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)境下開發(fā)了視覺伺服機(jī)械臂控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺實(shí)現(xiàn)從工件圖像采集到處理以及抓取的功能，操作方便，并具有一定的開放性。
關(guān)鍵詞： 機(jī)械臂; 圖像處理; 運(yùn)動控制卡; 人機(jī)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(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，可快速開發(fā)出圖像處理軟件。將運(yùn)動控制卡的函數(shù)共享庫導(dǎo)入LabVIEW，通過編程及調(diào)試本文開發(fā)出了視覺伺服控制的實(shí)驗(yàn)平臺。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)動電器箱、GT-400-SG-PCI四軸伺服運(yùn)動控制卡、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相對應(yīng))，使用交流伺服電機(jī)和諧波減速器驅(qū)動;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。GRB400機(jī)器人關(guān)節(jié)1連桿長度200 mm，運(yùn)動范圍±100°;關(guān)節(jié)2連桿長度200 mm,運(yùn)動范圍±50°;直線關(guān)節(jié)3行程±48 mm;關(guān)節(jié)4運(yùn)動范圍±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、編碼器角度反饋信號和關(guān)節(jié)軸限位信號，通過連接電纜與控制器連接。

    該機(jī)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(jìn)行采集并存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，通過對圖像進(jìn)行一系列處理，識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)動學(xué)反解的方法，計(jì)算出1、2軸的運(yùn)動控制指令,以驅(qū)動1、2軸到達(dá)目標(biāo)位置；(3)通過對手抓的控制實(shí)現(xiàn)對目標(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、打開設(shè)備、開始視頻預(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)亮度等級的灰度圖像通過適當(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)
    首先在開始工件抓取之前要對機(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應(yīng)的電機(jī)的控制器中，驅(qū)動機(jī)械臂運(yùn)動到工件實(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)械臂的工作臺上原點(diǎn)對應(yīng)的位置坐標(biāo)（x，y）已經(jīng)確定，將其通過角度反解轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)角度對應(yīng)的脈沖輸入到回零函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的回零，下面對每個(gè)軸的回零進(jìn)行闡述。
    (1)軸1軸2：首先通過機(jī)械臂運(yùn)動時(shí)捕獲限位開關(guān)（利用控制函數(shù)獲取軸的狀態(tài)值，其14 bit是設(shè)定Home開關(guān)信號捕獲標(biāo)志）,再利用限位開關(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)開關(guān)捕獲原點(diǎn)，通過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對應(yīng)電機(jī)需要的脈沖數(shù)，然后輸入到運(yùn)動控制函數(shù)GT_SetPos( )設(shè)置當(dāng)前軸的目標(biāo)位置。
3.3 視覺抓取的程序設(shè)計(jì)
    在機(jī)械臂的視覺抓取程序中，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(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)動控制區(qū)打開運(yùn)動控制卡、上電、抓取工件（此時(shí)機(jī)械臂會自動先進(jìn)行回零）。
    該系統(tǒng)將LabVIEW與固高運(yùn)動控制卡相結(jié)合，實(shí)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(xiàn)
[1] 楊忠仁. 基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007,24(2):32-35.
[2] 王剛.圖像二值化方法研究及其在監(jiān)控識別系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.
[3] 美國國家儀器(NI)有限公司.Labview Vision conceps help.(2011-06)[2012-03-18]http://www.ni.com/vision/zhs/vdm.htm.
[4] 朱柱.邊緣檢測技術(shù)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2010.
[5] 劉微.基于邊緣檢測的移動機(jī)器人視覺導(dǎo)航方法研究[D].沈陽:沈陽理工大學(xué)，2010.
[6] 李宏慶.基于視覺的六自由度機(jī)械臂控制技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2010.