無定位不停線高速傳送系統應用

余舒帆

（上海發那科機器人有限公司，上海 201206）

1980年，日本工業機器人生產開始普及，經歷了30年的發展，對機器人搬運的高速化、柔性化、高精度技術要求越來越高。針對這樣的情況，FANUC公司在2010年推出了Robot M－3iA機器人，配合獲得“日本國2007經濟產業大臣獎”的FANUC智能機器人超高速視覺線跟蹤功能，組合成無定位不停線高速傳送系統。該系統完全能適應現在市場對短距離傳送帶間的高速搬運、高速拾取作業和復雜裝配作業。

2008年，我國實施新《勞動法》后，勞動力成本大幅提升，經濟環境發生了變化，使得某些制造商將勞動密集型產業轉移到勞動力成本更加低廉的東南亞各國；另一方面也促使本土企業更加重視提升工廠自動化水平。另外，由于越來越多的國際汽車廠商登陸中國，激烈的市場競爭刺激了中國本土汽車廠商對工業機器人的需求。隨著中國的產業升級、勞動力成本的上升、人口結構的變化，未來國內將迎來工業機器人應用的爆發性增長。預計2011年，我國將新安裝各類工業機器人9500臺，市場保有量將達到48600臺［1］。本文介紹FANUC機器人的視覺跟蹤和傳送帶跟蹤技術在實際生產中的運用。

1 系統方案

1.1 系統布局

本系統的總體布置圖如圖1所示。

圖1 系統布置圖

FANUC Robot M－3iA系統布置為2條并排的傳送帶，機器人只需要將一條傳送帶上的、隨意倒放的工件整齊地豎立在另一條傳送帶上，兩帶距離僅300mm左右。當目標拾取點至目標放置點的距離減少時，機器人可以做較短的來回往復運動，從而實現無停線高速傳送。

對應一個確定的距離，高速機器人［2］能在單位時間內做更多的往復運動，處理大量傳送目標。一般而言，這種機器人的負載和活動范圍均較小，如M－1iA負重1kg，活動范圍為φ280mm。當使用一個可以同時抓取多目標的手爪時，放置目標需要的往復運動數將減少，使得一個機器人可以處理大量的傳送目標。但另一方面，此手爪會比較重，可能超過1kg；因此，需要注意手爪加上工件的累計質量是否超過機器人的傳送負荷。一般而言，較大的手爪也可能會導致與周邊設備及機器人的干涉。由于展示系統主要強調的是FANUC Robot M－3iA型機器人的高速性能，故本文采用1個抓取單一目標的手爪，在單位時間內做更多的往復運動，處理大量傳送目標。FANUC Robot M－3iA型機器人不僅高速，而且拾取質量可以達到6kg，根據工件要求可以設計出合理的手爪，充分發揮出其速度優勢。

1.2 功能簡介

1.2.1 FANUC Robot M－3iA

M－3iA型機器人能進行高速動作，機械軸J4，J5，J6最大速度達34.88rad／s手臂前端質量輕，可實現提高加速度，加快運動頻率；構造簡單的連桿的組合，使各個連桿的長度誤差被平均化，重復位置精度高達0.1mm；所有接合部位與關節部位采用密封構造，密閉等級為IP67，即使在粉塵、油霧漂浮環境下也可安心作業；電機等重要驅動裝置未安置在連桿前端部位，以確保在惡劣環境下以及高加速度的作業環境下具有可靠性；表面處理可耐受日常殺菌清洗用的酸或堿性的清洗液。M－3iA機器人可實現家用電器、機械部件裝配、食品搬運等多用途作業能力。

機器人負載如圖2所示，距離腕部越近時，其負載可以越大。

圖2 腕部負載圖

1.2.2 視覺跟蹤

iRVision視覺跟蹤是一種視覺檢測多個工件流過傳送機、使機器人沿著工件傳送帶撿起工件的應用。視覺跟蹤具有良好的隊列管理功能，使多個機器人能分擔傳送帶拾取工件的工作；其也支持多條傳送帶間的運用，每個機器人拿起工件從一個傳送帶放到另一個傳送帶上，放工件的傳送帶只需要編碼器，不用攝像機就可以使用。如圖3所示。

