FCDG-26多功能智能建造機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

一、面向?qū)I(yè)和課程

面向?qū)I(yè)：智能建造、機(jī)器人工程、自動化等工程類專業(yè)；

適用的課程涵蓋以下5門：自動控制原理，傳感器原理與技術(shù)(計(jì)算機(jī)視覺方向)，機(jī)器人基礎(chǔ)，智能建造算法基礎(chǔ)，智能建造（施工運(yùn)維方向）。

二、產(chǎn)品概述

多功能建造機(jī)器人工作站采用1臺六軸協(xié)作機(jī)械臂、2套3D視覺系統(tǒng)、1套深度視覺系統(tǒng)、1套移動導(dǎo)軌平臺。在工作臺上方設(shè)置三個作業(yè)區(qū)域，分別為建筑材料堆放區(qū)域、砌筑區(qū)域、拓展區(qū)域（鋪磚、鋼筋綁扎等）。其中，3D視覺系統(tǒng)分別安裝在建筑材料堆放區(qū)域和砌筑區(qū)域，通過三維點(diǎn)云分析，判斷建筑材料的堆料和作業(yè)狀況，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的抓取引導(dǎo)。深度視覺系統(tǒng)安裝在機(jī)械臂末端，為機(jī)械臂作業(yè)提供實(shí)時的環(huán)境感知能力。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，比如當(dāng)控制機(jī)械臂對物料進(jìn)行抓取時，3D視覺系統(tǒng)能為機(jī)械臂提供需要抓取的位置和角度信息，進(jìn)而完成相應(yīng)的抓取任務(wù)；當(dāng)控制機(jī)械臂進(jìn)行作業(yè)時，深度視覺系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測工作區(qū)域的建筑材料施工角度、位置，確保機(jī)械臂按照既定的作業(yè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)自動工作。

1.教學(xué)內(nèi)容

在機(jī)器人工作范圍內(nèi)，將工作臺臺面進(jìn)行清理，并在指定區(qū)域內(nèi)劃分為物料存放區(qū)域和機(jī)器人施工區(qū)域，通過軟件設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)動速度、作業(yè)類型、參數(shù)等，由機(jī)器人自動完成施工作業(yè)，教師在此基礎(chǔ)上，對整體功能進(jìn)行拆解教學(xué)，授課示教。

2.操作流程

1）布置實(shí)施現(xiàn)場

整理好作業(yè)區(qū)域，確保區(qū)域內(nèi)平整，以便于機(jī)器人施工。同時，在機(jī)器人的作業(yè)區(qū)域內(nèi)放置需要的建筑材料。將機(jī)器人安裝在導(dǎo)軌上方，并設(shè)置好機(jī)器人運(yùn)動的方向、速度和固定裝置。

2）啟動工作站

設(shè)備上電，啟動機(jī)器人和相機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)試機(jī)器人姿態(tài)。通過查看機(jī)器人的視覺系統(tǒng)狀態(tài)、機(jī)械臂運(yùn)動情況，確保機(jī)器人的運(yùn)動正常、作業(yè)精度及穩(wěn)定性。同時觀察工作站上多相機(jī)的工作狀態(tài)和畫面信息，調(diào)整相機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，確保畫面清晰。

3）選擇作業(yè)任務(wù)

通過控制軟件選擇工作臺上方機(jī)器人的工作任務(wù)。首先根據(jù)不同任務(wù)下的工作指令和工作內(nèi)容，獲取不同相機(jī)采集到的圖像信息，以此來感知不同任務(wù)下的工作環(huán)境。控制軟件根據(jù)環(huán)境下的實(shí)時信息，判斷機(jī)械臂能否正常作業(yè)，再予以復(fù)位啟動。

4）調(diào)整作業(yè)參數(shù)

通過控制軟件設(shè)置機(jī)器人的起點(diǎn)位置（抓取方位）、終點(diǎn)位置（工作方位）、機(jī)械臂運(yùn)動路徑，以及調(diào)整機(jī)器人工作時的實(shí)施參數(shù)。

