基于視覺(jué)引導(dǎo)的自動(dòng)組裝技術(shù)探究

陳發(fā)毅, 賀敏, 吳蕾, 秦付軍, 何紫楊

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 成都 610039；2.蘇州富納智能科技有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

自工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，其應(yīng)用和種類不斷得到擴(kuò)展，其中裝配機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，主要用于電器、汽車、電子等產(chǎn)品及其組件的裝配任務(wù)[1]。傳統(tǒng)的依靠專用夾具配合且按照固定軌跡運(yùn)行的組裝模式，無(wú)法滿足目前自動(dòng)化裝配行業(yè)的需求。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化行業(yè)，極大地提高了產(chǎn)品的組裝精度。通過(guò)視覺(jué)傳感器引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)精確組裝具有更高的靈活度和精度。

陳偉華等[2]將VisionPro視覺(jué)軟件結(jié)合C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了機(jī)械手的視覺(jué)定位系統(tǒng)。董大釧等[3]開(kāi)發(fā)了基于視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人位姿在線校正算法。盧軍等[4]使用Halcon視覺(jué)函數(shù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了六軸機(jī)械手的自動(dòng)裝配引導(dǎo)系統(tǒng)。使用VisionPro視覺(jué)軟件結(jié)合C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于上下相機(jī)的四軸直角坐標(biāo)型機(jī)器人自動(dòng)組裝系統(tǒng)。

1 組裝系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)方案

在四軸直角坐標(biāo)機(jī)器人平臺(tái)基礎(chǔ)上搭建視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)，選用匯川H3u-3232-MT中小型PLC，搭建運(yùn)動(dòng)控制模組。視覺(jué)系統(tǒng)選用相機(jī)型號(hào)為OPT-CC130-GM-04，接口為GigeVision的130萬(wàn)像素相機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)巨型幀實(shí)現(xiàn)大批量的圖像數(shù)據(jù)傳輸，相機(jī)鏡頭選用OPT-C2514-2M，光源選用RI10080-W低角度環(huán)光，搭建圖1所示視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)。

圖1 視覺(jué)定位系統(tǒng)硬件

1.2 裝配流程

在自動(dòng)裝配之前，需要對(duì)機(jī)械手各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行示教，將各點(diǎn)位的位置保存到PLC當(dāng)中。示教時(shí)采用反向示教的方法，可以提高裝配精度，示教流程如圖2（a）所示。

自動(dòng)組裝流程如圖2（b）所示，上相機(jī)第一次拍照定位方塊，再移動(dòng)到方框上方拍照定位方框，機(jī)械手吸取方塊到下相機(jī)拍照進(jìn)行角度補(bǔ)償，角度補(bǔ)償完成后再次拍照進(jìn)行位置補(bǔ)償，最后完成組裝。

圖2 示教及自動(dòng)組裝流程圖

2 視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)

對(duì)基于視覺(jué)引導(dǎo)的自動(dòng)化裝配技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于視覺(jué)引導(dǎo)的自動(dòng)化組裝系統(tǒng)，包括相機(jī)通信及硬件參數(shù)設(shè)置、相機(jī)標(biāo)定、視覺(jué)定位。通過(guò)GigeVision助手設(shè)置相機(jī)的IP地址，通過(guò)調(diào)整相機(jī)的內(nèi)參、光源的亮度、鏡頭的光圈和聚焦環(huán)得到對(duì)比度強(qiáng)的取像。相機(jī)標(biāo)定通過(guò)棋盤格標(biāo)定工具標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參，五點(diǎn)標(biāo)定工具建立圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系[5]。通過(guò)拖拽工具加腳本結(jié)合的方法，編寫檢測(cè)目標(biāo)物位置和角度的視覺(jué)程序。視覺(jué)定位技術(shù)方案如圖3所示。

圖3 視覺(jué)定位技術(shù)方案

3 相機(jī)標(biāo)定及視覺(jué)引導(dǎo)

圖4所示為世界坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系、機(jī)械手坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

圖4 視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)關(guān)系圖

3.1 相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定

由于相機(jī)和載具安裝存在人為誤差，造成相機(jī)和成像面切向畸變[5]。常用的定焦和變焦鏡頭呈魚眼狀，當(dāng)光線以不同的入射角進(jìn)入鏡片時(shí)產(chǎn)生徑向畸變。使用美國(guó)Cognex軟件公司開(kāi)發(fā)的視覺(jué)軟件VisionPro中的棋盤格標(biāo)定工具來(lái)標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參，校正切向和徑向畸變，校正結(jié)果如圖5所示。校正后的各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的RMS均方差約為0.090。

圖5 下相機(jī)棋盤格標(biāo)定結(jié)果

3.2 相機(jī)外參標(biāo)定

標(biāo)定相機(jī)外參采用五點(diǎn)標(biāo)定法，目的是將相機(jī)獲取到的圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系建立映射關(guān)系。實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)器人是四軸直角坐標(biāo)系機(jī)械手，由于單目相機(jī)不涉及Z軸方向的深度，于是在Visionpro軟件平臺(tái)上使用了一種簡(jiǎn)化的標(biāo)定方法，只需標(biāo)定出機(jī)器人的定位精度與運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)一次示教計(jì)算各位置的補(bǔ)償值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同放置產(chǎn)品的組裝。

