(yè)機械臂為核心的智能制造已經(jīng)成為推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。隨著工業(yè)機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉(zhuǎn)型，我國工業(yè)機械臂發(fā)展?jié)摿薮?。參考文獻：1夏群峰，彭勇剛.基于視覺的機器人抓取系統(tǒng)應用研究綜述J.機電工程，2014，31(6)：697-701+710.2何濤.淺談機器視覺的原理及應用J.技術與市場，2011，18(5)：11.3陸健.最小二乘法及其應用J.中國西部科技，2007(19)：19-21.4徐效農(nóng)，宋愛國，朱澄澄，等.基于環(huán)境建模與修正的視覺/力覺輔助遙操作系統(tǒng)J.載人航天，2016，22(1)：55-61.