5）自動作業(yè)

啟動機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)3D視覺系統(tǒng)的反饋信息，以及所設(shè)置的運(yùn)動路徑，自動進(jìn)行工作作業(yè)。在工作過程中，操作人員根據(jù)實(shí)際施工情況，能夠靈活調(diào)整機(jī)器人施工參數(shù)和作業(yè)方向。

三、產(chǎn)品功能

1.砌筑機(jī)器人

將六軸協(xié)作機(jī)械臂末端工具更換為抓取磚塊的專用夾爪，通過3D相機(jī)、深度相機(jī)對建筑材料堆放區(qū)域和砌筑區(qū)域進(jìn)行高精度掃描，引導(dǎo)機(jī)械臂根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的磚塊位置、砌筑高度等作業(yè)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。詳細(xì)工作流程如下：

在這一任務(wù)過程中，機(jī)器人首先通過工作站內(nèi)置的3D相機(jī)對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行高精度掃描，構(gòu)建出作業(yè)環(huán)境的數(shù)字模型。隨后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的工作路徑，計(jì)算出每一塊磚的放置位置與角度。六軸協(xié)作機(jī)械臂負(fù)責(zé)精確抓取磚塊，并根據(jù)指令靈活調(diào)整砌筑姿態(tài)，確保每一塊磚都能準(zhǔn)確無誤地放置在指定位置。同時，機(jī)械臂末端的深度相機(jī)能夠?qū)崟r監(jiān)測砌筑過程，通過視覺反饋系統(tǒng)調(diào)整機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡，確保砌筑質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.鋪貼機(jī)器人

將六軸協(xié)作機(jī)械臂的末端工具更換為吸取瓷磚的專用吸盤，通過3D相機(jī)、深度相機(jī)對建筑材料堆放區(qū)域和作業(yè)場景進(jìn)行高精度掃描，引導(dǎo)機(jī)械臂根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的縫隙大小、對齊情況等作業(yè)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。詳細(xì)工作流程如下：

與自動砌筑類似，機(jī)器人在進(jìn)行鋪磚/貼磚前，機(jī)器人會先對施工區(qū)域表面進(jìn)行掃描，識別出不平整區(qū)域并提示進(jìn)行處理，以確保施工面的平整度。隨后，系統(tǒng)根據(jù)磚塊尺寸，規(guī)劃出機(jī)械臂最優(yōu)的作業(yè)路徑。六軸協(xié)作機(jī)械臂則負(fù)責(zé)將磚塊從物料堆放區(qū)精準(zhǔn)地搬運(yùn)至鋪設(shè)位置，并通過自主調(diào)整機(jī)械臂姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)磚塊之間的緊密貼合。在作業(yè)過程中，深度相機(jī)持續(xù)監(jiān)測磚塊間的縫隙大小、對齊情況等關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)，確保鋪磚效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.鋼筋網(wǎng)綁扎機(jī)器人

將六軸協(xié)作機(jī)械臂的末端工具更換為自動綁扎工具，通過深度視覺系統(tǒng)對作業(yè)場景進(jìn)行高精度掃描，引導(dǎo)機(jī)械臂根據(jù)掃描的圖像信息逐一完成綁扎作業(yè)任務(wù)。詳細(xì)工作流程如下：

機(jī)器人抵達(dá)作業(yè)區(qū)域后，首先通過深度相機(jī)對鋼筋骨架進(jìn)行掃描，識別出每根鋼筋的位置和形態(tài)。隨后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的鋼筋綁扎要求，規(guī)劃出綁扎路徑和綁扎點(diǎn)。六軸協(xié)作機(jī)械臂則攜帶綁扎工具，按照指令逐一完成綁扎作業(yè)。在綁扎過程中，機(jī)械臂末端的深度相機(jī)實(shí)時監(jiān)測綁扎位置和質(zhì)量，確保每個綁扎點(diǎn)都牢固可靠。此外，根據(jù)鋼筋的直徑和類型，系統(tǒng)支持調(diào)整作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整綁扎力度和綁扎方式，以適應(yīng)不同類型的施工需求。

