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摘要：工業機械臂因為優勢眾多，所以應用范圍十分廣泛，如穩定性好、效率高、惡劣環境適應性強等。但由于傳統工業機械臂存在兼容性、自主性差等缺陷，即使工作對象或流程出現輕微改變也需要重新設定機械臂運動參數和作業系統，所以工業機械臂的智能化研究成為當前的熱點問題。而基于視覺和力覺的工業機械臂是提高機械臂作業靈活性與可靠性的關鍵手段，同時也是當前機械臂研究的熱點之一。本課題主要研究融合視覺引導和力覺反饋的工業機械臂控制技術，利用視覺算法檢測并定位目標，利用力覺控制工業機械臂與目標物的接觸。

關鍵詞：工業機械臂；中國制造；視覺引導

基于機器學習的方法對機械臂末端與不同特性物體接觸過程中的力信息進行分析，同時將機械臂末端在拾取不同物體過程中產生的力信息樣本進行采集，基于信息樣本訓練LSTM網絡，而通過這一方式能夠獲得力特征檢測模型。利用模型來判斷機械臂與物體接觸時的力特征，并控制機械臂與目標進行接觸，通過視覺引導、力反饋的機械臂應用系統，并搭建相應的實驗平臺，控制機械臂實現物體移動作業。而利用該系統可以通過軟件來控制機械臂，這意味著該系統在完成物體拾取、擺放等方面的有效性。另外，將視覺引導和力反饋相融合，應用在工業機械臂具有更高的靈活性和智能化程度[1]。

1發展現狀

1.1相關政策

工業機械臂在我國起步于70年代初，其發展過程可以大致分為70年代的萌芽期、80年代的生長期、90年代的實用化期以及至今四個階段。而經過20多年的發展已經初具規模。目前我國機器人產業發展正處于從數量向高質量擴展的攻堅階段。在《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》文件中提出，我國的機器人產業在“十三五”時期需要實現“兩突破”“三提升”，也就是說實現機器人關鍵零部件、高端產品等方面的突破，使機器人實現質量可靠性，提升國際上的競爭力，使我國擁有完善的機器人產業體系。

1.2國內外同類產品生產現狀

國外對于機械臂上應用視覺的研究較早，并且涉及到廣泛的領域，我國的研究時間相對較晚。在工業領域內，當前的機械臂在裝卸機器人、搬運機器人、焊接機器人等的技術已成熟，并且應用非常廣泛。在當前的機器人技術領域內，應用最廣泛的自動化機械裝置當屬機械臂，除了在工業領域內，在其他諸如娛樂服務、醫療醫學、軍事等領域都能用到機械臂[2]。2014年我國機械臂銷量為3.60萬臺，其中國產品牌銷量為0.36萬臺，國產品牌占比為10%；到2018年我國工業機械臂銷量增長至9.72萬臺。

1.3生產工藝技術路線

大部分的工業機械臂是采用形狀記憶聚合物材質和輕型合金材質組合形成的機械臂零部件，減輕機械臂的整體重量，且通過輕型合金材料和形狀記憶聚合物材質保證機械臂的密度小、強度大而且轉動慣量小的特性。通過在形狀記憶聚合物材質中加入增強材料，利用增強材料增加形狀記憶聚合物材質的剛度，且增強材料中采用短纖維和顆粒增強材料按6︰4比例混合，利用短纖維增強強度和剛度的同時增加材料的可恢復力應變率，且顆粒增強材料便于改善增強材料與基體聚合物之間的連結，使得連接更緊密，相互影響更直接。

1.4發展趨勢

國內的工業機械臂技術起步較晚，但隨著國內人工成本的不斷上升，工業機械臂對制造業顯得越來越重要，并且國內正處于企業轉型升級的關鍵時期，作為無法取代的重要設備，工業機械臂的應用和普及勢必會成為企業的優先選擇。國內工業機械臂的發展十分迅速，政府頒布的支持政策也起到了很大的助推作用。政府相繼頒布了《中國制造2020》、“十三五”規劃和《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》等政策扶持機器人產業的發展。有了政策的支持，再加上機械臂的產品優勢和廣闊的市場需求，工業機械臂在國內的發展前景不可估量[3]。根據《中國制造2025》的發展規劃，未來制造業將形成新一代信息技術和制造業相融合的新模式，力求實現中國由制造大國向制造強國轉變。而智能制造是《中國制造2025》的核心，工業機械臂的應用更是其關鍵，以工業機械臂為核心的智能制造已經成為推動我國制造業轉型升級的重要手段。未來，隨著工業機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉型，我國工業機械臂發展潛力巨大。

2應用水平和現存問題

視覺與力覺相融合應用在機械臂中，主要用于工業領域，并且已經具有開門、裝配、磨削等功能。但是，其問題在于應用視覺融合力覺的工業機械臂控制技術還存在一定難度，視覺算法的實現比較困難，而針對目標拾取作業，僅可以保證拾取的位置，關于合適接觸狀態、拾取力度等方面，機械臂末端拾取目標物還無法保證。

