基于視覺定位的機器人搬運系統

李金義，楊 成，王 京，王 霆，呂世霞

（1. 北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100026；2. 北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

近年來，視覺引導與定位技術已經成為工業機器人獲得環境信息的主要手段，它可以實現工業機器人在實際應用中的自主判斷能力，使機器人應用的靈活性和工作質量大大提高。隨著機器人技術在沖壓自動化生產當中的普及應用，機器視覺系統這一新興技術也進入到日常的生產應用當中。在汽車制造廠萬家頓沖壓自動線上，用于拆垛站上的VMT攝像系統機器人就是采用了此技術對零件位置做最終位置。隨著不斷地使用及了解我們對這套機器視覺系統有了更為深刻的認識與了解，本文將針對機器視覺系統在汽車制造廠萬家頓自動線上的應用做一些簡單的講解。

1 系統組成介紹

圖1 基于視覺定位的機器人搬運系統組成

如圖1所示，基于視覺定位的機器人搬運系統由機器人、攝像頭1、攝像頭2、VMT圖像系統、搬運系統、搬運工位1、搬運共位2以及被搬運工件組成。

其中，視覺系統由攝像頭1、攝像頭2和德國VMT公司圖像處理系統組成，其與機器人結合形成機器人視覺系統，用來確定工件在工位1的擺放位置，保證在搬運過程中，機器人能夠準確抓取工件的規定部位。

2 系統工作流程

系統工作如圖2所示，萬家頓自動線上拆垛站部分的主要工作是將料垛拆分為后續壓力機提供適合生產的單張沖壓板。在自動生產形式下，料垛小車裝載完成后自動駛入生產區域停靠、升起到機器人1抓取沖壓板的位置。機器人1抓取沖壓板并進行雙料片檢測，如果沒有問題將沖壓板放到皮帶機1上。之后沖壓板經過清洗機、涂油機后達到 皮帶機2的位置。VMT攝像系統拍攝沖壓板位置，將拍攝下來的實際位置與之前編輯儲存的標準沖壓板位置對比后將偏差值換算成機器人系統中的x、y、Rx、Ry的差值，之后機器人通過換算差值后改變抓取動作、抓取沖壓板、最后將沖壓板放到對中臺上用于后續自動化生產。由于設備設計所致機器人在沖壓板抓取后必須水平旋轉90°后才能將沖壓板以正確的物流方向放到對中平臺上。

圖2 系統工作流程

3 被搬運工件定位過程介紹

1） VMT攝像系統配置

VMT攝像系統的系統配置表1所示，系統由硬件和軟件兩個部分組成。其中硬件部分包括：攝像頭、照明燈光、計算機（已安裝圖像采集卡和Profibus通訊卡）、控制柜和線纜等材料組成；軟件部分包括：圖像采集及預處理、圖像處理/模式識別、方位計算和通訊模塊等軟件模塊。

表1 VMT攝像系統配置表

2）VMT攝像系統的工作原理

VMT攝像系統組成如圖3所示，系統圖像處理計算機、攝像頭和透鏡和被檢測工件等部分組成。VMT系統的工作過程，照明光源發出光線，投射到被檢測工件上，攝像頭獲取被檢測工件的模擬圖像信息，將獲得的模擬圖像信息送入圖像處理計算機，進行處理，將模擬圖像轉化為數字圖像，之后進行模板匹配。

圖3 VMT圖像處理示意圖

如圖4所示，模板匹配原理是攝像系統的基本原理，它就是把要搜索的對象的圖像在當前圖像上平移，在每個位置上計算它們的相似度，不同的位置會有不同的相似度，但是匹配過程進行到最遠的地方就是匹配點。

首先，我們要建立搜索模板，在采集到的圖片上選出反差較大的標記點然后將其周圍一定區域定義為搜索區域。然后，在定義好的搜索區域內將標記點定義為參考點。最后，程序在運行過程中會將設定的標記點與實際拍攝下來的圖片進行匹配，當標記點重合數最大時完成圖像匹配。

3）在萬家頓自動線上的VMT攝像系統的編程

圖4 視覺系統模板匹配原理

圖5 軟件設置操作

將要檢測的沖壓板放置在皮帶機2上然后鎖定屏幕圖像進入到任務管理畫面進行。由于在萬家頓自動線上的VMT攝像系統是有2個攝像頭組成。分別對每個攝像頭中的圖片進行進行編輯。一般情況下，我們都會針對每個攝像頭中的圖片設定2至4個標記點用于沖壓板時別。也就是整個攝像系統對于單件來說一般我們設定4個標記點，對于雙件或者沖壓板表面亮度不高的單件來說我們設定6 8個標記點。標記點越多用于檢測的時間越長，所以在能保證檢測準確的前提下我們盡可能降低標記點的個數。之后我們選取沖壓板上邊角、圓孔等比較有特點的形狀作為標記點進行編輯。編輯的內容包括檢索范圍、對比度、對比標記點個數等然后進行檢測計算出每次檢測出標記點的概率。一般來說這個概率必須達到或者非常接近100%才能保證在日常生產過程中不會因為VMT攝像系統出現故障而引起停機。這之后我們將這些編輯好的標記點集合在檢測任務當中。在每次進行不同零件生產的時候計算機自動調用不同零件所針對的檢測任務。然后，我們做帶標記點參考標定的單次測量然后輸入攝像頭與沖壓板之間的檢測距離。然后，我們對攝像頭解鎖進行持續檢測檢驗編輯效果如果有錯誤或者檢測成功率低的問題就重新進行修改、優化，最終投入生產運行。

在進行生產當中一次完整的檢測過程將完成以下步驟：

1）通過PLC把信息傳送給視覺系統，選擇相應的監測計劃

2）一旦沖壓板在皮帶機上停止后，PLC立即喚醒視覺系統進行測量

3）所有攝像頭進行圖像采集

4）標記點識別

5）利用在圖像中找到的標記點位置和攝像頭的標定結果，計算當前沖壓板的準確位置

6）計算當前沖壓板的方位和初始方位的偏差，這就是校正矢量

7）把校正矢量傳送給機器人

8）校正后抓取沖壓板

4 結論

攝像系統的應用可以說是為機器人添加了眼睛。在具有高重復性的生產過程中，降低了人工、工裝的成本。使得自動化生產更具柔性。而在使用VMT攝像系統更是以其高效率、低錯誤率、維護成本低的特點贏得了操作人員以及技術人員的認可。

[1] 劉文波, 陳白寧. 段智敏工業機器人[M]. 東北大學出版社, 2007.

[2] Wesley E.Snyder,Hairong Qi,著, 林學訚, 崔錦實, 趙清杰,譯. 機器視覺教程[M]. 機械工業出版社, 2005.

[3] 賈云得. 機器視覺第一版[M]. 科學出版社, 2000.