四、關(guān)鍵技術(shù)

1.機(jī)器人在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

六軸協(xié)作機(jī)械臂通過靈活地安裝吸盤、夾爪等多種精密工具，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)施工到精細(xì)作業(yè)的全鏈條覆蓋。比如吸盤的應(yīng)用，允許機(jī)器人在垂直或水平的表面上穩(wěn)定作業(yè)，如墻磚/地磚鋪設(shè)、高樓幕墻安裝等；夾爪能夠精準(zhǔn)抓取并搬運(yùn)磚石、預(yù)制構(gòu)件等，在特殊場景下，可選裝定制結(jié)構(gòu)的夾爪進(jìn)行施工，減少了人力需求及搬運(yùn)過程中的損耗。

2.建筑材料的三維形態(tài)分析與抓取

多功能智能建造機(jī)器人系統(tǒng)使用了高清2D相機(jī)、3D相機(jī)等設(shè)備，構(gòu)建出建筑材料及其周圍環(huán)境的精確三維模型。系統(tǒng)能夠自動識別實(shí)訓(xùn)臺上復(fù)雜環(huán)境中的各種建筑材料，包括建筑材料的形狀、尺寸、位置，為后續(xù)機(jī)械臂的抓取提供精確指導(dǎo)，確保機(jī)械臂在復(fù)雜環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精準(zhǔn)的抓取任務(wù)。

3.建造機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同控制

多功能智能建造機(jī)器人系統(tǒng)基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信能力和實(shí)時的數(shù)據(jù)共享能力，確保機(jī)械臂與系統(tǒng)之間能夠即時交換狀態(tài)信息、任務(wù)指令及環(huán)境感知數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的作業(yè)要求與相機(jī)感知到的現(xiàn)場情況，自動向機(jī)械臂分配任務(wù)、規(guī)劃路徑、協(xié)調(diào)動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自主完成砌筑、鋪磚、鋼筋網(wǎng)綁扎等多項(xiàng)作業(yè)功能。

五、主要硬件參數(shù)

1.六軸協(xié)作機(jī)械臂

采用節(jié)卡品牌的C5協(xié)作機(jī)械臂，其末端負(fù)載為5kg，臂展954mmn，滿足項(xiàng)目作業(yè)要求。

具體參數(shù)如下：

自由度：6軸；

底座尺寸：158×158（mm）；

工作半徑：954mm；

額定負(fù)載：5kg；

重復(fù)定位精度：±0.05mm；

凈重：23kg（含線纜）；

輸入電源：DC 24V；

通信接口：TCP/IP，Modbus TCP，Modbus RTU；

I/O接口：數(shù)字輸出：2路；數(shù)字輸入：2路；模擬量輸入：1路；

編程：圖形化編程、拖拽編程；

安裝方式：任意角度安裝；

材質(zhì)：鋁合金、PC；

工作溫度：0℃~50℃。

2.3D視覺系統(tǒng)

采用知象科技的Surface HD系列3D相機(jī)，該相機(jī)可滿足從60mm到2600mm測量距離下的多種工作任務(wù)。在60mm到150mm的工作距離，Surface HD的最高精度可達(dá)0.02mm，適用于精度要求高的芯片、微小元器件的掃描與檢測作業(yè)。在150mm到1200mm的工作距離，Surface HD可以高效完成相應(yīng)的物流分揀、檢測、上下料、工件找正、組裝等任務(wù)。在1200mm到2600mm的工作距離，將Surface HD應(yīng)用于對大中型物體的識別、檢測，還可完成路徑規(guī)劃、分揀、碼垛等任務(wù)。

具體參數(shù)如下：

成像原理：雙目結(jié)構(gòu)光；

光源：紅外激光；

工作距離：500±250mm；

FOV：H55°x V36°；

視場邊長@工作距離（mm）：210×160mm@250mm；520×320mm@500mm；735×490mm@750mm；

點(diǎn)距@工作距離：0.273mm@500mm;