2.1需解決的關鍵技術、工藝問題

工業機械臂是一種機器人，在工業機械臂中應用視覺與力覺的研究非常多，如通過視覺、力覺等提高工業機械臂在各個方面作業的智能化程度。基于抓取來說，傳統工業機械臂的靈活性不夠高，并且適應環境的水平較低，所以要使工業機械臂獲得環境感知能力。通過視覺定位的方式對物體具體位置進行定位，以此來實現抓取，而在獲取物體的位置信息時，視覺算法存在一定難度，因為其主要是針對目標拾取方面，因此在保障拾取位置的前提下，機械臂末端拾取力度、拾取目標物的接觸狀態等方面無法保障。在抓取物體時，目標物體深度信息具有較高的測量精度才能夠實現精準抓取。而線結構光的輔助測量、超聲波深度探測的精度等測量方式均十分理想，但同時也會加大系統復雜程度。

2.2解決方法

基于需解決的問題，考慮結合工業機械臂與多種傳感器，例如，采用視覺傳感器和力覺傳感器，能夠使工業機械臂具有視覺感知和力的感知，提高機械臂的靈活程度，同時也可以將任務分為力覺部分、視覺部分，通過力感測控制操縱器，最大程度上保證接觸操作穩定。另外還能夠結合視覺和力覺，獲得機器人伺服控制方法，在估計平面的法線防線中應用視覺傳感器，并控制末端執行器平行于平面運動，而在獲取末端執行器上應用力覺，這一方式能夠有效降低目標定位難度，并提高智能化程度和作業能力。但是結合視覺和力覺在工業機械臂上的應用，仍舊需要研究。

2.3主要技術經濟指標

近年來，隨著自動化工業的不斷發展，機械手也將隨之壯大起來，而在許多制造大國，其人力成本的上升導致機器人已然成為維持制造力的關鍵所在。基于國際機器人協會的統計，全球工業機器人銷量正處于不斷增加的情況下，在2005—2015年這十年的時間內，新裝工業機器人年均成長速度高達14%，同時在2015年全球范圍內的工業機器人銷量突破24萬臺，中國、韓國、日本、美國、德國這五個國家是全球前五大機器人市場排名，總銷量占全世界的70%，到2020年時可達700億美元。調研機構Freedonia同時預測在2021年，全球范圍內的工業機器人將會比2011年增長82%。

3采用的技術標準以及預期規模和水平

3.1采用的技術標準

工業相機能夠組成工業機械臂的圖像獲取設備，從而實現電信號和光學信號之間的轉換，而相機還能夠接收上位機的控制命令，因此采集圖像需要將數據及時傳送給上位機。力檢測設備能夠組成傳輸轉換單元以及力傳感器，將力傳感器安裝在工業機械臂末端，使機械臂在和目標對象接觸時，產生接觸力的模擬信號，然后將信號發送給工控機，方便工控機進行檢測。末端工裝基于試驗設計要求來對剛件結構進行設計，通過力傳感器的前提條件在于必須要制定適合在工業機械臂末端安裝的工裝，將吸盤、夾具等設備安裝在傳感器末端，可以使機械臂實現抓取作業，而機械臂在抓取過程中末端設備與目標物接觸產生的力也可以由力傳感器獲取[4]。

3.2預期規模與水平

1）工業機械臂向著高速度、高精度、高可靠性不斷發展，并且操作和維修更加簡單。2）機械結構向著可重構化、模塊化方向發展。如工業機械臂中的關節模塊內的減速機、伺服電機、檢測系統三位一體化：由連桿模塊、關節模塊通過重組方式構造機械手整機。3）工業機械手控制系統向著開放型控制器方向發展，從而實現網絡化和標準化；提高器件集成度，并采用模塊化結構，以此來提高系統可靠性、可維修性以及易操作性。4）傳感器在工業機械臂中具有重要作用，不僅可以安裝速度、位置等傳感器，同時還可以在裝配、焊接機械手上安裝視覺、力覺傳感器，通過融合技術能夠實現環境建模及決策控制。

4結束語

基于視覺和力覺融合的工業機械臂控制技術不僅可以為社會各個行業提供優質環保的工業機械臂，也為工業機械臂的應用擴大了新的應用領域，促進了工業產業的更新換代，符合建設節約型社會的產業政策。同時，工業機械臂能夠有效降低產品成本和廢品率，減少工人誤操作產生的殘次零件風險等，因此其產生的一系列效益非常明顯，如減少人工、降低機床損耗、促進技術創新，從而提高企業在市場上的競爭力。工業機械臂在執行各種任務時，平均故障間隔期高達6000小時以上，要遠遠優于傳統的自動化工藝。根據《中國制造2025》的發展規劃，未來制造業將形成新一代信息技術和制造業相融合的新模式，力求實現中國由制造大國向制造強國轉變。而智能制造是《中國制造2025》的核心，工業機械臂的應用更是其關鍵，以工業機械臂為核心的智能制造已經成為推動我國制造業轉型升級的重要手段。隨著工業機械臂應用的不斷擴展和智能制造的轉型，我國工業機械臂發展潛力巨大。

參考文獻：

[1]夏群峰，彭勇剛.基于視覺的機器人抓取系統應用研究綜述[J].機電工程，2014，31(6)：697-701+710.

[2]何濤.淺談機器視覺的原理及應用[J].技術與市場，2011，18(5)：11.

[3]陸健.最小二乘法及其應用[J].中國西部科技，2007(19)：19-21.

[4]徐效農，宋愛國，朱澄澄，等.基于環境建模與修正的視覺/力覺輔助遙操作系統[J].載人航天，2016，22(1)：55-61.

作者：付保英 單位：鶴壁職業技術學院