2021.08
第1章 概述
1.1 簡(jiǎn)介
米樂科技的機(jī)械臂抓取視覺自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品能夠通過mirror3D點(diǎn)云處理軟件，靈活的使用腳本，快速進(jìn)行分析處理，比如物料分揀、物體識(shí)別、無縫對(duì)接、尺寸檢測(cè)、品質(zhì)檢測(cè)等。
為滿足視覺掃描的精度要求，米樂科技自主研發(fā)的3D線激光，基于高精度高性價(jià)比的線激光，通過mirror3D點(diǎn)云處理軟件智能控制，生成高密度點(diǎn)云，精度達(dá)厘米級(jí)，在機(jī)器人夾爪上安裝高精度模組，帶動(dòng)工業(yè)級(jí)線激光直線運(yùn)動(dòng)，并配備模組運(yùn)動(dòng)控制器和視覺控制器，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)采集功能。在工作過程中，機(jī)器人夾爪定點(diǎn)懸停到待檢測(cè)區(qū)域上方后，機(jī)器人控制器為模組運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送開始掃描的I/O信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送脈沖給高精度模組驅(qū)動(dòng)器，模組運(yùn)動(dòng)的同時(shí)以特定頻率、特定距離間隔觸發(fā)線激光采集點(diǎn)云輪廓。模組運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，視覺控制器將點(diǎn)云傳送給上位機(jī)，并進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)處理，生成抓取坐標(biāo)，保存到文本文件中。機(jī)器人按照生成的坐標(biāo)執(zhí)行抓取工作，在抓取過程中檢測(cè)是否有效抓取，保存執(zhí)行結(jié)果。
1.2 特點(diǎn)
l 通用性廣：不同種類、不同規(guī)格形狀、不同表面顏色、不同樣式擺放測(cè)量及建模需求。
l 安裝靈活：安裝角度可任意調(diào)節(jié)，測(cè)量角度可根據(jù)實(shí)際測(cè)量調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)場(chǎng)地的大小和物體體積的大小進(jìn)行實(shí)際調(diào)節(jié)。
l 適應(yīng)能力強(qiáng)：抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不受環(huán)境光線的限制光線昏暗或者夜晚也能正常測(cè)量。
l 性能強(qiáng)大：3D激光相機(jī)采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，IP67防護(hù)等級(jí)，在量程范圍內(nèi)（測(cè)量距離可根據(jù)實(shí)際要求選取）測(cè)量穩(wěn)定，精度可達(dá)毫米級(jí)。
l 快速實(shí)施：可使用mirror3D點(diǎn)云處理軟件，靈活的腳本，快速進(jìn)行分析處理，也可以進(jìn)行二次開發(fā)。
l 無需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定：出廠設(shè)置，優(yōu)化狀態(tài)。
l 設(shè)置簡(jiǎn)單：任何人都可以在短時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)單設(shè)定。
l 使用壽命長：擁有IP67 外殼防護(hù)等級(jí)，抗沖擊性好，并采用高韌性電纜，可放心使用。
1.3 相機(jī)型號(hào)說明
MR20/40 | L80/180/280 | |
① | ② |
①代表相機(jī)型號(hào)：
MR20：型號(hào)為20
MR40：型號(hào)為40
②代表測(cè)量長度：
L80：測(cè)量線長80mm
L180：測(cè)量線長180mm
L280：測(cè)量線長280mm
ECCO35 | L50/100 | |
① | ② |
①代表相機(jī)型號(hào)：
ECCO：型號(hào)為35
②代表測(cè)量長度：
L50：測(cè)量線長50mm
L100：測(cè)量線長100mm
第2章 快速使用
2.1 開箱檢查
