Магистерский диплом на тему Разработка и исследование алгоритмов работы системы технического зрения робота KUKA KR16 для операции сборки

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 4
1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ С СТЗ ДЛЯ ОПЕРАЦИИ 
    СБОРКИ………………………………………………………………….
6
    1.1 Виды роботизированных сборочных операций…………………… 6
    1.2 Анализ промышленных роботов для сборочных операций………. 9
    1.3 Анализ СТЗ для систем очувствления сборочных 
          роботизированных операций…………………………………………
15
    1.4 Проблемы применения СТЗ в сборочных операциях……………… 21
    1.5 Требования к СТЗ, в том числе и к алгоритмам, для очувствления 
          сборочных операций. Актуальность задачи выбора алгоритма 
          работы СТЗ сборочного робота……………………………………..

25
2. СБОРОЧНЫЙ РОБОТ KUKA KR16 С СТЗ………………………… 30
    2.1 Характеристики робота KUKA KR16……………………………… 30
    2.2 Размещение оборудования СТЗ на роботе KUKA KR16………….. 33
    2.3 Выбор камеры для СТЗ сборочного робота KUKA KR16………… 38
    2.4 Задачи СТЗ сборочного робота KUKA KR16……………………… 40
    2.5 Решение ПЗК для робота KUKA KR-16 методом преобразования 
          однородных координат в системе Денавита-Хартенберга…………
42
3. СТЗ СБОРОЧНОГО РОБОТА KUKA KR16 И АЛГОРИТМЫ 
    ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ……………………………………….
51
    3.1 Состав СТЗ робота KUKA KR16 и ее особенности……………….. 51
    3.2 Классический алгоритм обработки изображений в СТЗ и его 
          недостатки применительно к сборочному роботу KUKA KR16….
55
    3.3 Альтернативные алгоритмы обработки изображений……………. 59
    3.4 Постановка задачи экспериментального исследования…………… 62

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ 
    РАБОТЫ СТЗ СБОРОЧНОГО РОБОТА KUKA KR16……………
63
    4.1 Описание программной среды реализации алгоритмов СТЗ…….. 63
    4.2 Реализация алгоритмов……………………………………………… 67
    4.3 Результаты исследования…………………………………………… 73
5. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ 
    ПРОЕКТА РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ 
    АЛГОРИТМОВ СТЗ РОБОТА KUKA KR-16……………………….

74
    5.1 Технология исполнения проекта…………………………………… 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………… 81

Введение:

Роботизация любого производства сегодня является весьма актуальной задачей. Использование промышленных роботов (ПР) в различных технологических операциях и робототехнических комплексах (РТК) позволяет повысить гибкость и эффективность работы производственных систем, освободить человека от тяжелых и монотонных операций.
Однако среди многообразия технологических операций далеко не все можно автоматизировать с помощью ПР с жестким программным управлением. Например, сборка, сварка, зачистка, выбор деталей из накопителя и др. требуют от ПР анализировать окружающую среду, планировать траекторию движения, т.е. требуют наличия обратной связи, на основании которой ПР может выполнять то или иное действие.
Способность роботов к адаптации существенно определяется возможностями их информационно-управляющих систем. Наряду с созданием совершенных сенсоров для очувствления адаптивных роботов, чрезвычайно важную роль играет разработка и синтез эффективных алгоритмов обработки сенсорной информации. Данные алгоритмы должны строиться с учётом взаимодействия подсистем робота в общем контуре управления, а также максимального использования возможностей имеющихся технических средств аппаратно-программной реализации системы.
Среди систем адаптации роботов наибольшей информативной ёмкостью обладают системы технического зрения (СТЗ), сообщающие роботу информацию о свойствах объекта и среды манипулирования посредством преобразования, анализа и обработки видеоинформации с помощью ЭВМ. Основными преимуществами СТЗ являются высокая информативность, дальнодействие, бесконтактность, возможность быстрой и простой переналадки для работы с различными объектами, широкий круг решаемых задач. С помощью СТЗ осуществляется обнаружение, распознавание или идентификация объектов, определение их местоположения и координат.

Заключение:

Разработка системы технического зрения для промышленного робота является весьма комплексной задачей, требующей глубоких знаний в различных областях, таких, как робототехника, цифровая обработка изображений, математический анализ, теория вероятности, программирование. Каждая область включает в себя большое число подобластей. Совершенно очевидно, что качественное решение такой задачи под силу лишь группе квалифицированных разработчиков. Тем не менее, попытка спроектировать СТЗ и реализовать отдельные её отдельные составляющие была предпринята. 
В данной дипломной работе рассмотрены современные принципы построения СТЗ в промышленной робототехнике, особенно подробно разобраны преобразования координат, происходящие при работе робота на основе технического зрения. Предложен и разработан принцип построения СТЗ для промышленного робота KUKA KR 16. Подобраны составляющие системы, такие как видеосенсор, система освещения. Спроектировано устройство крепления видеосенсора к манипулятору робота. Рассчитана прямая кинематическая задача для ПР KR 16. Рассмотрены алгоритмы обработки и анализа объектов на кадрах изображения СТЗ. Практическим результатом работы является программная реализация основных принципов программной работы СТЗ. В качестве программной среды реализации алгоритмов СТЗ выбрана программа RoboRealm Robotic Vision.
RoboRealm Robotic Vision — это приложение для использования в системах технического зрения, анализа изображений и компьютерных системах зрения. Программа включает обработку изображения, сегментацию и анализ выделенного контура объекта. В программе определяются координаты объекта в системе координат видеокамеры и в системе координат робота. Распознавание объектов позволяет принимать решение о работе либо не работе с объектом в конкретном его положении. Для определения координат объекта в системе координат робота применяется математический аппарат прямой кинематической задачи. При этом необходимо знать вектор обобщенных координат. В программном обеспечении системы управления роботом KR 16, существуют специальные переменные, показывающие значение каждой обобщенной координаты манипулятора. Таким образом, передавая их значения в программу СТЗ, определить координаты объекта будет возможно в любой момент времени.
В результате использования СТЗ для ПР KR 16, мы получаем гибкий функциональный рабочий модуль, перенастройка которого к новым условиям работы может потребовать незначительных изменений в устройстве оборудования робота, например, применение нового захватного устройства. Основная часть изменений приходится на программное обеспечение СТЗ. Что в сравнении с проектированием, изготовлением и внедрением устройств упорядочивания среды – значительно выгоднее.
Проведен экономический расчет затрат времени и материальных средств на разработку данного дипломного проекта. Экономическая эффективность не оценивалась в связи с тем, что разработанная система не является полнофункциональной, а, следовательно, не может приносить прибыль. 
В работе рассмотрены требования безопасности при эксплуатации промышленных роботов. Разобраны основные опасные факторы, возможные последствия аварийных ситуаций. Приведены основные отечественные и зарубежные нормативные акты, регламентирующие безопасную эксплуатацию ПР. Учтены особенности эксплуатации адаптивных систем, таких как техническое зрение. Сегодня применение СТЗ для промышленных роботов все еще является некой экзотикой. Производители избегают использования новых, сложных систем, доверяя проверенным методам. Несмотря на то, что эти системы обладают большими возможностями и потенциалом. Сейчас внедрение СТЗ для роботов это задача в том числе поставщиков робототехнической продукции, задача – убедить заказчика, доказать приемущества в использовании СТЗ.

Фрагмент текста работы:

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ С СТЗ ДЛЯ ОПЕРАЦИИ СБОРКИ

1.1 Виды роботизированных сборочных операций

Промышленные роботы применяются для автоматизации операций на всех видах сборочных работ. При сборке для последующей механической обработки роботы применяются для подачи, ориентации, соединения деталей в один комплект, их взаимного закрепления, установки и снятия комплекта при обслуживании обрабатывающего оборудования. При узловой сборке роботы применяются для поиска и распознавания деталей, их транспортирования, ориентации, подачи на сборочную позицию, контроля размеров, а также правильности и качества соединения и закрепления деталей, для транспортирования и укладки, а если потребуется и упаковки собранного узла. Сборка под сварку может рассматриваться как операция узловой сборки и как операция, предваряющая механическую обработку. При общей окончательной сборке изделия роботы применяют для транспортирования, взаимной ориентация и установки узлов, иногда для их соединения, а также для транспортирования готовых изделий. [1]
К основным операциям сборки, которые могут быть выполнены с помощью роботов, оснащенных соответствующими инструментами и приспособлениями, относятся:
— надеть — вставить;
— наложить — вложить;
— раздвинуть — развернуть;
— установить — снять;
— запрессовать;
— свинтить — развинтить;
— склеить;
— склепать;
— сжать — разжать;
— нанести;
— сварить;
— зачистить;
— ориентировать;
— измерить;
— залить.
Приложения для роботизированной сборки включают автомобильные компоненты, такие как насосы, двигатели и коробки передач. Компьютеры и бытовая электроника являются еще одной отличной областью, равно как и медицинские приборы и бытовая техника. Сборочные роботы идеально подходят для задач, требующих скорости и точности, таких как нанесение герметиков и клеев. Мало того, что они могут собрать части, которые слишком малы или сложны для человека, но они работают быстро и точно, не утомляя и не совершая ошибок. Они хороши в приложениях, где чистота имеет первостепенное значение, таких как сборка лекарств и медицинских приборов, и они не склонны к изнурительным травмам, таким как синдром запястного канала, которые сопровождаются повторяющейся работой.
Во многих отраслях жизненный цикл коротких продуктов — это образ жизни, и здесь роботизированные манипуляторы сборочной линии предлагают финансовые преимущества по сравнению с «жесткой» автоматизацией. Сборочный робот обладает гибкостью для работы с вариантами семейства продуктов, даже от цикла к циклу, если оснащен зрительными или другими датчиками, и может быть быстро и недорого перенастроен в случае изменения дизайна продукта. Даже если линия продуктов полностью исчезнет, линию сборки роботов можно быстро перенастроить или развернуть роботов в других местах, что не относится к выделенному сборочному оборудованию. [2]
Роботизированные сборочные системы снижают затраты при одновременном повышении качества и производительности. В отличие от специального оборудования для автоматизации, роботы представляют собой гибкие готовые машины, которые могут быть перенастроены или переделаны по мере необходимости. Возможно, самое важное, роботы — это зрелая технология, которая делает их инвестициями с низким уровнем риска и высокой доходностью.