由于每臺(tái)機(jī)器人的硬件特性不同，我們對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模組進(jìn)行了校正。使用CogCalibNPointToNPointTool，控制軸依次運(yùn)動(dòng)5個(gè)點(diǎn)，并依次運(yùn)行視覺(jué)程序抓取視野中的Mark點(diǎn)，將抓取到5個(gè)Mark點(diǎn)的坐標(biāo)同機(jī)械手的位置建立坐標(biāo)變換矩陣，其中上相機(jī)的標(biāo)定方向與模組的運(yùn)動(dòng)方向相反，下相機(jī)標(biāo)定是將吸嘴吸取方塊移動(dòng)到下相機(jī)視野中，獲取方塊的中心作為Mark點(diǎn)坐標(biāo)，依次走5個(gè)點(diǎn)并記錄各點(diǎn)坐標(biāo)。需要注意的是，下相機(jī)的標(biāo)定方向與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向相同。下相機(jī)的標(biāo)定時(shí)記錄的點(diǎn)位如表1所示，一共5組點(diǎn)位，其中未校正點(diǎn)坐標(biāo)是圖像坐標(biāo)點(diǎn)，已校正點(diǎn)坐標(biāo)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)位。下相機(jī)的標(biāo)定結(jié)果如圖6所示，通過(guò)校正相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，最后得到標(biāo)定文件的RMS均方誤差約為0.013。

圖6 下相機(jī)五點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果

表1 五點(diǎn)標(biāo)定的坐標(biāo)數(shù)據(jù)

4 裝配補(bǔ)償

裝配補(bǔ)償分為角度和位置補(bǔ)償，首先拍照獲取取塊工位的位置補(bǔ)償和組裝工位的角度和位置補(bǔ)償。吸取方塊到下相機(jī)拍照點(diǎn)，第一次拍照完成后進(jìn)行角度補(bǔ)償，補(bǔ)償完成后第二次拍照獲取位置補(bǔ)償。通過(guò)第二次拍照獲取的方塊位置補(bǔ)償，可以消除角度補(bǔ)償時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不在方塊中心引入的誤差。如圖7所示，通過(guò)第二次拍照獲取到的假設(shè)旋轉(zhuǎn)中心到實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心的垂直和水平分量與計(jì)算旋轉(zhuǎn)引入位姿差校正算法得到的垂直和水平分量相同。采用兩次拍照的方式可以消除吸取時(shí)定位中心同旋轉(zhuǎn)中心不在同一點(diǎn)所產(chǎn)生的誤差。

圖7 角度補(bǔ)償圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證視覺(jué)定位引導(dǎo)的有效性，以方塊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)使用和不使用下相機(jī)定位引導(dǎo)，嘗試不同位置和角度的組裝來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩種情況各進(jìn)行25輪裝配，總計(jì)200次裝配，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中序號(hào)1為不使用下相機(jī)的情況，序號(hào)2為使用下相機(jī)的情況。

不拘一格，大膽嘗試.—種、兩種、三種……，出現(xiàn)了許多教師未曾預(yù)設(shè)的連接方法，其中包括在區(qū)間(a,b) 內(nèi)有單一零點(diǎn)的函數(shù)圖象(單調(diào)或不單調(diào))，也有多個(gè)零點(diǎn)的函數(shù)圖象；有用線段連接的(如圖4，5等)，有用曲線段連接的(如圖6，7，8，9等)，還有因?yàn)闆](méi)有注意到條件要求而畫錯(cuò)的圖形(如圖7)，這有利于糾正部分學(xué)生對(duì)函數(shù)概念理解的偏差.教師用實(shí)物投影展示(限于篇幅，文中只給出以下幾種連接方法).

表2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，引入下相機(jī)定位可以提高產(chǎn)品的組裝準(zhǔn)確率。不使用下相機(jī)定位時(shí)，在補(bǔ)償角度過(guò)大的情況下會(huì)導(dǎo)致組裝時(shí)方塊碰撞到方框邊緣，造成錯(cuò)誤組裝。在使用下相機(jī)進(jìn)行定位引導(dǎo)時(shí)，由于引入二次定位使得組裝的準(zhǔn)確率得到提升。

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種依靠視覺(jué)定位引導(dǎo)的自動(dòng)組裝系統(tǒng)，其中軟件部分通過(guò)C#和VisionPro視覺(jué)軟件聯(lián)合編程，硬件部分通過(guò)以太網(wǎng)與工控機(jī)通信控制PLC進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)在X方向視野為60 mm的情況下，單相素定位精度達(dá)到0.048 mm/Pixel的定位精度，在Y方向上視野為40 mm的情況下，單相素定位精度達(dá)到0.039 mm/Pixel的定位精度。為滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用4個(gè)像素寬度表示0.048 mm，則視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度能達(dá)到0.192 mm，滿足方塊組裝的精度要求。