淺談視覺系統(tǒng)在機(jī)器人自動(dòng)化裝配過程中的靈活應(yīng)用

毛文霆

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽110000）

隨著科技的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，過去都需要人工來完成的工作，逐漸被機(jī)器人所替代。但是機(jī)器人目前還不能完全替代人力，只能完成一些重復(fù)動(dòng)作比較強(qiáng)的，要想進(jìn)一步發(fā)展，就需要給機(jī)器人配備視覺系統(tǒng)來完成一些工作。這樣，機(jī)器人與視覺系統(tǒng)的配合應(yīng)用，在越來越多的行業(yè)進(jìn)行推廣，并日漸成熟完善。

1 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。可以在最快的生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量、引導(dǎo)、檢測(cè)、和識(shí)別，并能保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)。

2 視覺系統(tǒng)與機(jī)器人配合應(yīng)用

視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的直接通訊，視覺系統(tǒng)和機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)的可統(tǒng)一，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且具備高精度的校正功能。通過視覺系統(tǒng)對(duì)零件圖像的采集，經(jīng)過軟件算法的處理后，可告訴機(jī)器人工件所在的位置，從而引導(dǎo)機(jī)器人到指定的位置，完成指定的任務(wù)工作。由于視覺系統(tǒng)精度高，分辨速度快，正好試用于和機(jī)器人配套使用，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，節(jié)省時(shí)間。

普遍的視覺系統(tǒng)與機(jī)器人應(yīng)用即為視覺安裝在機(jī)器人的手爪上，隨機(jī)器人一起移動(dòng)，并進(jìn)行裝配，搬運(yùn)等等工作。但是在一些特殊的場(chǎng)合和工況環(huán)境下，安裝在機(jī)器人手爪上的視覺在機(jī)器人工作的過程中會(huì)和周圍的事物發(fā)生干涉，嚴(yán)重的會(huì)撞壞視覺系統(tǒng)，給裝配過程中帶來不便，無法進(jìn)行安裝，搬運(yùn)等等作業(yè)。出現(xiàn)這樣的情況，一般會(huì)選擇將視覺系統(tǒng)從機(jī)器人身上分離，另外安裝在其他的地方，保證不會(huì)發(fā)生干涉，碰撞的現(xiàn)象。但是，此種做法會(huì)耽誤機(jī)器人的工作時(shí)間，還需給視覺系統(tǒng)尋找安裝位置，占用場(chǎng)地等等帶來一系列的不方便情況。但有些時(shí)候這兩種視覺系統(tǒng)的安裝方式仍能出現(xiàn)各種各樣的問題。

如：現(xiàn)有國內(nèi)某3C 行業(yè)自動(dòng)化裝配流水線，就有此問題。此站為機(jī)器人自動(dòng)化擰緊裝配站，配備機(jī)器人，手爪上需配有視覺系統(tǒng)，擰緊系統(tǒng)等等。此站工作內(nèi)容為，機(jī)器人先通過手爪上的視覺系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行定位，在通過兩套擰緊工具進(jìn)行擰釘裝配作業(yè)。如果視覺系統(tǒng)和擰緊工具在同一高度，則在擰緊過程中視覺系統(tǒng)會(huì)和工件發(fā)生干涉現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致撞壞視覺系統(tǒng)；如果視覺系統(tǒng)高于擰緊工具，則視覺系統(tǒng)拍照的高度太大，從而導(dǎo)致信息采集圖像不準(zhǔn)確，影響位置精度，無法精確引導(dǎo)機(jī)器人到正確位置，最終擰緊系統(tǒng)無法對(duì)正螺釘孔，無法進(jìn)行擰釘作業(yè)。同時(shí)由于擰緊系統(tǒng)的線纜太硬太長(zhǎng)，機(jī)器人6 軸無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)換位動(dòng)作，導(dǎo)致視覺系統(tǒng)無法與擰緊工具進(jìn)行分開布置，種種問題的矛盾導(dǎo)致此站功能無法實(shí)現(xiàn)。

想解決如上的問題，就要避免視覺系統(tǒng)在機(jī)器人工作時(shí)與其他干涉現(xiàn)象。

現(xiàn)在提出新的解決方案即是，打破傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)必須固定不動(dòng)的觀念，將視覺系統(tǒng)做成伸縮移動(dòng)的，即可解決如上的問題。如下圖所示：

將兩套擰緊系統(tǒng)固定在手爪的兩側(cè)，視覺系統(tǒng)布置在手爪的中間，以氣缸作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，將視覺系統(tǒng)固定在導(dǎo)軌的一端，通過氣缸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)視覺在滑塊上進(jìn)行伸縮移動(dòng)。在機(jī)器人需要視覺進(jìn)行拍照作業(yè)進(jìn)行位置判斷時(shí)，氣缸伸出，將視覺系統(tǒng)高度下降到一定的位置，機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)到指定位置進(jìn)行拍照，在拍照完成后，氣缸收縮，將視覺系統(tǒng)收回，縮回到不會(huì)與工件發(fā)生干涉的位置后，機(jī)器人再移動(dòng)到指定的位置，對(duì)零件進(jìn)行擰釘裝配的工作。

