前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的水果雕花机器人创新实验设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:设计了水果雕花机器人，在目标对象的位置、大小变化时，NACHI6自由度工业机器人可在摄像头的辅助下，实时调整路径，配合自制的装夹平台与雕刻刀，实现对哈密瓜的雕刻。本实验可满足学生对工业机器人、机器视觉、自动控制等先进技术的实践教学要求，提高工科学生的创新与实践能力。
关键词:工业机器人;机器视觉;哈密瓜;雕刻;创新实验
0引言
继德国2013年提出工业4．0概念后［1-2］，我国也提出了中国制造2025，对工业机器人技术［3-5］的需求与日俱增。掌握工业机器人、机器视觉［6-8］、自动控制等先进技术的综合是当今社会对新型人才的要求。结合生活实例，随着人们生活水平的不断提高，各种果蔬雕花成了高档饭店的标配。然而花雕技术含量高、雕刻效率低，人工成本不断攀升并存在安全隐患。为此本文结合生活实际需求，设计了基于视觉的水果(以哈密瓜为例)雕花机器人创新实验，针对不同的哈密瓜(大小、位置不同)，配置有摄像头的机器人可对哈密瓜进行快速拍照、定位、调整路径，按照设定程序，完成哈密瓜雕花。通过本实验，学生能够将工业机器人、摄像头、机器人末端执行器三者组成一个能够完成特定任务的机器人系统，以此来提高学生的科研水平与创新能力。
1系统整体结构
系统结构如图1所示，根据哈密瓜雕花技术要求，机器人系统主要分为3部分:工业机器人系统、机器视觉系统、机器人执行终端及其控制。工业机器人采用型号为MZ04-01-CFD-0000的纳智(NACHI)6自由度机器人，工作半径541mm，负载4kg，重复定位精度0．02mm。机器人共有6轴(自由度):第1轴为手臂回转;第2轴为手臂前后运动;第3轴为手臂上下运动;第4轴与第6轴为手腕回转;第5轴为手腕弯曲。机器视觉部分采用低照度、无畸变、200万像素的OV2710型1080P的USB摄像头，其视角可达53°。在1920×1080分辨率下可达30帧/s，高速无拖影，自动对焦，支持IR-CUT，可传输多种数据，UVC免驱协议兼容多种主流的开发环境(Windows、Linux、Android等)。同时配套多种主流语言开发包及例程，支持Halcon、Labview、Matlab等第三方图像处理软件直接调用。机器人执行终端包括雕刻刀及装夹平台，其中装夹平台由4个步进电动机驱动，其中2个型号为42BYG34-401A，2个57BYG34-401A，步矩角StepAngle为1．8°，由单片机控制。
2实验准备
2．1机器人性能及手动操控
了解NACHI工业机器人基本性能、工作原理、适用场合，每个关节的作用及动作范围。如图2所示，使学生掌握手持操控器。操控器不仅可控制机器人进行各种运动，还可以监测x、y、z3个位置、roll、pitch、yaw3个姿态以及一些关键的数据变量。操控器屏幕为高亮度LCD液晶屏，显示效果及人机交互界面友好，用户操作简易便捷，可以方便操控机器人，设定其位置和姿态。可以通过以太网或USB烧写程序，可供分步调试程序，功能强大。依次对6个轴进行按键:按X+，X-，则第1轴转动，带动本体左右回转;按Y+，Y-，则第2轴转动，带动第2手臂前后俯仰;按Z+，Z-，则第3轴转动，带动第1手臂上下运动;按RX+，RX-，则第4轴转动，带动手腕回转;按RX+，RX-，则第5轴转动，使手腕弯曲;按RX+，RX-，则第6轴转动，带动法兰回转。通过手持操控器，让学生了解每个轴的性能、运动范围，以及多轴组合运动时的特点。
2．2机器人视觉系统