打開包裝前，請(qǐng)先檢查外包裝標(biāo)明的產(chǎn)品型號(hào)是否與訂購的產(chǎn)品一致。打開包裝后，請(qǐng)先戴上防靜電手套，然后按照《裝箱清單》或訂購合同仔細(xì)核對(duì)配件是否齊備。檢查產(chǎn)品表面是否有機(jī)械損壞，如果表面有損壞，或產(chǎn)品內(nèi)容與《裝箱清單》或訂購合同不符，請(qǐng)不要使用，并立即與米樂科技聯(lián)系。
表 1裝箱清單
序號(hào) | 名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 3D相機(jī) | 1個(gè) | 配套線纜 |
2 | 工控機(jī) | 1臺(tái) | 軟件處理系統(tǒng) |
3 | 控制系統(tǒng) | 1臺(tái) | 控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) |
4 | 夾爪 | 1套 | 抓取夾爪組件 |
5 | 螺釘 | 1批 | 組裝夾爪配件 |
6 | 測(cè)試網(wǎng)線 | 1批 | 連接控制系統(tǒng) |
7 | 安裝線纜 | 1批 | 安裝連接線路 |
2.2 安裝環(huán)境
l 遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，遠(yuǎn)離大功率用電器。
l 避免與大功率用電器共用電源。
l 3D相機(jī)設(shè)備線纜避免與強(qiáng)電流或電壓頻繁切換的供電線平行鋪設(shè)。
2.3 準(zhǔn)備工作
在安裝之前，請(qǐng)先準(zhǔn)備好以下物品：
l Ethernet 線纜（7 類線以上或者支持 10GBASE-T）；
l 萬用表；
l 剝線鉗；
l 壓線鉗；
l 十字螺絲刀一套；
l 內(nèi)六角扳手一套。
2.4 3D相機(jī)
2.4.1 3D相機(jī)型號(hào)
表 2 Mirror線激光型號(hào)
型號(hào) | MR40-80 | MR20-180 | MR20-280 |
測(cè)量線長 | 80mm 80m80 | 180mm | 280mm |
工作距離 | 80±20mm | 180±50mm | 280±100mm |
垂直分辨率（Z） | 0.03mm | 0.05mm | 0.1mm |
水平分辨率（Y） | 0.1mm | 0.15mm | 0.2mm |
Z向重復(fù)精度 | 0.01mm | 0.02mm | 0.03m |
重量 | 約600g | 約550g | 約800g |
表 3 SmartRay相機(jī)型號(hào)
型號(hào) | ECCO 35.050 | ECCO 35.100 |
視野范圍 | 41/49/57mm | 61/82/103mm |
測(cè)量范圍 | 60mm | 100mm |
工作距離 | 150mm | 150mm |
垂直分辨率（Y） | 8.5-16.5mm | 11.5-32.5mm |
水平分辨率 | 57-80mm | 82-135mm |
Z線信度 | 0.02%(0.2微米/毫米) | 0.01%(0.1微米/毫米) |
Z重復(fù)精度 | 1.8微米 | 3.8微米 |
重量 | 約180克 | 約180克 |
部件編號(hào) | 3.002.005 | 3.002.010 |
點(diǎn)數(shù)/3D輪廓 | 752點(diǎn) | |
掃描速率 | 約100赫茲—50赫茲 | |
3D點(diǎn)速率 | 約7—3萬點(diǎn)/秒 | |
接口 | 告訴以太網(wǎng)（100兆/秒） | |
輸入 | 4個(gè)輸入端口，5-24伏直流輸入， 正交編碼輸入端口（AB通道，RS-422標(biāo)準(zhǔn)） | |
輸出 | 2個(gè)輸出端口，24伏直流輸出（20毫安） | |
觸發(fā) | 輸入口 支持啟動(dòng)觸發(fā)， 正交編碼輸入口支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)（數(shù)據(jù)觸發(fā)率: 100 千赫) 輸入口2、3 支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā):（數(shù)據(jù)觸發(fā)率：10 千赫) | |
輸入電源/電壓 | 24直流輸入 ,文波小于 15% | 4.5瓦 | |
激光波長 | 660納米 | |
激光級(jí)別 | 2M | |
環(huán)境背景光 | 10000勒克斯光照強(qiáng)度 | |
電磁兼容測(cè)試 | 依據(jù)歐標(biāo)61 000-6-2, 61 000-6-4 | |
震動(dòng)/沖擊測(cè)試 | 依據(jù)歐標(biāo)60 068-2-6, -27, -29, -64 | |
