摘 要：針對傳統PC 構件手工拆裝模生產作業人員多、占地面積大和工位利用率低的生產方式，結合機器人運動控制技術、激光掃描技術和圖像感知技術，提出了一種基于3D 視覺引導的直角坐標系機器人系統。在闡述視覺引導機器人自動拆裝模具原理的基礎上，設計了一種針對混凝土預制構件拆裝模具的四自由度直角坐標系機器人系統，開發了基于EtherCAT 總線的分布式控制軟硬件系統，并進行工廠實際生產測試。測試結果表明：該機器人可以直接由圖紙驅動自動完成PC 構件的拆模和裝模等核心生產過程；模具識別準確率高于99.5%；單個模具的裝模節拍少于20 s；抓手中心重復定位精度達到±1 mm。為混凝土預制構件拆裝模實現全自動化作業提供了完整解決方案。

近年來，隨著經濟的快速發展，勞動力成本的上升，預制構件加工精度與質量、裝配式建筑施工技術和管理水平的提高以及國家政策因素的推動，預制裝配式建筑呈現快速發展的態勢[1]?；炷令A制構件（簡稱PC 構件）是實現建筑主體結構預制的基礎，而當前國內PC 構件生產線裝備的自動化水平遠不能滿足住宅工業化的發展需求[2]。按構件圖紙形狀和尺寸進行模具拼接和組裝、構件生產完成后的模具清洗與回收等過程是PC 構件生產的核心環節[3]。目前，國內PC 生產線主要以手工或機械輔助拆裝模為主，而國外用于拆裝模具的機器人價格高且不能適應國內出筋構件的生產。

為此，本文提出一種基于3D 視覺引導的直角坐標系機器人系統，并在此基礎上開發了用于拆裝模具的機械抓手、用于生產出筋構件的模具以及其他輔助機構。最后對整個機器人系統進行了實際生產測試與分析，有效提高了系統的控制精度和節拍，完全滿足PC 生產線對于拆模和裝模的全自動化生產需求。

1 機器人本體結構設計

在工業機器人領域中，直角坐標機器人是具有多個自由度的一種典型多用途工業機器人，各自由度可建成空間直角關系，該機器人運動簡單，承載能力強[4]。本文所設計的直角坐標機器人有4 個自由度，能夠帶動機械抓手在三維空間中沿X 軸、Y 軸以及Z 軸進行水平移動，Z 軸上的抓手可以圍繞 Z 軸進行旋轉。

所述直角坐標機器人本體結構模型如圖 1 所示，主要由三軸聯動龍門架以及安裝在三軸聯動龍門架上的機械手和模具識別傳感器模塊組成，其中三軸聯動龍門架包括X 軸桁架、 Y 軸導軌、 YZ 滑臺和Z 軸導軌。機器人中的4 個關節由4 個伺服電機進行驅動，通過現場總線實現機器人的精確定位、PC 構件生產的模具拆卸后識別回收、畫線、 裝模等工作，極大提高了生產效率，可杜絕人為因素導致的產品尺寸誤差波動大，避免生產安全隱患。

1.X 軸桁架 2.Y 軸桁架 3.Z 軸桁架4.R 軸旋轉抓手 5 機器人控制柜圖1 4 軸直角機器人本體結構

機械抓手結構如圖2 所示，主要由抓手主體、夾抓模塊、敲磁釘模塊、中心定位模塊和畫線模塊組成。抓手主體上相對安裝有兩組夾抓模塊，兩組夾抓模塊內分別安裝敲磁釘模塊，定位模塊與抓手主體連接，畫線噴油模塊與定位模塊連接。夾爪、敲磁釘和中心定位模塊均為氣動結構，在抓手進氣管道上安裝有壓力檢測傳感器，負責檢測系統壓力是否在安全范圍內。

1. 中心定位插銷 2. 噴墨畫線機構 3. 激光測距傳感器4. 敲磁釘氣缸 5. 上下氣缸 6. 壓力傳感器7. 電磁閥島 8. 抓手機構圖2 拆裝模機器人抓手結構

2 3D 視覺系統設計

2.1 系統組成

所設計的視覺系統硬件以PC 作為控制中心，由200 萬像素工業相機、半導體線激光器以及相應的傳感器固定裝置組成。系統軟件為基于Opencv 開發的對應的線激光處理算法。工業相機和半導體線激光以固定的角度和高度安裝在拆裝模機器人Z 軸。系統運行時，激光器發出一條結構光照射在待掃描工作臺上，通過拆裝模機器人X 方向勻速移動完成對整個工作臺模具的掃描，生成點云圖像，經過圖像處理后輸出模具的角度和坐標信息，以便于機械手拆模。

