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2021.08
第1章 概述
1.1 简介
米乐科技的机械臂抓取视觉自动化生产系统产品能够通过mirror3D点云处理软件，灵活的使用脚本，快速进行分析处理，比如物料分拣、物体识别、无缝对接、尺寸检测、品质检测等。
为满足视觉扫描的精度要求，米乐科技自主研发的3D线激光，基于高精度高性价比的线激光，通过mirror3D点云处理软件智能控制，生成高密度点云，精度达厘米级，在机器人夹爪上安装高精度模组，带动工业级线激光直线运动，并配备模组运动控制器和视觉控制器，实现联合运动采集功能。在工作过程中，机器人夹爪定点悬停到待检测区域上方后，机器人控制器为模组运动控制器发送开始扫描的I/O信号，运动控制器发送脉冲给高精度模组驱动器，模组运动的同时以特定频率、特定距离间隔触发线激光采集点云轮廓。模组运动结束后，视觉控制器将点云传送给上位机，并进行上位机数据处理，生成抓取坐标，保存到文本文件中。机器人按照生成的坐标执行抓取工作，在抓取过程中检测是否有效抓取，保存执行结果。
1.2 特点
l 通用性广：不同种类、不同规格形状、不同表面颜色、不同样式摆放测量及建模需求。
l 安装灵活：安装角度可任意调节，测量角度可根据实际测量调节，还可以根据场地的大小和物体体积的大小进行实际调节。
l 适应能力强：抗干扰、环境适应性强，不受环境光线的限制光线昏暗或者夜晚也能正常测量。
l 性能强大：3D激光相机采用工业级设计，IP67防护等级，在量程范围内（测量距离可根据实际要求选取）测量稳定，精度可达毫米级。
l 快速实施：可使用mirror3D点云处理软件，灵活的脚本，快速进行分析处理，也可以进行二次开发。
l 无需现场标定：出厂设置，优化状态。
l 设置简单：任何人都可以在短时间内简单设定。
l 使用寿命长：拥有IP67 外壳防护等级，抗冲击性好，并采用高韧性电缆，可放心使用。
1.3 相机型号说明
MR20/40 | L80/180/280 | |
① | ② |
①代表相机型号：
MR20：型号为20
MR40：型号为40
②代表测量长度：
L80：测量线长80mm
L180：测量线长180mm
L280：测量线长280mm
ECCO35 | L50/100 | |
① | ② |
①代表相机型号：
ECCO：型号为35
②代表测量长度：
L50：测量线长50mm
L100：测量线长100mm
第2章 快速使用
2.1 开箱检查
打开包装前，请先检查外包装标明的产品型号是否与订购的产品一致。打开包装后，请先戴上防静电手套，然后按照《装箱清单》或订购合同仔细核对配件是否齐备。检查产品表面是否有机械损坏，如果表面有损坏，或产品内容与《装箱清单》或订购合同不符，请不要使用，并立即与米乐科技联系。
表 1装箱清单
序号 | 名称 | 数量 | 备注 |
1 | 3D相机 | 1个 | 配套线缆 |
2 | 工控机 | 1台 | 软件处理系统 |
3 | 控制系统 | 1台 | 控制运动系统 |
4 | 夹爪 | 1套 | 抓取夹爪组件 |
5 | 螺钉 | 1批 | 组装夹爪配件 |
6 | 测试网线 | 1批 | 连接控制系统 |
7 | 安装线缆 | 1批 | 安装连接线路 |
2.2 安装环境
l 远离强电磁干扰环境，远离大功率用电器。
l 避免与大功率用电器共用电源。
l 3D相机设备线缆避免与强电流或电压频繁切换的供电线平行铺设。
2.3 准备工作
在安装之前，请先准备好以下物品：
l Ethernet 线缆（7 类线以上或者支持 10GBASE-T）；
l 万用表；
l 剥线钳；
l 压线钳；
l 十字螺丝刀一套；
l 内六角扳手一套。
2.4 3D相机
2.4.1 3D相机型号
表 2 Mirror线激光型号
型号 | MR40-80 | MR20-180 | MR20-280 |
测量线长 | 80mm 80m80 | 180mm | 280mm |
工作距离 | 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向重复精度 | 0.01mm | 0.02mm | 0.03m |
