基于机器视觉的工业机械臂运动控制技术分析 潘铭杰

基于机器视觉的工业机械臂运动控制技术分析潘铭杰

发表时间：2018-05-16T16:37:23.193Z 来源：《基层建设》2018年第2期作者：潘铭杰1 郑建立2 吴庆彪3

[导读] 摘要：在工业生产过程中，为了有效提升工业产业的生产效率，多数工业企业都会在工厂内部安装工业机械臂进行作业，用以提升经济效益。

1.东华大学信息科学和技术学院上海市 201100；

2.上海建桥学院机电学院上海市 201306

摘要：在工业生产过程中，为了有效提升工业产业的生产效率，多数工业企业都会在工厂内部安装工业机械臂进行作业，用以提升经济效益。在这一基础上，作为工业生产管理者，如何加强对工业机械臂运动控制技术的应用水平，就成为工业生产工作顺利推进首要解决的问题。鉴于此，笔者在文中从机器视觉下工业机械臂运动控制技术的研究意义着手，然后分析了工业机械臂视觉控制系统的工作原理，最后从多个方面开展了基于机器视觉的工业机械臂运动控制技术分析，此次研究的目的旨在提升工业作业的生产效率。

关键词：机器视觉；工业机械臂；控制技术

前言：

伴随着社会经济的增长，越来越多的行业中应用到了科学技术手段，其中，工业产业的发展可谓是离不开科学技术的支持。在大部分工业生产工厂中，都会利用到具备一定智能生产技术辅助加工，该种生产方法不仅缩短了作业时间，也有效节省了工业企业自身的成本投入，是为一举两得。基于此，针对机器视觉的工业机械臂运动控制技术分析这一课题进行深入研究具有一定现实意义。

一、机器视觉下工业机械臂运动控制技术的研究意义

由金属或者非金属构件共同组成，通过能源的消耗可以实现做功的工具被称之为机器，其能够有效替代人类体力的劳动，利用能量的转换、信息的快速处理等手段产生有效做功，是机器用于生产的目的，机器视觉主要是指用机器来代替人眼对外界事物进行测量和判断[1]。由于大部分工业生产时传送物品的防止会呈现杂乱无章的状态，传统的离线编程机械臂工作方式无法满足物品归类需求，此时机器视觉工业机械臂的出现，就很好的解决了这一问题，对于工业生产量以及经济效益提升、成本节省都具有重大的意义。

二、工业机械臂视觉控制系统的工作原理

为了能够更好的掌握机器视觉下的工业机械臂运动控制技术，笔者在进行本课题的研究时专门针对该课题制作出了一套比较简易的工业机械臂数据控制系统的工作场景图（见图一）。

图一工业机械臂数据额控制系统的工作场景图

图一中主要构建了工业生产工作的模拟场景，场景中包括一条传送带，在传送带上放置了各项规格够不相同的物体，工业摄像机、光源以及工业机械臂设置在传送带的数值上方，让工业摄像机与机械手臂之间保持固定的水平距离，传送带在正常工作情况下会按照图一中所示的方向进行运动，摄像机与PC视觉系统之间通过数据传输线进行连接。当系统顺利运行时，摄像机会将传送带上的传送物体进行拍照，然后通过数据线传输至PC视觉系统中，通过计算机进行采集图像的观看，然后把传送物体的具体位置、形状等信息发送于机械手臂运动的控制器中，当被传送物体进入到机械手臂的运动范畴中时，机械手臂就会将被传送物体抓取放置制定位置，并做好不同位置的物体放置。

三、基于机器视觉的工业机械臂运动控制技术分析

（一）图像处理技术

一般情况下，由摄像机拍摄到物体进而得出原始图像的过程被称之为图像处理技术。该项技术在应用的过程中会受到周边环境的客观因素影响，尤其是噪声因素的存在，会负面降低图像本身的质量，继而影响图像的后续正常使用。由于图像处理技术的算法十分多样化，所以工业生产管理者在进行工业机械臂运动运动图像处理时，必须按照本工厂所需要的机械臂使用功能进行选择图像处理技术，提升图像处理技术的环境适应性[2]。例如：在进行工业机械臂运动视觉图像处理时，首先需要实施确定区域现场，然后依照不同的区域与生产目标结合进行像素数据的处理，最后是指当图像处理遭遇机械臂控制系统或者是环境的影响时，则需要从低级至高级的顺序开展图像处理原始操作降低影响程度。

（二）工业机械手臂轨迹跟踪技术

在工业生产过程中，工业机械臂是自由度比较多的一项定位设备，也是一种被控对象，能够实现高程度的耦合、完成输入多输出多的一项强非线性机械生产装置。通常情况下，在进行研究工业机械手臂的数学模型研究时，由于受到自身参数值以及外部周边环境的影响，所以会造成机械手臂的数学建模出现一定的误差，进而影响工业机械手臂的正常使用。在此基础上，提升工业机械手臂的应用效率时，就

需要进行工业机械手臂轨迹跟踪技术研究[3]。一方面，需要做好运动学控制，将工业机械手臂的定位作业进行划分，分为“点到点”轨迹与“连续轨迹”两种控制作业技术。应用此种控制方法时需要谨记一点，就是应该做好各个环节的参数变化计算工作，此种方式的优势在于可以实时控制变化规律，便于参数计算。另一方面，还应该将工业机械臂的动力学控制工作做到位。在工业生产过程中，机械手臂的视觉动力学控制主要是对机器人的执行末端、速度以及精准度的控制轨迹进行实时、有效的跟踪，控制图如图一所示。

图二工业机械臂轨迹跟踪控制图

（三）非线性状态反馈控制技术

在该项技术的运用过程中，主要依靠的核心思想为通过不确定性机器人运动模型的构建，将非线性状态反馈模块与其相互融合，进一步控制反馈系统，是反馈系统形成闭环动态响应，保证工业机械臂运行的稳定性。其中，“状态”代表着参数向量，表示方法为将期望轨迹与实际的机器视觉跟踪轨迹之间的误差大小。在这一基础上，如何实现有效的控制机械臂运动工作目标，就需要将目光集中在系统稳定并持续维持原点平衡状态。另外，通过有效满足指数收敛的局部跟踪控制率也能够控制机械臂的运动，此种控制技术的优势主要集中在能够完成一维动态跟踪控制，缺点在于不能够直接将参考角的速度数值指定为0，如果出现参考角速值为0的情况，就会导致直线轨迹的跟踪工作无法完成。

总结：

综上所述，本文主要进行了机器视觉下的工业机械臂运动控制技术研究，为了更好的运用控制技术，事先进行了关于本课题的研究实验，搭建出一套有效的工业机械臂模拟工作场景，通过工作场景中各个构件的运行，引出下文对于机器视觉下的工业机械臂运动控制技术分析内容。由于篇幅有限，文章中的研究内容并不全面，希望其中的部分观点能够为后续关于该课题的研究提供理论基础。

参考文献：

[1]陈三风，韩鑫，湛邵斌，等.基于回归神经网络多机械臂运动控制研究[J].控制工程，2017，12（11）：2211-2217.