2.2 測量原理

所搭建的3D 視覺系統基于結構光測量技術，采用激光三角測距原理[5]，如圖3 所示，線激光照射在被測物上表面，被工業相機接收，點A、B 是激光束在不同高度的被測物表面上的中心位置，點A′、B′是工業相機靶面上的像點，點A 所在的平面設為基準面，AO的距離已知，由此可計算出高度H。

圖3 3D 視覺系統結構示意圖

機器人帶著模具識別傳感器模塊以固定速度沿X 方向運動至整個工作平臺掃描結束。

2.3 點云圖象處理

首先將相機標定至機器人坐標系下，每一幀圖象中激光線上X 方向的點由機器人位置給出，Y 方向的點取相機像素坐標，Z 方向的高度值H 可以計算得出，通過連續掃描整個工作臺，得到工作臺上所有像素點的三維點云。

為進一步求出三維點云對應的模具特征信息，需要將三維點云進行平面模型投影濾波，將三維點云投影到Z=0 也就是X-Y 平面上[6]。點云投影并不能直接獲取模具特征，轉換完成的二維圖像須包含每個點的深度，可用灰度圖顏色的深淺來表示原點云數據的深度。通過設置合理的灰度( 深度) 閾值得到工作平臺的二值圖象。

由三維點云求解得到的二值圖像存在很多噪點以及小的孔洞，這些都會影響最終模具識別的準確性，可以通過二值圖像的基本形態學運算解決這些干擾。首先通過對圖象腐蝕能夠消融連通區域的邊界，選擇適當大小和形狀的結構元素，可以濾除掉所有不能完全包含結構元素的噪聲點[7]。腐蝕后的模具圖象會變得比原始圖象更瘦小，因此腐蝕后的圖象需要再進行膨脹還原，以使圖像的輪廓變得光滑，最終求解出目標模具的外接矩形輪廓。

2.4 拆模路徑規劃

由上可以得到每個模具在X-Y 平面的中心坐標和角度。每個模具具有統一的高度，機器人根據其中心坐標和角度就可以進行抓取后回收。機器人需要遍歷每個模具的中心一次，使機器人遍歷的路徑最短等價于求解加權完全無向圖中訪問每個頂點的總權數最小的閉路，又稱之為最優哈密頓回路[8]。目前還沒有一種有效的算法來求解最優哈密頓回路，可使用近似算法解決該問題[。首先任意選取其中一個結點作為起點，每一步都尋找離上一步距離最短的點作為下一個結點，最終可以得到機器人近似最優路徑軌跡。

3 機器人控制系統設計

3.1 系統總體設計

拆裝模機器人控制系統硬件結構如圖8 所示. 拆裝模機器人主要控制和檢測的對象為直角機器人X、Y、Z和R 軸伺服電機、機器人主站模塊、模具輸送系統、工作臺清理系統和機械抓手模塊。拆裝模機器人系統主要由運動控制下位機、3D 視覺模塊、本地上位人機交互系統和中控室MES 系統的機器人管理模塊組成。

為使機器人具備更快的通信速度、更好的實時性、更精確的位置控制，本文采用EtherCAT 分布式總線網絡控制方式完成伺服和各IO 從站之間的通信。EtherCAT 協議處理完全在硬件中進行，工作效率大大提高，1 000 個分布式I/O 數據的刷新周期僅為30μs[10]。本文選用倍福（Beckhoff）公司的CX 系列嵌入式PC為核心控制器，該控制器采用開放的EtherCAT 實時以太網總線協議，支持與第三方設備通信。上位機為PC機和觸模顯示器，主要負責3D 視覺算法程序運算、系統監控、人機界面的管理和指令控制，協調系統進行工作; 倍福CX 嵌入式PC 運動控制器為下位機，主要負責對上位機發出指令的處理，實現復雜精確的軌跡運動，伺服驅動器負責接收控制器發出的運動指令，驅動伺服電機運動，并根據編碼器與傳感器反饋的信號對電機進行調整；MES 系統負責構件圖紙導入、圖紙解析以及生產任務的發送，將解析后的數據和生產任務發送給下位機控制器執行。