圖3 視覺跟蹤圖

1.2.3 系統功能

該系統是運用高速機器人，將上料傳送帶上的、隨意擺放的工件（化妝品）在不停傳送帶的情況下，取料并整齊地樹立起來，放置在下料傳送帶上，傳送數量為60pic／min。系統主要展示了FANUC機器人的視覺跟蹤和傳送帶跟蹤技術（Visual Tracking and Line Tracking）及M－3iA型機器人高速搬運能力。

2 視覺跟蹤

圖4為視覺跟蹤應用示意圖。

圖4 視覺跟蹤應用示意圖

2.1 系統配置

圖5 相機

相機為XC－56型（見圖5），其電荷耦合器件尺寸為1／3″，網格尺寸為0.0074V，鏡頭選用的鏡頭焦距為12mm（見圖6）。

圖6 鏡頭

光纖電纜（Optical Fiber）、FANUC線跟蹤電路板、編碼器電纜和編碼器如圖7所示。

圖7 編碼器連接

相機電纜用于連接相機和視覺板，如圖8所示。

圖8 相機連接

2.2 應用原理

圖9為視覺跟蹤功能原理示意圖。通過簡單的設置和示教，機器人可以實現視覺跟蹤功能。白色和橙色區域為機器人抓取工作區域，藍色為機器人識別工件區域，橙色區域為工件bypass區域。工件通過攝像機識別，機器人計算出工件位于輸送帶上的橫向坐標和角度，通過編碼器的數據算出工件縱向坐標；待進入機器人抓取工作區域，就快速拾取。

圖9 視覺跟蹤功能原理示意圖

當然，原理是通過實踐才能更加真實。在視覺跟蹤功能應用中，需注意以下幾點。

（1）編碼器安裝位置遠離機器人運行范圍［3］。通常，將編碼器安裝在相對照相機視野范圍的上游位置并遠離照相機視野。為更精確地測量傳送帶的移動速度值，將一個旋轉的圓盤附加在編碼器的頂端，使圓盤旋轉時直接接觸于傳送皮帶上，而不是直接將編碼器附加在傳送帶主動軸／從動軸上。確認在旋轉圓盤和傳送皮帶間沒有滑動產生。如果產生滑動，機器人處理的精確度將因此降低。

（2）傳送設備速度的設定。傳送數量取決于傳送帶速度和在傳送帶上的目標密度。當傳送速度為200mm／s，目標定位為平均間距100mm，傳送數量為120pic／min。另外，當傳送速度為100mm／s，目標定位平均間距為50mm，傳送數量同樣為120pic／min。所以，當傳送速度變慢時，機器人跟蹤精確度和視覺偵測精確度將提升。這意味著一個低速的傳送帶將帶來系統全面的高性能表現。

（3）視覺系統啟動間隔的設定［4］。為了使在傳送帶上的目標不丟失，視覺系統需要每次在傳送帶移動一個確定距離時至少成像一次；因此，視覺系統的高度受傳送速度影響。傳送帶移動得快，要求成像頻率也要快，導致視覺系統的負載增加。相反地，如果在一次成像過程中傳送帶移動得足夠慢以偵測多數目標，即使不改變傳送數量，視覺系統的負載也將降低。視覺系統啟動間隔計算如下：

盡管照相機視覺范圍放大會降低視覺系統確定的精確度，但是當照相機視覺范圍被放大，視覺系統啟動間隔將降低。

（4）曝光時間的確定。匹配傳送速度，照相機曝光時間將被確定。照相機曝光時間直接附加在成像過程時間中，所以，傳送帶移動慢，相對短的曝光時間將被確認。假定傳送帶水平移動，匹配傳送速度的曝光時間為

式中，Ss為曝光時間（s）；Im為成像位移（像素）；Hf為視覺范圍水平尺寸（mm）；Is為水平成像尺寸（像素）；Cs為傳送帶速度（mm／s）。

若Im＝0.5像素，Hf＝512mm，Is＝512像素，Cs＝100mm／s，則

設定曝光時間低于5ms。為獲得短的曝光時間，強大的照明是必需的。根據上述計算的曝光時間，預備照明時應使成像充分明亮。

（5）處理精確度［5］。處理精確度受系統曝光時間和傳送速度影響。誤差值計算如下：

曝光誤差（mm）＝傳送速度（mm／s）×曝光時間（ms）

同時，機器人處理精確度也受視覺系統精度因數、照相機精度校準、示教點精度、控制器進程變化的影響。此外，在實際系統中，傳送設備產生的震動或大型沖壓件邊緣的擺動等外部因素也會降低精確度。當同時考慮這些因數時，處理誤差將遠大于上述計算取得的曝光誤差值。

