視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化上的應(yīng)用

“中國制造2025”中明確要大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，其全球產(chǎn)值預(yù)期可達(dá)4.5萬億美元，其中三分之一可以在工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域使用智能機(jī)器人承擔(dān)7500萬個(gè)全職工人的工作，但是工業(yè)機(jī)器人自從誕生以來，就一直在按照工程師編寫的既定程序軌跡重復(fù)精確的執(zhí)行預(yù)定的工作，稍有偏差，機(jī)器人就報(bào)錯(cuò)怠工，未來的工業(yè)智能機(jī)器人需要更多的人機(jī)交互智能感知的功能，尤其迫切的需要給機(jī)器人裝上“眼睛”,視覺系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣。

1  視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

視覺系統(tǒng)就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷，通過將目標(biāo)進(jìn)行攝像拍照獲取圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化信號進(jìn)行運(yùn)算獲取目標(biāo)的特征，根據(jù)邏輯判斷的結(jié)果來控制現(xiàn)場機(jī)器設(shè)備的動(dòng)作，進(jìn)行各種裝配或者檢測報(bào)警缺陷產(chǎn)品.

視覺系統(tǒng)的主要構(gòu)成，一般分為五大塊，照明/鏡頭/相機(jī)/圖像采集卡/視覺處理器，其中拍照攝像設(shè)備或圖像傳感器，視頻信號數(shù)字化設(shè)備，視頻信號處理器在應(yīng)用上不斷推陳出新，技術(shù)上從2D到3D不斷進(jìn)步.

2  視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，從功能上分，主要是檢測，測量，定位，跟蹤，引導(dǎo)。在實(shí)際工廠應(yīng)用上可以分為檢查防錯(cuò)，測量分析，視覺跟蹤，引導(dǎo)抓取件,精確裝配等.

要實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)工裝，要明確兩個(gè)定義，并在系統(tǒng)中構(gòu)建測量和定位的設(shè)備。

（1）測量：針對特征點(diǎn)而言，測量結(jié)果為特征點(diǎn)在測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（x, y, z）； 

在實(shí)際應(yīng)用中，測量包含2D測量（只測量特征點(diǎn)的x,y坐標(biāo)）和3D測量（測量特征點(diǎn)的x,y,z坐標(biāo)），

通過拍照獲取目標(biāo)物體特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，在坐標(biāo)系上確認(rèn)。

（2）定位：針對目標(biāo)物體而言，定位結(jié)果為目標(biāo)物體相對于參考坐標(biāo)系的姿態(tài)（x, y, z, Ra, Rb, Rc）；定位包含2D定位（定位目標(biāo)物體在參考坐標(biāo)系x,y方向上的移動(dòng)和繞z方向的旋轉(zhuǎn)），2.5D定位（定位目標(biāo)物體在參考坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和繞z方向的旋轉(zhuǎn)），3D定位（定位目標(biāo)物體在參考坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)）。

工位上的目標(biāo)物體的姿態(tài)定位是基于物體上特征點(diǎn)的坐標(biāo)測量結(jié)果計(jì)算得到的，表1分別描述了測量定位的方法和使用設(shè)備及應(yīng)用場景。

單相機(jī)單視角測量   

2.5D定位 　 功能: 基于輪廓識別與輪廓匹配識別零件在相機(jī)坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)量和繞z方向的旋轉(zhuǎn)； 

原理: 單目2D測量； 

堆垛，傳送帶取件 

單相機(jī)單視角測量          3D定位 　 功能: 基于特征識別并結(jié)合特征之間位置關(guān)系，識別零件在相機(jī)坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)； 

前地板/后地板引導(dǎo)取件。 

多相機(jī)多視角測量        3D定位 　 功能: 基于特征識別并結(jié)合特征之間位置關(guān)系，識別零件在相機(jī)坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)； 

原理: 多相機(jī)關(guān)系標(biāo)定+單目3D姿態(tài)測量； 

四門取件，側(cè)圍外板引導(dǎo)取件。 

結(jié)構(gòu)光測量  3D定位 　 功能: 基于多個(gè)基準(zhǔn)特征的3D測量結(jié)果，識別零件在參考坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)； 

原理: 結(jié)構(gòu)光3D測量+321定位原理； 

頂蓋自動(dòng)安裝，四門自動(dòng)安裝。 

雙目測量    3D定位 　 功能:基于多個(gè)基準(zhǔn)特征的3D測量結(jié)果，識別零件在參考坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)； 

原理: 雙目3D測量+321定位原理； 

滾邊引導(dǎo)。 

表1  目標(biāo)物體姿態(tài)定位 

基于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，目前能快速應(yīng)用的主要是視覺引導(dǎo)裝配和視覺防錯(cuò)測量的，本文主要著重于視覺引導(dǎo)裝配應(yīng)用的研究。

