2021.08
第1章 概述
1.1 簡介
米樂科技的機械臂抓取視覺自動化生產系統產品能夠通過mirror3D點云處理軟件，靈活的使用腳本，快速進行分析處理，比如物料分揀、物體識別、無縫對接、尺寸檢測、品質檢測等。
為滿足視覺掃描的精度要求，米樂科技自主研發的3D線激光，基于高精度高性價比的線激光，通過mirror3D點云處理軟件智能控制，生成高密度點云，精度達厘米級，在機器人夾爪上安裝高精度模組，帶動工業級線激光直線運動，并配備模組運動控制器和視覺控制器，實現聯合運動采集功能。在工作過程中，機器人夾爪定點懸停到待檢測區域上方后，機器人控制器為模組運動控制器發送開始掃描的I/O信號，運動控制器發送脈沖給高精度模組驅動器，模組運動的同時以特定頻率、特定距離間隔觸發線激光采集點云輪廓。模組運動結束后，視覺控制器將點云傳送給上位機，并進行上位機數據處理，生成抓取坐標，保存到文本文件中。機器人按照生成的坐標執行抓取工作，在抓取過程中檢測是否有效抓取，保存執行結果。
1.2 特點
l 通用性廣：不同種類、不同規格形狀、不同表面顏色、不同樣式擺放測量及建模需求。
l 安裝靈活：安裝角度可任意調節，測量角度可根據實際測量調節，還可以根據場地的大小和物體體積的大小進行實際調節。
l 適應能力強：抗干擾、環境適應性強，不受環境光線的限制光線昏暗或者夜晚也能正常測量。
l 性能強大：3D激光相機采用工業級設計，IP67防護等級，在量程范圍內（測量距離可根據實際要求選取）測量穩定，精度可達毫米級。
l 快速實施：可使用mirror3D點云處理軟件，靈活的腳本，快速進行分析處理，也可以進行二次開發。
l 無需現場標定：出廠設置，優化狀態。
l 設置簡單：任何人都可以在短時間內簡單設定。
l 使用壽命長：擁有IP67 外殼防護等級，抗沖擊性好，并采用高韌性電纜，可放心使用。
1.3 相機型號說明
MR20/40 | L80/180/280 | |
① | ② |
①代表相機型號：
MR20：型號為20
MR40：型號為40
②代表測量長度：
L80：測量線長80mm
L180：測量線長180mm
L280：測量線長280mm
ECCO35 | L50/100 | |
① | ② |
①代表相機型號：
ECCO：型號為35
②代表測量長度：
L50：測量線長50mm
L100：測量線長100mm
第2章 快速使用
2.1 開箱檢查
打開包裝前，請先檢查外包裝標明的產品型號是否與訂購的產品一致。打開包裝后，請先戴上防靜電手套，然后按照《裝箱清單》或訂購合同仔細核對配件是否齊備。檢查產品表面是否有機械損壞，如果表面有損壞，或產品內容與《裝箱清單》或訂購合同不符，請不要使用，并立即與米樂科技聯系。
表 1裝箱清單
序號 | 名稱 | 數量 | 備注 |
1 | 3D相機 | 1個 | 配套線纜 |
2 | 工控機 | 1臺 | 軟件處理系統 |
3 | 控制系統 | 1臺 | 控制運動系統 |
4 | 夾爪 | 1套 | 抓取夾爪組件 |
5 | 螺釘 | 1批 | 組裝夾爪配件 |
6 | 測試網線 | 1批 | 連接控制系統 |
7 | 安裝線纜 | 1批 | 安裝連接線路 |
2.2 安裝環境
l 遠離強電磁干擾環境，遠離大功率用電器。
l 避免與大功率用電器共用電源。
l 3D相機設備線纜避免與強電流或電壓頻繁切換的供電線平行鋪設。
2.3 準備工作
在安裝之前，請先準備好以下物品：
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 內六角扳手一套。
2.4 3D相機
2.4.1 3D相機型號
表 2 Mirror線激光型號
型號 | MR40-80 | MR20-180 | MR20-280 |
測量線長 | 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向重復精度 | 0.01mm | 0.02mm | 0.03m |
重量 | 約600g | 約550g | 約800g |
表 3 SmartRay相機型號
型號 | ECCO 35.050 | ECCO 35.100 |
視野范圍 | 41/49/57mm | 61/82/103mm |
測量范圍 | 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重復精度 | 1.8微米 | 3.8微米 |
重量 | 約180克 | 約180克 |
部件編號 | 3.002.005 | 3.002.010 |
點數/3D輪廓 | 752點 | |
掃描速率 | 約100赫茲—50赫茲 | |
3D點速率 | 約7—3萬點/秒 | |
接口 | 告訴以太網（100兆/秒） | |
輸入 | 4個輸入端口，5-24伏直流輸入， 正交編碼輸入端口（AB通道，RS-422標準） | |
輸出 | 2個輸出端口，24伏直流輸出（20毫安） | |
觸發 | 輸入口 支持啟動觸發， 正交編碼輸入口支持數據觸發（數據觸發率: 100 千赫) 輸入口2、3 支持數據觸發:（數據觸發率：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 | |
激光級別 | 2M | |
環境背景光 | 10000勒克斯光照強度 | |
電磁兼容測試 | 依據歐標61 000-6-2, 61 000-6-4 | |
震動/沖擊測試 | 依據歐標60 068-2-6, -27, -29, -64 | |
電氣安全 | 依據歐標61 010-1-3 | |
保護等級 | 依據歐標61 040-3 III | |
防護等級 | 電氣設備外殼防護等級65 | |
空氣濕度 | 低于90%，無凝結 | |
工作溫度/存儲溫度 | 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 以太網電纜：6.302.0XX 雙絞屏蔽電纜：6.307.0XX | |
