摘 要： 利用PC機,、圖像采集卡、攝像頭以及固高公司提供的GT-400-SV-PCI/ISA運動控制卡和GCT-400四自由度直角坐標機械臂,在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)了視覺伺服機械臂控制系統(tǒng)的實驗平臺,，該平臺實現(xiàn)從工件圖像采集到處理以及抓取的功能,，操作方便，并具有一定的開放性,。
關鍵詞： 機械臂; 圖像處理; 運動控制卡; 人機交互
LabVIEW是由美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的一種圖形化編程語言,，廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受,，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件,，具有可視化、編程方便等特點[1],。本文利用LabVIEW軟件作為開發(fā)環(huán)境,，它的IMAQ Vision Builder模塊是建立在交互式模式和“假設分析”的環(huán)境基礎上，可快速開發(fā)出圖像處理軟件,。將運動控制卡的函數(shù)共享庫導入LabVIEW,，通過編程及調試本文開發(fā)出了視覺伺服控制的實驗平臺。利用LabVIEW圖像化的編程的特點,，用戶可以更好地學習和二次開發(fā),。
1 系統(tǒng)的硬件結構及原理
本文采用的機器人是固高公司生產的GRB-400機器人，硬件結構如圖1所示,，主要包括以下幾個部分：GRB-400 SCARA型工業(yè)機械臂、GRB四軸驅動電器箱,、GT-400-SG-PCI四軸伺服運動控制卡,、CCD攝像頭、計算機和圖像采集卡。機械部分的關節(jié)1,、2,、4為旋轉關節(jié)(與圖1中電機1、2,、4相對應),，使用交流伺服電機和諧波減速器驅動;關節(jié)3為直線關節(jié)，采用交流伺服電機和滾珠絲杠驅動,。GRB400機器人關節(jié)1連桿長度200 mm,，運動范圍±100°;關節(jié)2連桿長度200 mm,運動范圍±50°;直線關節(jié)3行程±48 mm;關節(jié)4運動范圍±170°。關節(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。機械臂本體上引出4個關節(jié)控制軸的電機控制信號,、編碼器角度反饋信號和關節(jié)軸限位信號,，通過連接電纜與控制器連接。
該機器人伺服系統(tǒng)工作過程可概括為：(1)系統(tǒng)利用圖像采集卡對工件的圖像進行采集并存入計算機內存,，通過對圖像進行一系列處理,，識別出工件并得到工件的位置坐標；(2)利用基于位置的運動學反解的方法,，計算出1,、2軸的運動控制指令,以驅動1、2軸到達目標位置,；(3)通過對手抓的控制實現(xiàn)對目標物體的抓取,。
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，通過此圖像采集卡和攝像頭采集到工件的圖像,在LabVIEW中進行一系列處理,，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,、設置視頻捕獲幀率、打開設備,、開始視頻預覽,、采集圖像并保存（并在此設置好保存路徑）、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個亮度等級的灰度圖像通過適當?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],。要進行灰度圖像的處理，首先要進行二值化,，得到二值化圖像,，利于做進一步的圖像處理，使處理變得簡單,，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）,，其灰度值設為255,，否則這些像素點灰度設為0，認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）為每個灰度值對應的像素點個數(shù),，N為灰色圖像中像素總數(shù)，n為圖像像素總數(shù),。
3 機械臂控制系統(tǒng)的設計
首先在開始工件抓取之前要對機械臂進行回零,，其次利用上面圖像處理得到的工件位置坐標進行關節(jié)角度反解，進而轉化脈沖輸入到每軸對應的電機的控制器中,，驅動機械臂運動到工件實際位置進行抓取,。
3.1機械臂的回零
在機械臂工作之前,首先要進行機械臂的回零，在機械臂的工作臺上原點對應的位置坐標（x,，y）已經(jīng)確定,，將其通過角度反解轉化為關節(jié)角度對應的脈沖輸入到回零函數(shù)中，實現(xiàn)機械臂的回零,，下面對每個軸的回零進行闡述,。
(1)軸1軸2：首先通過機械臂運動時捕獲限位開關（利用控制函數(shù)獲取軸的狀態(tài)值，其14 bit是設定Home開關信號捕獲標志）,再利用限位開關捕獲原點,。具體實現(xiàn)是利用獲得當前軸的實際位置值,，再用（其中offset是原點位置坐標角度反解得到的脈沖）使其回到零點。
(2)軸3：利用原點開關捕獲原點,，通過GT_SetPos(pos+maxPositiveOffset),、GT_SetPos(pos-maxPositiveOffset)結合GT_GetSts(&str)捕獲到原點。
根據(jù)幾何關系得出軸1軸2的關節(jié)角度,，再轉化為關節(jié)1,、2對應電機需要的脈沖數(shù)，然后輸入到運動控制函數(shù)GT_SetPos( )設置當前軸的目標位置,。
3.3 視覺抓取的程序設計
在機械臂的視覺抓取程序中,，為了使用戶可以了解機器人采集圖像及處理圖像的過程，編寫了視覺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)進行圖像的采集，此時可在圖像顯示區(qū)看到工件的原始圖像,；再進行二值化處理,，可在下拉菜單中嘗試圖像熵法、Intervariance法和Metric法,；然后再對圖像進行邊緣提取,，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,，在機器人運動控制區(qū)打開運動控制卡,、上電、抓取工件（此時機械臂會自動先進行回零）,。
該系統(tǒng)將LabVIEW與固高運動控制卡相結合,，實現(xiàn)了視覺抓取的功能，利用LabVIEW開發(fā)的視覺抓取的界面,，功能和用法一目了然,，使用戶的操作簡單、易懂,，并具有一定的開放性,。
參考文獻
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