電氣安全 | 依據(jù)歐標(biāo)61 010-1-3 | |
保護(hù)等級(jí) | 依據(jù)歐標(biāo)61 040-3 III | |
防護(hù)等級(jí) | 電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí)65 | |
空氣濕度 | 低于90%，無凝結(jié) | |
工作溫度/存儲(chǔ)溫度 | 0-40攝氏度/-20-70攝氏度 | |
通用配件 | 電源輸入/輸出線纜：6.310.0XX 以太網(wǎng)電纜：6.302.0XX 雙絞屏蔽電纜：6.307.0XX | |
2.4.2 3D相機(jī)尺寸
圖 1相機(jī)機(jī)械尺寸（mm）
2.4.3 相機(jī)安裝方式
圖 2相機(jī)安裝方式
2.4.4 外部接口
圖 3相機(jī)正面和側(cè)面圖
1、 相機(jī)玻璃面
2、 外殼
3、 安裝螺絲螺紋口
4、 激光輸出
圖 4后方接線圖
5、 以太網(wǎng)連接器（8-pin）
6、 LED供電
7、 LED（儲(chǔ)電以后面使用/內(nèi)部使用）
8、 供電-I/O編碼連接器
9、 引導(dǎo)狀態(tài) LED|連接 LED
2.4.5 設(shè)備整體圖
圖 5設(shè)備安裝圖
1、 固定器
2、 3D傳感器
3、 視野范圍（中）
4、 被測(cè)物體
5、 以太網(wǎng)接口
6、 電源接口
2.4.6 輸入輸出供電接口描述
圖 6供電接口圖
第3章 機(jī)械臂夾爪
3.1 夾爪設(shè)計(jì)
（1）L型板：為了將3D線激光掃描儀與KUKA機(jī)器人末端法蘭相連接以及膜片式夾緊氣缸的連接，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)介于兩者之間的連接件L型板，首先考慮到需要連接機(jī)器人和掃描儀并且保證二者不產(chǎn)生干涉，L型板是生產(chǎn)制造中常用且有效的方法之一，兩側(cè)打孔為了連接夾緊氣缸，從而使用到夾爪側(cè)板因此根據(jù)如圖29所示，KUKA機(jī)器人法蘭工程圖如圖29所示：
圖 7 L型板
（2）機(jī)器人末端法蘭：機(jī)器人末端法蘭可用于連接各種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要接收機(jī)器人的電氣，氣壓等控制信號(hào)來執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。將墊片（圈）后襯墊于法蘭盤與執(zhí)行機(jī)構(gòu)中間，使用螺栓拉緊密封這種機(jī)械連接方式即是法蘭連接。本文機(jī)器人末端法蘭已存在，只需要對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量，根據(jù)測(cè)量得到的其尺寸進(jìn)行夾爪其他組件的設(shè)計(jì)，本文中的機(jī)器人末端法蘭用于連接線激光掃描儀，根據(jù)線激光掃描儀掃描反饋得到的信息控制機(jī)器人完成3D掃描與定位與抓取工件的任務(wù)。如圖30所示：
圖 8 機(jī)器人法蘭
（3）夾爪側(cè)板：考慮到需要連接FESTO膜片式夾緊氣缸，設(shè)計(jì)了兩個(gè)夾爪側(cè)板，如圖31所示，用來連接KUKA機(jī)器人的機(jī)械臂和FESTO膜片式夾緊氣缸，從而順利完成抓取工件的工作。
圖 9 夾爪側(cè)板
3.2 夾爪裝配
上文將夾爪的硬件選型以及夾爪的各組件設(shè)計(jì)的任務(wù)完成，此時(shí)該將所有硬件與組件進(jìn)行裝配組合，形成一個(gè)完整的機(jī)器人夾爪機(jī)構(gòu)，L板與的機(jī)器人法蘭面連接，并且為了防止線激光掃描儀與目標(biāo)工件發(fā)生干涉，將線激光掃描儀與夾取機(jī)構(gòu)安裝在L型板兩個(gè)不同的面上。這樣安裝既可以防止干涉也可以保證線激光掃描儀的掃描視野闊，總裝配效果圖如圖32所示：
圖 10 夾爪總裝效果圖
第4章 系統(tǒng)
4.1 系統(tǒng)介紹