3  視覺裝配引導(dǎo)的應(yīng)用 

視覺引導(dǎo)上件概念：視覺引導(dǎo)上件技術(shù)結(jié)合了視覺檢測技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，為機(jī)器人安裝“眼睛”，突破機(jī)器人只能單純地重復(fù)示教軌跡的限制，使其能根據(jù)被操作工件的位置變化實(shí)時(shí)調(diào)整其工作軌跡，準(zhǔn)確抓取工件，直接提升整個(gè)車身制造過程的自動(dòng)化效率。

目前絕大部分國內(nèi)汽車廠上料主要采用人工上件，合資汽車廠開始嘗試大量采用視覺引導(dǎo)上件，提高自動(dòng)化程度，減少人工的使用。

人工上件過程1：人工上件到轉(zhuǎn)臺工裝，夾具夾緊后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)180°將四門內(nèi)板轉(zhuǎn)至機(jī)器人側(cè)進(jìn)行焊接。

人工上件過程2：人工上件到固定精定位工裝上，然后機(jī)器人在工裝上抓件

以上人工上件的工藝，始終需要有操作工人配合機(jī)器人，一件一件的給機(jī)器人提供物料，而采用視覺抓件后，操作工可以取消，物流人員直接將產(chǎn)品物料框放到工位指定位置，機(jī)器人直接可以直接取件，在物料框零件數(shù)量不足時(shí)，提醒更換新的滿件物料框.

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，利用相機(jī)拍照，結(jié)合零件自身的三維信息，實(shí)現(xiàn)零件相對于初始狀態(tài)的6自由度（3方向位置及3方向旋轉(zhuǎn)角度）精確定位。3D引導(dǎo)，x, y, z位置偏移及角度偏轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)緊湊，傳感器體積??；移動(dòng)式/固定式，安裝于機(jī)器人6軸或通過固定支架安裝，其主要應(yīng)用模式分為兩種，其一是，拍照式視覺引導(dǎo)流程： 

1.測距儀安裝在機(jī)器人抓手上，機(jī)器人與測距儀通過讀數(shù)模塊相連，實(shí)時(shí)讀取距離值。視覺引導(dǎo)系統(tǒng)與機(jī)器通過現(xiàn)場總線相連。 

2.物料框引導(dǎo)取件流程： 

3.機(jī)器人從等待位置運(yùn)動(dòng)至物料框前方某一固定位置； 

4.機(jī)器人沿物料框放件方向直線運(yùn)動(dòng)（目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在料箱最后一個(gè)零件后方），同時(shí)機(jī)器人實(shí)時(shí)讀取測距儀數(shù)值，即料箱中最前面零件的位置； 

5.當(dāng)機(jī)器人讀出距離值為1m（機(jī)器人程序設(shè)置）時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度降低至50%； 

6.當(dāng)機(jī)器人讀出距離值為0.8m（機(jī)器人程序設(shè)置）時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度降低至20%；

7.當(dāng)機(jī)器人讀出距離值為0.65m（機(jī)器人程序設(shè)置）時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)停止；

8.視覺系統(tǒng)控制相機(jī)對零件拍照； 

9.視覺系統(tǒng)計(jì)算零件偏差； 

10.機(jī)器人根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正取件軌跡； 

11.機(jī)器人按修正后的軌跡進(jìn)行取件。 

技術(shù)特點(diǎn)：機(jī)器人通過模塊實(shí)時(shí)讀取測距儀數(shù)值，即可實(shí)時(shí)感知零件位置，又可控制機(jī)器人前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度；簡化機(jī)器人程序。

 拍照式視覺引導(dǎo)簡單，但對于精密裝配要求不能滿足尺寸要求，需要更激光3D視覺系統(tǒng)解決。即實(shí)現(xiàn)零部件最佳匹配安裝視覺引導(dǎo)解決方案。

利用3D激光傳感器測量零件特征，實(shí)時(shí)構(gòu)建零件坐標(biāo)系，精確定位待裝配零件及車身相對于初始狀態(tài)的6自由度偏差（3方向位置及3方向旋轉(zhuǎn)角度）。同時(shí)考慮被裝配件與車體的偏差，3D引導(dǎo)，x, y, z位置偏移及角度偏轉(zhuǎn)；移動(dòng)式/固定式，安裝于機(jī)器人6軸或通過固定支架安裝

激光測量式3D定位技術(shù) 

利用多個(gè)（至少3個(gè)）激光傳感器測量零件特征3D坐標(biāo)，根據(jù)特征測量結(jié)果構(gòu)建零件坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)零件在參考坐標(biāo)系下的3D定位（在參考坐標(biāo)系x,y,z方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)）。