重量 | 约600g | 约550g | 约800g |
表 3 SmartRay相机型号
型号 | ECCO 35.050 | ECCO 35.100 |
视野范围 | 41/49/57mm | 61/82/103mm |
测量范围 | 60mm | 100mm |
工作距离 | 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线信度 | 0.02%(0.2微米/毫米) | 0.01%(0.1微米/毫米) |
Z重复精度 | 1.8微米 | 3.8微米 |
重量 | 约180克 | 约180克 |
部件编号 | 3.002.005 | 3.002.010 |
点数/3D轮廓 | 752点 | |
扫描速率 | 约100赫兹—50赫兹 | |
3D点速率 | 约7—3万点/秒 | |
接口 | 告诉以太网（100兆/秒） | |
输入 | 4个输入端口，5-24伏直流输入， 正交编码输入端口（AB通道，RS-422标准） | |
输出 | 2个输出端口，24伏直流输出（20毫安） | |
触发 | 输入口 支持启动触发， 正交编码输入口支持数据触发（数据触发率: 100 千赫) 输入口2、3 支持数据触发:（数据触发率：10 千赫) | |
输入电源/电压 | 24直流输入 ,文波小于 15% | 4.5瓦 | |
激光波长 | 660纳米 | |
激光级别 | 2M | |
环境背景光 | 10000勒克斯光照强度 | |
电磁兼容测试 | 依据欧标61 000-6-2, 61 000-6-4 | |
震动/冲击测试 | 依据欧标60 068-2-6, -27, -29, -64 | |
电气安全 | 依据欧标61 010-1-3 | |
保护等级 | 依据欧标61 040-3 III | |
防护等级 | 电气设备外壳防护等级65 | |
空气湿度 | 低于90%，无凝结 | |
工作温度/存储温度 | 0-40摄氏度/-20-70摄氏度 | |
通用配件 | 电源输入/输出线缆：6.310.0XX 以太网电缆：6.302.0XX 双绞屏蔽电缆：6.307.0XX | |
2.4.2 3D相机尺寸
图 1相机机械尺寸（mm）
2.4.3 相机安装方式
图 2相机安装方式
2.4.4 外部接口
图 3相机正面和侧面图
1、 相机玻璃面
2、 外壳
3、 安装螺丝螺纹口
4、 激光输出
图 4后方接线图
5、 以太网连接器（8-pin）
6、 LED供电
7、 LED（储电以后面使用/内部使用）
8、 供电-I/O编码连接器
9、 引导状态 LED|连接 LED
2.4.5 设备整体图
图 5设备安装图
1、 固定器
2、 3D传感器
3、 视野范围（中）
4、 被测物体
5、 以太网接口
6、 电源接口
2.4.6 输入输出供电接口描述
图 6供电接口图
第3章 机械臂夹爪
3.1 夹爪设计
（1）L型板：为了将3D线激光扫描仪与KUKA机器人末端法兰相连接以及膜片式夹紧气缸的连接，本文设计了一个介于两者之间的连接件L型板，首先考虑到需要连接机器人和扫描仪并且保证二者不产生干涉，L型板是生产制造中常用且有效的方法之一，两侧打孔为了连接夹紧气缸，从而使用到夹爪侧板因此根据如图29所示，KUKA机器人法兰工程图如图29所示：
图 7 L型板
（2）机器人末端法兰：机器人末端法兰可用于连接各种类型的执行机构，执行机构需要接收机器人的电气，气压等控制信号来执行相应的控制命令。将垫片（圈）后衬垫于法兰盘与执行机构中间，使用螺栓拉紧密封这种机械连接方式即是法兰连接。本文机器人末端法兰已存在，只需要对其进行尺寸测量，根据测量得到的其尺寸进行夹爪其他组件的设计，本文中的机器人末端法兰用于连接线激光扫描仪，根据线激光扫描仪扫描反馈得到的信息控制机器人完成3D扫描与定位与抓取工件的任务。如图30所示：
图 8 机器人法兰
（3）夹爪侧板：考虑到需要连接FESTO膜片式夹紧气缸，设计了两个夹爪侧板，如图31所示，用来连接KUKA机器人的机械臂和FESTO膜片式夹紧气缸，从而顺利完成抓取工件的工作。
图 9 夹爪侧板
3.2 夹爪装配