重復(fù)精度：±0.15mm；

深度圖分辨率@最大幀率：1920x1200@8fps：960x600@10fps;

彩色圖分辨率：1920x1080@20fps；

數(shù)據(jù)輸出：彩色圖+深度圖；

最小采集時間：單幀深度圖最小采集時間為50ms，傳輸時延遲50ms；

數(shù)據(jù)接口：千兆以太網(wǎng)，支持POE供電；USB3.0；

支持操作系統(tǒng)：Linux（Ubuntu18.04）；Windows 8/10。

3.深度視覺系統(tǒng)

深度視覺系統(tǒng)采用1臺200萬像素深度體感攝像頭，安裝于機(jī)械臂末端，用于目標(biāo)的精確定位與機(jī)械臂引導(dǎo)。攝像頭可兼容ubuntu，linux和樹莓派等操作系統(tǒng)，兼容USB3.0接口協(xié)議，可進(jìn)行深度信息感知、活體識別等。攝像頭內(nèi)置立體深度算法，可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的深度感知及更遠(yuǎn)的范圍。通過校準(zhǔn)，立體深度感知的誤差率低至2%，在室內(nèi)和室外環(huán)境中最遠(yuǎn)可捕獲相距達(dá)10米的數(shù)據(jù)。可進(jìn)行AI視頻圖像分析，拍攝人臉、車輛、儀表設(shè)備等視頻圖像，綜合分析研判，確保場所安全。

深度視覺系統(tǒng)具體參數(shù)如下：

使用環(huán)境：室內(nèi)和室外

深度技術(shù)：雙目結(jié)構(gòu)光

深度范圍：0.15-10m

深度視野：（橫向×縱向×對角線）91°×66°×101°

深度流輸出分辨率：達(dá)1280×800

深度流輸出幀速率：1280×800@90fps

最小深度距離（Min-Z）：0.15米

紅外信號發(fā)射器功率：可配置至達(dá)425毫瓦（mW）峰值

RGB輸出分辨率：1920×1080

RGB輸出幀速率：1920×1080@30fps

RGB傳感器視野：（橫向×縱向×對角線）86°×55°×94°

攝像頭尺寸：（長度×厚度×高度）90毫米×25毫米×30毫米

ROS支持：ROS1 & ROS2

4.水平移動滑軌

選用水平方向的移動滑臺，搭配光電傳感器，通過IO控制器接入邊緣計(jì)算終端，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)模塊的協(xié)同。

主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)如下：

尺寸和材質(zhì)：長度2600mm，鋁合金材質(zhì)；

運(yùn)行負(fù)載：≥20kg；

最大運(yùn)行速度：≥300mm/s；

重復(fù)定位精度：土0.05mm

標(biāo)配電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)

5.運(yùn)算單元

采用工業(yè)級結(jié)構(gòu)，體積小巧，外形緊湊，安裝windows10系統(tǒng)，集成C++、OpenCV等運(yùn)行環(huán)境，支持?jǐn)?shù)字圖像處理、3D視覺、機(jī)器人等硬件或應(yīng)用的開發(fā)和學(xué)習(xí)。

主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)如下：

（1）處理器：酷睿i7；內(nèi)存：16G工控內(nèi)存；硬盤：512G固態(tài)硬盤；顯存：4G；網(wǎng)口：4個千兆網(wǎng)口;

（2）支持linux嵌入式操作系統(tǒng)，滿足嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)；

（3）內(nèi)置Python3.5以上版本的運(yùn)行環(huán)境，滿足Python、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的編程與AI教學(xué)；

（4）支持多種類計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人、復(fù)雜傳感器與智能控制等關(guān)鍵技術(shù)的組合實(shí)驗(yàn)，可支持多種不同模塊同時聯(lián)動實(shí)驗(yàn)。

五、應(yīng)用場景