?利用激光傳感器測量至少3個(gè)基準(zhǔn)特征的3D坐標(biāo)，根據(jù)測量結(jié)果和3-2-1定位原則重建零件坐標(biāo)系； 

?為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人引導(dǎo)，需要對比實(shí)際零件坐標(biāo)系和理論位置（示教位置），因此要求實(shí)際零件相對于示教零件的變形量盡可能??； 

?可實(shí)現(xiàn)零件的3D定位，允許零件x/y/z三方向±25mm位置偏差； 

?主要用于機(jī)器人四門兩蓋、頂蓋最佳匹配安裝。 

?車身頂蓋自動(dòng)引導(dǎo)裝載系統(tǒng)中 

?目標(biāo)姿態(tài)定位方法： 

?4點(diǎn)確定Z平面 

?4點(diǎn)的中點(diǎn)確定Y方向 

?2點(diǎn)的中點(diǎn)確定X位置

車身頂蓋引導(dǎo)裝配測量流程： 

（1）車身進(jìn)入工位后，傳感器檢測車身位置及車頂開檔； 

（2）抓手抓取頂蓋后，裝配前，傳感器檢測頂蓋位置狀態(tài)； 

（3）根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出車頂需要糾正的偏差，實(shí)現(xiàn)精確裝載； 

（4）放置后，傳感器檢測頂蓋和車身匹配狀態(tài)； 

（5）如果位置偏差較大，需重新引導(dǎo)機(jī)器人二次精確裝載。 

4  視覺裝配引導(dǎo)的應(yīng)用心得 

對比兩種視覺引導(dǎo)的技術(shù)特點(diǎn)，在表2中進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，方便在實(shí)際應(yīng)用選擇.

相機(jī)拍照式3D引導(dǎo) 激光測量式3D引導(dǎo)

特征測量 2D測量，獲取每個(gè)特征的2D圖像坐標(biāo) 3D測量，測量每個(gè)特征的3D坐標(biāo)

測量方法 相機(jī)拍照，特征匹配 激光三角法測量

引導(dǎo)結(jié)果 3D引導(dǎo)，根據(jù)特征的2D圖像坐標(biāo)和特征之間的相對位置關(guān)系，獲取零件在參考坐標(biāo)系下的3D姿態(tài) 3D引導(dǎo)，根據(jù)特征的3D測量結(jié)果和3-2-1定位原則，獲取零件在參考坐標(biāo)系下的姿態(tài)

系統(tǒng)容差范圍 容差范圍大，x/y/z方向位置偏差可達(dá)0mm，角度偏差可達(dá)±5° 容差范圍相對更小，x/y/z方向位置偏差可達(dá)±25mm，角度偏差較小

傳感器數(shù)量 最少1個(gè)，大型零件3個(gè)左右 最少3個(gè)，大型零件6個(gè)左右 

傳感器特點(diǎn) 傳感器尺寸小（ISV傳感器光源一體式結(jié)構(gòu)） 單個(gè)傳感器尺寸較大（工作距越大尺寸越大）

傳感器景深大（傳感器景深500~1000mm） 傳感器景深?。ň吧钔ǔ?50mm左右）

測量特征 孔（圓孔/方孔/異型孔），角點(diǎn) 孔（圓孔/方孔/異型孔），棱邊，面點(diǎn)

零件變形影響 3D定位利用了零件上特征之間的相對位置關(guān)系，因此要求零件變形盡可能小。 3D引導(dǎo)需要將實(shí)際零件的零件坐標(biāo)系與理論零件（示教零件）進(jìn)行對比，因此要求零件變形盡可能小。

應(yīng)用范圍 料箱自動(dòng)上下件，EMS自動(dòng)下件，，整車車身定位 四門兩蓋最佳匹配安裝，車頂自動(dòng)裝載，沖孔引導(dǎo)，焊接引導(dǎo)，整車車身定位

核心優(yōu)勢 系統(tǒng)容差范圍大； 可以實(shí)現(xiàn)表面沒有孔特征零件的引導(dǎo)； 

對于沖壓件定位精度高。 可以實(shí)現(xiàn)外覆蓋件最佳匹配安裝。

表2  引導(dǎo)方式對比表

在工廠實(shí)踐視覺引導(dǎo)應(yīng)用以來，綜合考慮人工成本，設(shè)備生命周期成本等因素，采用視覺引導(dǎo)帶來的實(shí)際效益在門蓋工位就能實(shí)現(xiàn)三年節(jié)約70多萬元，值得在更多領(lǐng)域推廣使用，另外激光3D引導(dǎo)能夠更柔性的滿足裝配最佳匹配的要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。隨著生產(chǎn)線更多元化的要求，視覺系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用將越來越廣越來越深入。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://xwlcp.cn/w/qk/21223.html