上文将夹爪的硬件选型以及夹爪的各组件设计的任务完成，此时该将所有硬件与组件进行装配组合，形成一个完整的机器人夹爪机构，L板与的机器人法兰面连接，并且为了防止线激光扫描仪与目标工件发生干涉，将线激光扫描仪与夹取机构安装在L型板两个不同的面上。这样安装既可以防止干涉也可以保证线激光扫描仪的扫描视野阔，总装配效果图如图32所示：
图 10 夹爪总装效果图
第4章 系统
4.1 系统介绍
本章通过理论与实践相结合，对上述研究内容进行了实验验证，验证了以上理论的可行性和准确性。首先搭建起来了一个简单的视觉抓取平台，该平台主要的部件有KUKA机器人、线激光扫描仪、膜片式夹紧气缸、L型板、电磁阀、气动开关、目标工件。控制系统如下图所示。使用软件是SmartRay studio和Mirror 3D。SmartRay Studio软件是一种集检测与测量于一体的三维传感器，主要应用于质量检测、计量、机器人导引、逆向工程等领域。可用来与照相机共同完成对物体的扫描以及成像，并记录和保存对应的点云。Mirror 3D是一款打开点云文件的软件，点云来自从物理对象（建筑物、地形、工业制品）扫描的原始数据。收集完原始数据后，必须将其转成可读点云文件，之后用Mirror3D软件运行，然后得出所测数据。
4.2 软件介绍
打开软件SmartRay studio开始记录扫描内容，扫描完成后观察所成图像有无外因影响（光线丶遮挡等）以减少误差，打开软件Mirror 3D，打开点云文件并运行，进行操作计算。扫描获取到点云信息，如图34所示，将获取到的初始点云信息进行拟合处理后得到拟合后的点云信息，如图35所示，可以看出拟合后的点云信息更加清晰，随后便根据拟合后的点云信息确定目标工件的位置，再由得到的位置信息对机器人进行操作完成抓取工件操作。
图 11 点云图像
图 12 拟合后点云图像
图 13 机器人定位抓取过程
4.3 Mirror 3D脚本
（1）将夹爪装置装配图的STL格式导入Mirror 3D软件（加载实体）
LOAD STL 2 C:\Users\戴尔\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-测试\42步进电机夹爪.STL 1 0 0 0 90 0 0
（2）将步进电机零件图的STL格式导入Mirror 3D软件（加载实体）
LOAD STL 1 C:\Users\戴尔\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-测试\42步进电机.STL 1 -50 0 -45 0 -90 0
（3）隐藏步进电机（设置实体属性）
STL 1 off 1 0 1
（4）显示夹爪装置（设置实体属性）
STL 2 on 0 1 1
（5）将随夹爪装置的步进电机零件图的STL格式导入Mirror 3D软件（加载实体）
LOAD STL 3 C:\Users\戴尔\Desktop\20210528-Mirror3D-V4.10-Debug-测试\42步进电机.STL 0 75 8 -25 0 -90 0
（6）显示步进电机（设置实体属性）
STL 3 on 1 1 0
（7）工具坐标系的确定
TOOLCOORDINATE X0 Y0 Z80 A0 B0 C0
（8）根据确定的坐标移动夹爪
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）读取点云信息
pcRead C:\Users\戴尔\Desktop\calibrated_pointcloud_16_39_05.asc 1 1 1 5 0 pc1
（10）ROI截取（截取所要测量的范围）
pcMaxOffsetROI pc1 0 1000 0 1000 0 15 1 pc2
（11）拟合点（将整个点云图像拟合到中心点）
pcFitPoint pc2 1 pt1
（12）根据得到的拟合点对工件进行抓取
G0 125 132.2461 9.48975 -49.59726 0 0 0
（13）设置实体属性
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