了解与机器人配套的摄像头的基本性能，了解视觉处理器的相关概念。摄像头如何将对象的相关信息(大小、位置等)转换成图像信号;掌握图像处理系统将相关信息转变成数字信号的原理，如何对这些信号进行各种运算来提取目标特征，进而控制机器人做出各种设定动作。2．3上位机编程要求学生熟悉编程软件及界面，并能够对机器人的各轴进行简单控制。本系统采用纳智自带的编程软件:FDonDeskLight，可在笔记本上直接编程，编程界面如图3所示。上位机进行图像处理，获取处理对象的像素点位置坐标和角度，通过换算，转换成机器人的位置坐标和角度，再通过套接字通讯发送给控制柜。控制柜接收到信息后，执行程序，控制机器人到达指定坐标并对目标对象实施设定的动作。
3哈密瓜雕花实验设计
学生了解了机器人的工作原理后，开始设计雕花机器人。如图4所示，在摄像头、装夹平台以及雕刻刀的配合下，完成哈密瓜雕花实验。
3．1执行终端及其控制部分设计
针对哈密瓜的结构特点，设计如图5所示的装夹平台，考虑到机器人存在小范围的死区，因此装夹平台有3个自由度:沿x，y方向移动、绕z轴旋转，此外还包括一个可移式抱紧装置。抱紧装置为两个带L型弹簧钢片的抱紧片，外观呈半圆形，由左右丝杆驱动，可以将不同大小、形状的哈密瓜抱紧，抱紧片外壳采用3D打印［9-10］技术制作而成。自制的雕刻刀可以固定在机器人自带的法兰盘上，雕刻刀不仅可以对哈密瓜进行雕刻，刀具前端还特制了钩状结构，配合碎块清理程序，可以将切下来的哈密瓜碎块清理。雕刻刀尾部固定结构采用3D打印，方便与机器人第6轴的法兰盘相连接。装夹平台采用STM32F103单片机控制，如图7所示，单片机可与上位机进行串口通讯。上位机对单片机发送哈密瓜的尺寸信息，单片机根据哈密瓜尺寸信息，将哈密瓜可靠固定，并控制装夹平台移动到设定位置。
3．2视觉系统
摄像头可快速、准确地将哈密瓜大小信息(见图8)转换成图像信号(见图9)，传送给专用的图像处理系统，使其得到被摄目标的形态信息。根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号进行准确处理，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制机器人终端的动作。
3．3上位机编程
在Windows操作系统下，进入纳智自带的编程软件进行编程。编程包括3个部分，图像处理部分编程(visualstudio)、机器人动作编程(FDonDesk)、机器人终端编程(装夹平台，单片机编程)。上位机将哈密瓜的像素坐标转换为机器人的机械坐标，下位机通过MOVEX函数，控制机器人完成雕花动作。控制机器人动作的程序流程如图11所示。哈密瓜雕刻程序包括如下内容:①待雕刻的哈密瓜到达操作平台后，摄像头快速准确捕捉哈密瓜的坐标位置、大小，并将相关数据反馈给上位机。②上位机经过数据处理后，将哈密瓜的坐标位置信息传递给单片机，装夹平台接收指令后调整位置。③摄像头将哈密瓜的截面信息发送给上位机，上位机结合客户的设定(花瓣数量、形状等)调用程序，机器人完成雕刻。如图12所示为上位机中OpenCV的俯视视觉图，通过OpenCV函数引用cv2类里的轮廓周长变量，perimeter=cv2．arcLength(cnt，True)，计算出哈密瓜轮廓的周长。假设周长为60cm，并且希望雕刻16个花瓣，则在其轮廓上均布取16点，再以这16个点为中心，形成32个等距线段，雕刻刀均匀切割32刀，形成16个花瓣，相邻两个花瓣的距离为60/16=3．75cm。32刀对应的x，y，z轴坐标可通过计算得到。花瓣的个数、形状均可由用户事先自定义设置。
4结语
通过本实验，要求学生掌握如下技能:①工业机器人性能及其编程;②机器视觉及其编程;③机器人末端执行器的设计与控制(本实验采用单片机控制，也可采用PLC等)，其中前两点的结合是难点和重点。当目标对象大小、形状不同时，就必须借助摄像头，判断对象的状态，修正机器人行进路径。当更换目标对象(如西瓜、木瓜等)时，还需要重新设计执行终端。通过本实验，学生将工业机器人、摄像头、机器人末端执行器三者组成一个机器人系统，完成特定任务。本实验贴近生活，学生非常感兴趣，且科技含量高，难度大，综合性强，可作为创新实验或者开放性实验［11-13］，非常适合培养新工科人才。
作者:赵明岩 蒋昕余 陈垣融 杨旭铭 瞿瑞德 单位:中国计量大学