此種方法既解決了視覺系統(tǒng)與工件的干涉問題，又能減少機(jī)器人的其他多余動(dòng)作，減少浪費(fèi)的動(dòng)作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。但是此種方法打破了以往視覺系統(tǒng)固定的方式，也打破了過去都是導(dǎo)軌固定，滑塊移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)理念要保證系統(tǒng)的可行性，又要保證機(jī)器人手爪的質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)此方案的時(shí)候，有很多的注意事項(xiàng)。

3 伸縮移動(dòng)視覺的注意事項(xiàng)

3.1 視覺系統(tǒng)拍照是有一定的高度距離要求的

視覺系統(tǒng)拍照需要光源配合，移動(dòng)到適當(dāng)?shù)母叨炔拍苓M(jìn)行拍照判定，所以在設(shè)計(jì)過程中要注意視覺的伸縮距離，不能太長(zhǎng)，也不能太短，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行氣缸的行程選擇。

3.2 視覺系統(tǒng)拍照要求拍照過程要穩(wěn)定

傳統(tǒng)的固定視覺方式就是要保證視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以才要將視覺系統(tǒng)固定不變。要想做成移動(dòng)的視覺，就必須保證視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在視覺系統(tǒng)拍照前，氣缸必須已經(jīng)伸出到位，并且固定此位置不在發(fā)生移動(dòng)。在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)過程中，也要對(duì)固定視覺的各個(gè)結(jié)構(gòu)件要進(jìn)行打銷子固定連接，保證各個(gè)結(jié)構(gòu)件的位置固定準(zhǔn)確，不會(huì)在機(jī)器人動(dòng)作過程中發(fā)生位置偏移。

3.3 視覺系統(tǒng)選擇光源時(shí)要注意

視覺系統(tǒng)除了鏡頭，相機(jī)外還需要光源進(jìn)行照明，這樣才能保證光線始終不變穩(wěn)定，保證拍攝的質(zhì)量。在移動(dòng)伸縮視覺系統(tǒng)中，光源要隨著鏡頭和相機(jī)一起移動(dòng)，所以光源要盡量選擇重量要輕些的，體積要小的，固定結(jié)構(gòu)件也要設(shè)計(jì)的固定緊湊些。

3.4 伸縮移動(dòng)的視覺系統(tǒng)要注意線纜

視覺系統(tǒng)需要傳遞信號(hào)，就得通過電纜。過去傳統(tǒng)的固定視覺的方式，可以不擔(dān)心此問題，線纜都是固定位置的。但要做成移動(dòng)的視覺系統(tǒng)，必須注意線纜的安裝固定及走線問題，保證視覺在移動(dòng)過程中線纜不會(huì)與其他的結(jié)構(gòu)件發(fā)生干涉。同時(shí)也要預(yù)留線纜的長(zhǎng)度，避免線纜的長(zhǎng)度不夠。

3.5 氣缸要注意選型

作為伸縮移動(dòng)視覺系統(tǒng)動(dòng)力的氣缸，在選擇型號(hào)時(shí)，一定要注意選擇的型號(hào)盡量要小巧些，不要太大，整體質(zhì)量要選擇小些的，氣缸的行程也不要太大或者太小，既能保證視覺系統(tǒng)在伸出是滿足拍照高度，又能保證在縮回時(shí)能夠躲開工件不干涉。

3.6 伸縮移動(dòng)的視覺系統(tǒng)要注意機(jī)器人的負(fù)載重量

視覺系統(tǒng)與機(jī)器人想配合使用，機(jī)器人是有負(fù)載的條件限制的。過去傳統(tǒng)的固定視覺的方法不會(huì)有太多的結(jié)構(gòu)件，不會(huì)占用機(jī)器人的負(fù)載，但是移動(dòng)的視覺系統(tǒng)會(huì)有驅(qū)動(dòng)的氣缸，導(dǎo)軌以及其他的很多結(jié)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)件即便是使用鋁合金，也是要具有一定重量的，在加上氣缸和導(dǎo)軌等等，所以在設(shè)計(jì)的過程中要考慮好機(jī)器人的整體負(fù)載情況。

以上設(shè)計(jì)理念和方法僅供參考，畢竟在不同的領(lǐng)域，不同的行業(yè)里，還會(huì)出現(xiàn)其他新的問題。

隨著視覺系統(tǒng)與機(jī)器人配合在各行各業(yè)的推廣應(yīng)用，會(huì)發(fā)生越來越多的各個(gè)問題，這些問題在使用傳統(tǒng)的方式方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要我們打破常規(guī)，具有創(chuàng)新精神，開拓更多的使用方法。在標(biāo)新立異的同時(shí)，也要注意一些隨之出現(xiàn)的問題。尊崇傳承經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，開拓全新視角，勇攀更高山峰。