綜上所述，通過以下調節，處理誤差可以被降低：① 正確設置TCP；② 同一時刻確認較多的目標；③ 降低傳送速度；④ 縮短曝光時間；⑤ 調節跟蹤運行過程；⑥ 跟蹤運行調節。

2.3 應用設置

步驟設置如圖10所示，詳細可參考FANUC的iRVision Visual Tracking START－UP GUIDANCE。本文就一些具體情況提出處理措施。

圖10 設置步驟

2.3.1 出現遺漏或不拾取工件情況

（1）當機器人運行太慢時，禁用機器人熱啟動。

（2）當機器人動作速度太慢時，可加入加速度指令或更改合適的手部負重。

（3）當工作區域設置錯誤或被禁用時，可更改合理的工作區域。

（4）當視覺設置中未設置有效的工件特征時（如圖11設置畫面），可重新確認工作特征。

（5）當傳感器工作沒有啟動時，可在設置菜單中重新設置傳感器。

（6）若PC（VSTKGETQ）程序的工件號不匹配時，可檢驗視覺設置的工件號。

（7）若視覺設置檢測太慢，未能跟上傳送帶速度，當需要執行拾取時，工件已經出界。可以降低傳送帶速度或擴大視野范圍，以及更改曝光時間。

圖11 視覺跟蹤工件識別拍照圖

（8）若放棄抓取工件區域設置不合理，浪費了太多可拾取空間時，可重新設置并放大抓取空間。

2.3.2 出現一個工件重復拾取情況

（1）若相機標定設置不合理，可檢查相機標定的工具坐標原點（TCP）是否正確，相機焦距是否正確。

（2）分配區域設置不合理。該區域不能設置在視野范圍之內。如果設置在內，可能會出現機器人已經被分配過一次拾取任務，然后進入了分配區域，但工件在沒被拾取前，又被相機檢測到，再次被分配任務，即產生重復拾取。

（3）重復公差設置太小，一般為10。若設置太小，會被誤認為是2個工件。

（4）錯誤的工件被檢測到。檢查視覺設置的特征設置。

2.3.3 “Vision overrun”報警經常出現

這項警告是由于視覺時間間隔比不合理。雖然這個警告不會停止系統，但當前一個過程完成進行下一個過程時，可能會導致某些工件在等待完成的過程時，通過了視野范圍。在這種情況下，必須提高系統配置。視覺系統啟動間隔（mm）的延長可以有效改變這種情況，或降低曝光時間。

2.3.4 視覺補償在傳送帶末端偏離較大

用于相機檢校的校準板間距可能太小，鏡頭變形不能正確計算。如果鏡頭不能正確地計算相機檢校，在計算視野的邊緣時工件的位置也不會正確，此時，可使校準板完全覆蓋視野，再校準一遍便可。另外，正確的工件高度也會影響視覺補償，所以在跟蹤坐標系下要設置正確的工件高度。

3 結 語

本文著重描述了無定位不停線高速傳送線M－3iA機器人系統3項新技術：①FANUC機器人的視覺跟蹤技術；② 直線跟蹤技術；③ M－3iA型機器人。它們組合應用體現了無定位不停線高速傳送的優點。

該系統的iRVision視覺跟蹤部分，還有存在以下不足：① 目前iRVision視覺跟蹤部分只支持進行直線跟蹤，不支持曲線Rail跟蹤和環形Circular跟蹤；② 不支持對一個大型目標使用復數照相機視野進行視覺跟蹤。

相信在不久將來，運用成熟之后，各種應用也會被更多的新功能所完善。

［1］中國自動化網.我國工業機器人的市場空間EB／OL（2010－1－15）［2011－5－5］.http：／／www.ca800.com／news／html／2010－1－15／nl094680.html.

［2］白口井明，ロボット［M］.日本：共立出版，1983.4：13－14.

［3］波波夫E.操作機器人動力學與算法 ［M］.北京：機械工業出版社，1983：167－169.

［4］錢新恩，夏朝猛.計算機視覺在工業機器人上的應用［J］.計算技術與自動化，2006，1（25）：114－116.

［5］吳振彪，王正家.工業機器人［M］.2版.武漢：華中科技大學出版社，2006：125－147.