摘 要： 利用PC機(jī)、圖像采集卡、攝像頭以及固高公司提供的GT-400-SV-PCI/ISA運(yùn)動(dòng)控制卡和GCT-400四自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂,在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)了視覺(jué)伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從工件圖像采集到處理以及抓取的功能，操作方便，并具有一定的開(kāi)放性。
關(guān)鍵詞： 機(jī)械臂; 圖像處理; 運(yùn)動(dòng)控制卡; 人機(jī)交互
LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，具有可視化、編程方便等特點(diǎn)[1]。本文利用LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，它的IMAQ Vision Builder模塊是建立在交互式模式和“假設(shè)分析”的環(huán)境基礎(chǔ)上，可快速開(kāi)發(fā)出圖像處理軟件。將運(yùn)動(dòng)控制卡的函數(shù)共享庫(kù)導(dǎo)入LabVIEW，通過(guò)編程及調(diào)試本文開(kāi)發(fā)出了視覺(jué)伺服控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用LabVIEW圖像化的編程的特點(diǎn)，用戶可以更好地學(xué)習(xí)和二次開(kāi)發(fā)。
1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及原理
本文采用的機(jī)器人是固高公司生產(chǎn)的GRB-400機(jī)器人，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)部分：GRB-400 SCARA型工業(yè)機(jī)械臂、GRB四軸驅(qū)動(dòng)電器箱、GT-400-SG-PCI四軸伺服運(yùn)動(dòng)控制卡、CCD攝像頭、計(jì)算機(jī)和圖像采集卡。機(jī)械部分的關(guān)節(jié)1、2、4為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(與圖1中電機(jī)1、2、4相對(duì)應(yīng))，使用交流伺服電機(jī)和諧波減速器驅(qū)動(dòng);關(guān)節(jié)3為直線關(guān)節(jié)，采用交流伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。GRB400機(jī)器人關(guān)節(jié)1連桿長(zhǎng)度200 mm，運(yùn)動(dòng)范圍±100°;關(guān)節(jié)2連桿長(zhǎng)度200 mm,運(yùn)動(dòng)范圍±50°;直線關(guān)節(jié)3行程±48 mm;關(guān)節(jié)4運(yùn)動(dòng)范圍±170°。關(guān)節(jié)4安裝了電磁手爪，利用控制器的直接數(shù)字量輸出控制，可以抓取工件。機(jī)械臂本體上引出4個(gè)關(guān)節(jié)控制軸的電機(jī)控制信號(hào)、編碼器角度反饋信號(hào)和關(guān)節(jié)軸限位信號(hào)，通過(guò)連接電纜與控制器連接。
該機(jī)器人伺服系統(tǒng)工作過(guò)程可概括為：(1)系統(tǒng)利用圖像采集卡對(duì)工件的圖像進(jìn)行采集并存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理，識(shí)別出工件并得到工件的位置坐標(biāo)；(2)利用基于位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的方法，計(jì)算出1、2軸的運(yùn)動(dòng)控制指令,以驅(qū)動(dòng)1、2軸到達(dá)目標(biāo)位置；(3)通過(guò)對(duì)手抓的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。
2 圖像采集及處理
2.1圖像采集
圖像采集卡使用的是天敏VC4000圖像采集卡，通過(guò)此圖像采集卡和攝像頭采集到工件的圖像,在LabVIEW中進(jìn)行一系列處理，利用圖像采集卡的函數(shù)編寫采集圖像的程序,大致流程為：初始化圖像采集卡、設(shè)置視頻捕獲幀率、打開(kāi)設(shè)備、開(kāi)始視頻預(yù)覽、采集圖像并保存（并在此設(shè)置好保存路徑）、釋放資源。
2.2 圖像處理
2.2.1圖像二值化
圖像的二值化處理就是將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像[2]。要進(jìn)行灰度圖像的處理，首先要進(jìn)行二值化，得到二值化圖像，利于做進(jìn)一步的圖像處理，使處理變得簡(jiǎn)單，所有灰度大于或等于閾值的像素判定屬于特定物體（在此屬于工件），其灰度值設(shè)為255，否則這些像素點(diǎn)灰度設(shè)為0，認(rèn)為是背景或者其他物體區(qū)域。閾值的獲取有以下幾種算法：
圖2為灰度值圖，其中i為灰度值，k為閾值，h（i）為每個(gè)灰度值對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，N為灰色圖像中像素總數(shù)，n為圖像像素總數(shù)。
3 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
首先在開(kāi)始工件抓取之前要對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行回零，其次利用上面圖像處理得到的工件位置坐標(biāo)進(jìn)行關(guān)節(jié)角度反解，進(jìn)而轉(zhuǎn)化脈沖輸入到每軸對(duì)應(yīng)的電機(jī)的控制器中，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到工件實(shí)際位置進(jìn)行抓取。
3.1機(jī)械臂的回零
在機(jī)械臂工作之前,首先要進(jìn)行機(jī)械臂的回零，在機(jī)械臂的工作臺(tái)上原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)（x，y）已經(jīng)確定，將其通過(guò)角度反解轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)角度對(duì)應(yīng)的脈沖輸入到回零函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的回零，下面對(duì)每個(gè)軸的回零進(jìn)行闡述。
(1)軸1軸2：首先通過(guò)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)捕獲限位開(kāi)關(guān)（利用控制函數(shù)獲取軸的狀態(tài)值，其14 bit是設(shè)定Home開(kāi)關(guān)信號(hào)捕獲標(biāo)志）,再利用限位開(kāi)關(guān)捕獲原點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)是利用獲得當(dāng)前軸的實(shí)際位置值，再用（其中offset是原點(diǎn)位置坐標(biāo)角度反解得到的脈沖）使其回到零點(diǎn)。
(2)軸3：利用原點(diǎn)開(kāi)關(guān)捕獲原點(diǎn)，通過(guò)GT_SetPos(pos+maxPositiveOffset)、GT_SetPos(pos-maxPositiveOffset)結(jié)合GT_GetSts(&str)捕獲到原點(diǎn)。
根據(jù)幾何關(guān)系得出軸1軸2的關(guān)節(jié)角度，再轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)1、2對(duì)應(yīng)電機(jī)需要的脈沖數(shù)，然后輸入到運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)GT_SetPos( )設(shè)置當(dāng)前軸的目標(biāo)位置。
3.3 視覺(jué)抓取的程序設(shè)計(jì)
在機(jī)械臂的視覺(jué)抓取程序中，為了使用戶可以了解機(jī)器人采集圖像及處理圖像的過(guò)程，編寫了視覺(jué)處理及抓取工件的程序，圖4是程序的前面板。
首先在圖像采集及處理區(qū)進(jìn)行圖像的采集，此時(shí)可在圖像顯示區(qū)看到工件的原始圖像；再進(jìn)行二值化處理，可在下拉菜單中嘗試圖像熵法、Intervariance法和Metric法；然后再對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取，可在下拉菜單中嘗試上面提到的3種算子；最后提取工件的中心坐標(biāo)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制區(qū)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制卡、上電、抓取工件（此時(shí)機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)先進(jìn)行回零）。
該系統(tǒng)將LabVIEW與固高運(yùn)動(dòng)控制卡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)抓取的功能，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的視覺(jué)抓取的界面，功能和用法一目了然，使用戶的操作簡(jiǎn)單、易懂，并具有一定的開(kāi)放性。
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