2.4.2 3D相機尺寸
圖 1相機機械尺寸（mm）
2.4.3 相機安裝方式
圖 2相機安裝方式
2.4.4 外部接口
圖 3相機正面和側面圖
1、 相機玻璃面
2、 外殼
3、 安裝螺絲螺紋口
4、 激光輸出
圖 4后方接線圖
5、 以太網連接器（8-pin）
6、 LED供電
7、 LED（儲電以后面使用/內部使用）
8、 供電-I/O編碼連接器
9、 引導狀態 LED|連接 LED
2.4.5 設備整體圖
圖 5設備安裝圖
1、 固定器
2、 3D傳感器
3、 視野范圍（中）
4、 被測物體
5、 以太網接口
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 機械臂夾爪
3.1 夾爪設計
（1）L型板：為了將3D線激光掃描儀與KUKA機器人末端法蘭相連接以及膜片式夾緊氣缸的連接，本文設計了一個介于兩者之間的連接件L型板，首先考慮到需要連接機器人和掃描儀并且保證二者不產生干涉，L型板是生產制造中常用且有效的方法之一，兩側打孔為了連接夾緊氣缸，從而使用到夾爪側板因此根據如圖29所示，KUKA機器人法蘭工程圖如圖29所示：
圖 7 L型板
（2）機器人末端法蘭：機器人末端法蘭可用于連接各種類型的執行機構，執行機構需要接收機器人的電氣，氣壓等控制信號來執行相應的控制命令。將墊片（圈）后襯墊于法蘭盤與執行機構中間，使用螺栓拉緊密封這種機械連接方式即是法蘭連接。本文機器人末端法蘭已存在，只需要對其進行尺寸測量，根據測量得到的其尺寸進行夾爪其他組件的設計，本文中的機器人末端法蘭用于連接線激光掃描儀，根據線激光掃描儀掃描反饋得到的信息控制機器人完成3D掃描與定位與抓取工件的任務。如圖30所示：
圖 8 機器人法蘭
（3）夾爪側板：考慮到需要連接FESTO膜片式夾緊氣缸，設計了兩個夾爪側板，如圖31所示，用來連接KUKA機器人的機械臂和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計的任務完成，此時該將所有硬件與組件進行裝配組合，形成一個完整的機器人夾爪機構，L板與的機器人法蘭面連接，并且為了防止線激光掃描儀與目標工件發生干涉，將線激光掃描儀與夾取機構安裝在L型板兩個不同的面上。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
4.1 系統介紹
本章通過理論與實踐相結合，對上述研究內容進行了實驗驗證，驗證了以上理論的可行性和準確性。首先搭建起來了一個簡單的視覺抓取平臺，該平臺主要的部件有KUKA機器人、線激光掃描儀、膜片式夾緊氣缸、L型板、電磁閥、氣動開關、目標工件。控制系統如下圖所示。使用軟件是SmartRay studio和Mirror 3D。SmartRay Studio軟件是一種集檢測與測量于一體的三維傳感器，主要應用于質量檢測、計量、機器人導引、逆向工程等領域。可用來與照相機共同完成對物體的掃描以及成像，并記錄和保存對應的點云。Mirror 3D是一款打開點云文件的軟件，點云來自從物理對象（建筑物、地形、工業制品）掃描的原始數據。收集完原始數據后，必須將其轉成可讀點云文件，之后用Mirror3D軟件運行，然后得出所測數據。
4.2 軟件介紹
打開軟件SmartRay studio開始記錄掃描內容，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，打開點云文件并運行，進行操作計算。掃描獲取到點云信息，如圖34所示，將獲取到的初始點云信息進行擬合處理后得到擬合后的點云信息，如圖35所示，可以看出擬合后的點云信息更加清晰，隨后便根據擬合后的點云信息確定目標工件的位置，再由得到的位置信息對機器人進行操作完成抓取工件操作。
圖 11 點云圖像
圖 12 擬合后點云圖像
圖 13 機器人定位抓取過程
4.3 Mirror 3D腳本
（1）將夾爪裝置裝配圖的STL格式導入Mirror 3D軟件（加載實體）
LOAD STL 2 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測試\42步進電機夾爪.STL 1 0 0 0 90 0 0
（2）將步進電機零件圖的STL格式導入Mirror 3D軟件（加載實體）
LOAD STL 1 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測試\42步進電機.STL 1 -50 0 -45 0 -90 0
（3）隱藏步進電機（設置實體屬性）
STL 1 off 1 0 1
（4）顯示夾爪裝置（設置實體屬性）
STL 2 on 0 1 1
（5）將隨夾爪裝置的步進電機零件圖的STL格式導入Mirror 3D軟件（加載實體）
LOAD STL 3 C:\Users\戴爾\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-測試\42步進電機.STL 0 75 8 -25 0 -90 0
（6）顯示步進電機（設置實體屬性）
STL 3 on 1 1 0
（7）工具坐標系的確定
TOOLCOORDINATE X0 Y0 Z80 A0 B0 C0
（8）根據確定的坐標移動夾爪
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（截取所要測量的范圍）
pcMaxOffsetROI pc1 0 1000 0 1000 0 15 1 pc2
（11）擬合點（將整個點云圖像擬合到中心點）
pcFitPoint pc2 1 pt1
（12）根據得到的擬合點對工件進行抓取
G0 125 132.2461 9.48975 -49.59726 0 0 0
（13）設置實體屬性
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