3.2 系統軟件實現

針對系統硬件的設計方案，用ST 結構文本語言在TwniCAT 中編寫機器人控制主程序、機器人和MES 系統通訊接口程序以及機器人和上位機HMI 通訊接口程序。

系統任務類型和構件圖紙數據由中控室MES 系統下發，主要分為掃描拆模和畫線裝模兩種任務類型。掃描拆模：機器人收到任務后會判斷模具緩存庫空位是否足夠，若有足夠的庫位則直接啟動機器人和3D 視覺系統勻速沿X方向掃描整個模具平臺，得到平臺上每一個像素點的3維坐標值，并進一步提取模具特征，得到平臺上所有模具在機器人坐標系下的中心坐標、角度和長度，按最短路徑原則生成機器人拆模運動軌跡；畫線裝模：首先對MES 下發的圖紙數據進行完整性和正確性校驗，數據無異常則按構件外輪廓、預埋件輪廓坐標分類存儲在機器人程序內存中，根據外輪廓形狀特征和邊長得出每條邊的最優模具拼接組合，根據預埋輪廓的形狀信息得出機器人X、Y 兩軸直線和圓弧插補動作表，最后根據模具實際庫存數據生成機器人運動軌跡。

系統本地上位機人機交互界面基于Qt4.5 開發。Qt 具有良好的結構化、靈活的面向對象的結構以及清晰的文檔和直觀的API，為開發跨平臺桌面應用程序人機交互界面提供了良好的支持[11]。使用倍福公司提供的ADS 通訊協議完成控制器與上位機HMI 及MES 系統通訊。ADS 在傳輸層上使用的是TCP 協議，支持句柄直接訪問變量數據，能夠方便完成PC 和控制器的通訊，從而實現控制系統運行時與人機界面的數據交換。

系統觸模屏主要由操作員登陸、生產監控、系統管理、任務列表和掃描識別等監控畫面組成。

點擊左上角的Logo 圖標即可回到機器人系統主界面，從主界面可以快速進入其他各界面：生產監控界面可以動態顯示MES 系統下發的圖紙、每個軸的運動狀態以及生產進度；系統管理界面主要完成模具、模具庫管理以及關鍵位置的示教；任務列表界面用于顯示機器人路徑規劃的結果；掃描識別界面用于3D 視覺識別結果及路徑規劃信息顯示。機器人生產監控界面如圖12 所示。

圖11 人機界面控制窗口關系圖

圖12 本地上位機HMI 生產監控界面

4 實驗分析

機器人抓手中心安裝有一個用于畫構件輪廓線的自動噴液機構，可以將構件圖紙輪廓在工作平臺畫出來。抓手中心Z 方向裝有一個激光測距傳感器，主要用于檢測接近目標物體的距離并反饋給控制器進行決策控制。激光傳感器的性能參數如表1 所示。

實驗1：將激光傳感器分別安裝在激光指向X、Y、Z 軸方向上, 校準后進行定位測試，將被測標準平面塊固定在工作臺上進行測試，機器人重復定位精度測試結果如表2 所示。

表2 中Δd 為控制某個軸運動指定位移后激光測距的變化量，測試得到的最大絕對誤差是0.7 mm，由此可知抓手中心重復定位精度可達到±1 mm。

實驗2：將生產用的模具隨機放在正常生產用的工作平臺上( 保證模具不超出視野邊界)，讓機器人自動掃描識別并抓取回收。連續測試10 次，每次擺放的模具不少于30 個，得到模具識別抓取測試結果如表3 所示。

由實驗結果可知，在319 個隨機擺放的樣本測試中，第9 次實驗中有1 個模具中心坐標識別不準確導致該模具未能正確抓取回收，機器人發生故障（模具是否能成功被抓取是中心坐標是否識別正確的依據，在角度一致的情況下，抓手設計的抓取允許誤差為±4 mm）。由此可知系統模具正確識別率優于99.5%。

5 結論

本文針對PC 構件生產中人工裝模和拆模效率低、工位多、占地面積大等問題，設計了一種基于3D 視覺引導的機器人自動裝拆模系統。生產實驗結果表明：

1）該系統創新開發了一種低成本的激光掃描3D相機模具識別系統，其正確識別抓取率優于99.5%。

2）創新發明了一種出筋新型模具，開發了Allplan和CAD 構件圖紙深度解析接口，真正實現了由圖紙直接機器人進行柔性拆裝模自動化生產，適應國內出筋和不出筋PC 構件柔性生產需求。

3）開發的通用線掃3D 識別物料和引導機器人定位系統可快速應用在其他視覺引導機器人進行搬運、碼垛等場合，為建筑等其他視覺識別應用機器人提供了解決思路。該機器人已經在國內多條PC 生產線得到良好應用，有效提高了PC 構件生產的自動化水平。

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編輯：jq