概述
中國制造2025是中國政府實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動綱領(lǐng)，是全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平的重大戰(zhàn)略部署，其中明確指出了圍繞工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)的重要地位。目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車加工、食物分揀、自動化生產(chǎn)裝配等領(lǐng)域。工業(yè)現(xiàn)場通信技術(shù)是智能制造業(yè)的核心技術(shù)之一，隨著智能制造業(yè)的快速發(fā)展，對節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)時(shí)性、可靠性以及通信帶寬提出了更高的要求。工業(yè)以太網(wǎng)主站可以在多種平臺上運(yùn)行，只需硬件提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)口。因此，成本低廉、簡單靈活、高速實(shí)時(shí)的嵌入式平臺在硬件上可以作為工業(yè)以太網(wǎng)主站使用，從而提供一種新的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的解決方案。傳統(tǒng)的硬件平臺采用DSP對圖像進(jìn)行處理，其處理速度較慢，無法滿足圖像處理實(shí)時(shí)性要求，限制了機(jī)器視覺的應(yīng)用。FPGA作為一種硬件平臺，用于數(shù)字圖像處理，具有速度快、集成度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了提高圖像的質(zhì)量和增強(qiáng)系統(tǒng)處理圖像的實(shí)時(shí)性，本文提出了一種伊瑟特的六自由度機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)，將攝像頭集成到基于Zynq的伊瑟特主站上，提高了視覺伺服的實(shí)時(shí)性。經(jīng)測試，該平臺能夠?qū)σ曈X檢測目標(biāo)的變化做出及時(shí)的反應(yīng)，為工業(yè)自動化提供了一套切實(shí)可行的方案。本文針對基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行研究，主要工作包括以下幾點(diǎn)：設(shè)計(jì)了基于伊瑟特的六自由度機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)總體方案。以ESR6B機(jī)器人、Zynq和攝像頭為硬件基礎(chǔ)，搭建了六自由度機(jī)器人視覺平臺。設(shè)計(jì)了基于FPGA的視覺檢測方案。利用西林提供的HLS和CV庫對從攝像頭采集到的像素流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并設(shè)計(jì)了一套識別物塊坐標(biāo)位置的程序流程，便于伊瑟特主站實(shí)時(shí)地讀取物塊坐標(biāo)值，處理后的圖像通過HDMI接口輸出到顯示屏。完成了伊瑟特對伺服的位置控制。利用Zynq的Pl層進(jìn)行了伊瑟特以太網(wǎng)幀的收發(fā)和主站時(shí)鐘的校準(zhǔn)，在PS層運(yùn)行蘇姆的裸機(jī)程序，并將六自由度串聯(lián)機(jī)器人逆解算法移植到主站代碼里，進(jìn)行機(jī)器人末端位置對于視覺反饋的實(shí)時(shí)跟隨控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的對物塊識別的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，并使用自主研發(fā)的六自由度串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)地跟隨屏幕上顯示的物塊運(yùn)動。
主要創(chuàng)新點(diǎn)
本設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何提高視覺檢測的實(shí)時(shí)性和機(jī)器人運(yùn)動控制的實(shí)時(shí)性，創(chuàng)新地采用了Xilinx的Zynq異構(gòu)處理器，將FPGA作為視覺處理的主要單元，并將伊瑟特主站移植到Zynq平臺，這樣，在一塊芯片里就完成了實(shí)時(shí)的視覺檢測和運(yùn)動控制。本設(shè)計(jì)采用HLS進(jìn)行視覺處理，對代碼進(jìn)行了優(yōu)化，使得整個(gè)視覺處理模塊的延時(shí)僅為18.6ms。同時(shí)，在通信方面，本設(shè)計(jì)使用FPGA進(jìn)行伊瑟特幀的收發(fā)和校驗(yàn)，使得直流電同步周期抖動穩(wěn)定在小于1U時(shí)間。實(shí)時(shí)的視覺檢測和運(yùn)動控制在工業(yè)機(jī)器人視覺伺服中有著廣闊的應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)將集成攝像頭的伊瑟特主站應(yīng)用在自主研發(fā)的六自由度串聯(lián)機(jī)器人上，將機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法編寫入伊瑟特主站，使得機(jī)器人可以隨著攝像頭檢測到的物體做實(shí)時(shí)的運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)大于pc平臺的視覺處理，并完成了沿機(jī)器人X軸方向的實(shí)時(shí)視覺跟隨運(yùn)動。