本章通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)上述研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了以上理論的可行性和準(zhǔn)確性。首先搭建起來了一個(gè)簡(jiǎn)單的視覺抓取平臺(tái)，該平臺(tái)主要的部件有KUKA機(jī)器人、線激光掃描儀、膜片式夾緊氣缸、L型板、電磁閥、氣動(dòng)開關(guān)、目標(biāo)工件?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示。使用軟件是SmartRay studio和Mirror 3D。SmartRay Studio軟件是一種集檢測(cè)與測(cè)量于一體的三維傳感器，主要應(yīng)用于質(zhì)量檢測(cè)、計(jì)量、機(jī)器人導(dǎo)引、逆向工程等領(lǐng)域?？捎脕砼c照相機(jī)共同完成對(duì)物體的掃描以及成像，并記錄和保存對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云。Mirror 3D是一款打開點(diǎn)云文件的軟件，點(diǎn)云來自從物理對(duì)象（建筑物、地形、工業(yè)制品）掃描的原始數(shù)據(jù)。收集完原始數(shù)據(jù)后，必須將其轉(zhuǎn)成可讀點(diǎn)云文件，之后用Mirror3D軟件運(yùn)行，然后得出所測(cè)數(shù)據(jù)。
4.2 軟件介紹
打開軟件SmartRay studio開始記錄掃描內(nèi)容，掃描完成后觀察所成圖像有無外因影響（光線丶遮擋等）以減少誤差，打開軟件Mirror 3D，打開點(diǎn)云文件并運(yùn)行，進(jìn)行操作計(jì)算。掃描獲取到點(diǎn)云信息，如圖34所示，將獲取到的初始點(diǎn)云信息進(jìn)行擬合處理后得到擬合后的點(diǎn)云信息，如圖35所示，可以看出擬合后的點(diǎn)云信息更加清晰，隨后便根據(jù)擬合后的點(diǎn)云信息確定目標(biāo)工件的位置，再由得到的位置信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作完成抓取工件操作。
圖 11 點(diǎn)云圖像
圖 12 擬合后點(diǎn)云圖像
圖 13 機(jī)器人定位抓取過程
4.3 Mirror 3D腳本
（1）將夾爪裝置裝配圖的STL格式導(dǎo)入Mirror 3D軟件（加載實(shí)體）
LOAD STL 2 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測(cè)試\42步進(jìn)電機(jī)夾爪.STL 1 0 0 0 90 0 0
（2）將步進(jìn)電機(jī)零件圖的STL格式導(dǎo)入Mirror 3D軟件（加載實(shí)體）
LOAD STL 1 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測(cè)試\42步進(jìn)電機(jī).STL 1 -50 0 -45 0 -90 0
（3）隱藏步進(jìn)電機(jī)（設(shè)置實(shí)體屬性）
STL 1 off 1 0 1
（4）顯示夾爪裝置（設(shè)置實(shí)體屬性）
STL 2 on 0 1 1
（5）將隨夾爪裝置的步進(jìn)電機(jī)零件圖的STL格式導(dǎo)入Mirror 3D軟件（加載實(shí)體）
LOAD STL 3 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測(cè)試\42步進(jìn)電機(jī).STL 0 75 8 -25 0 -90 0
（6）顯示步進(jìn)電機(jī)（設(shè)置實(shí)體屬性）
STL 3 on 1 1 0
（7）工具坐標(biāo)系的確定
TOOLCOORDINATE X0 Y0 Z80 A0 B0 C0
（8）根據(jù)確定的坐標(biāo)移動(dòng)夾爪
G0 125 92.2461 9.48975 159.59726 0 0 0
G0 125 42.2461 9.48975 9.59726 0 0 0
open laser3D
G0 125 122.2461 9.48975 9.59726 0 0 0
（9）讀取點(diǎn)云信息
pcRead C:\Users\戴爾\Desktop\calibrated_pointcloud_16_39_05.asc 1 1 1 5 0 pc1
（10）ROI截取（截取所要測(cè)量的范圍）
pcMaxOffsetROI pc1 0 1000 0 1000 0 15 1 pc2
（11）擬合點(diǎn)（將整個(gè)點(diǎn)云圖像擬合到中心點(diǎn)）
pcFitPoint pc2 1 pt1
（12）根據(jù)得到的擬合點(diǎn)對(duì)工件進(jìn)行抓取
G0 125 132.2461 9.48975 -49.59726 0 0 0
（13）設(shè)置實(shí)體屬性
STL 3 off 1 1 0
STL 1 on 1 0 1
（14）抓取工件
G0 125 132.2461 9.48975 149.59726 0 0 0