系統(tǒng)架構(gòu)
1.ESR6B機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)ESR6B機(jī)器人是自主研發(fā)的機(jī)器人，是典型的多自由度串聯(lián)機(jī)器人，機(jī)器人本體如圖2-1所示。
圖2-1ESR6B機(jī)器人本體
物流分揀機(jī)器人發(fā)展前景基于視覺引導(dǎo)的機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、控制臺、Zynq和視覺硬件等組成，如圖2-2所示。
圖2-2系統(tǒng)總體方案
2.ESR6B機(jī)器人基本設(shè)計(jì)參數(shù)機(jī)器人有6個(gè)自由度，其主要技術(shù)參數(shù)包括自由度、負(fù)載能力、重復(fù)定位精度、定位精度以及工作空間等，這些參數(shù)是反映機(jī)器人性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。ESR6B機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)如表2-1所示。表2-1ESR6B機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)
3.機(jī)器人視覺系統(tǒng)硬件平臺搭建機(jī)器人視覺系統(tǒng)的硬件選擇直接影響圖像采集，圖像的質(zhì)量和后期的處理，并影響整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以應(yīng)根據(jù)要求和這些硬件性能，嚴(yán)格選擇硬件?；谝辽氐牧杂啥葯C(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)主要包括攝像頭、Zynq、存儲、顯示、通信等模塊。Zynq是Xilinx設(shè)計(jì)的一種包含F(xiàn)PGA+ARM的異構(gòu)芯片，在Zynq系統(tǒng)芯片中，包含了基于艾爾M的處理系統(tǒng)。伊瑟特主站和linux操作系統(tǒng)運(yùn)行在PS端，圖像算法在FPGA進(jìn)行硬件加速，放在Pl端。通過阿希總線互聯(lián)技術(shù)將FPGA與手臂整合在一起，從而充分發(fā)揮出兩種器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。攝像頭的主要特性參數(shù)有：分辨率、幀率和色彩空間等。根據(jù)這些特性參數(shù)，選擇滿足實(shí)驗(yàn)需求的攝像頭。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選取型號為OV5640的CMOS類型數(shù)字圖像傳感器，該傳感器支持輸出最大為500萬像素的圖像、支持使用VGA時(shí)序輸出圖像數(shù)據(jù)，輸出圖像的數(shù)據(jù)格式支持YUV、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，本次設(shè)計(jì)采用RGB565格式數(shù)據(jù)讀取。
分揀機(jī)器人安裝本設(shè)計(jì)中，圖像數(shù)據(jù)由OV5640攝像頭采集，然后由FPGA對其進(jìn)行圖像預(yù)處理和坐標(biāo)檢測，數(shù)據(jù)流經(jīng)VDMA通過HP0口進(jìn)入DDR3內(nèi)存，然后再通過HP0返回，經(jīng)過VDMA、最后通過HDMI接口輸出視頻。光源的主要參數(shù)有：對比度、亮度、表面紋理和光源均勻性。根據(jù)上述光源的特性，選擇上海東冠科技的環(huán)形光源，型號為Rin-90-6R-10W、光源為白色的發(fā)光二極管。實(shí)物圖如圖2-4所示。
圖2-4環(huán)形光源實(shí)物圖
基于伊瑟特的六自由度機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)如圖2-5所示。
設(shè)計(jì)演示
視覺伺服性能分析視覺伺服要求從對目標(biāo)的識別到控制之間的延時(shí)要很短，才能體現(xiàn)控制的實(shí)時(shí)性。本文設(shè)計(jì)了一組對照實(shí)驗(yàn)，方案一為采用在Zynq板上集成攝像頭的伊瑟特主站，方案二為pc機(jī)連接USB攝像頭，并采用廣告將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給TwinCAT主站的方案。兩種方案使用相同的圖像處理算法，主站都處于CSP模式下。
圖4-5性能測試平臺
延時(shí)計(jì)算平臺為STM32+TFT彩屏和基于XMC4300的伊瑟特步進(jìn)從站，當(dāng)屏幕開始刷新紅色時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收到步進(jìn)從站的脈沖時(shí)停止計(jì)時(shí)，對比方案一和方案二的延時(shí)，如圖4-6所示。
圖4-6方案對照
湖北藥品分揀機(jī)器人食品分揀機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可以看出本設(shè)計(jì)的檢測延時(shí)平均僅為58毫秒，而方案二卻長達(dá)2.48s，在運(yùn)行相同圖像檢測算法情況下，F(xiàn)PGA的延時(shí)更低，同時(shí)由于本設(shè)計(jì)將攝像頭直接集成到主站板上，圖像傳輸延時(shí)更低，成本更低。
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