基于視覺定位的機器人搬運系統(tǒng)

李金義，楊 成，王 京，王 霆，呂世霞

（1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)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(dǎo)與定位技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)機器人獲得環(huán)境信息的主要手段，它可以實現(xiàn)工業(yè)機器人在實際應(yīng)用中的自主判斷能力，使機器人應(yīng)用的靈活性和工作質(zhì)量大大提高。隨著機器人技術(shù)在沖壓自動化生產(chǎn)當(dāng)中的普及應(yīng)用，機器視覺系統(tǒng)這一新興技術(shù)也進(jìn)入到日常的生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)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(tǒng)機器人就是采用了此技術(shù)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(tǒng)有了更為深刻的認(rèn)識與了解，本文將針對機器視覺系統(tǒng)在汽車制造廠萬家頓自動線上的應(yīng)用做一些簡單的講解。

1 系統(tǒng)組成介紹

圖1 基于視覺定位的機器人搬運系統(tǒng)組成

如圖1所示，基于視覺定位的機器人搬運系統(tǒng)由機器人、攝像頭1、攝像頭2、VMT圖像系統(tǒng)、搬運系統(tǒng)、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(tǒng)由攝像頭1、攝像頭2和德國VMT公司圖像處理系統(tǒng)組成，其與機器人結(jié)合形成機器人視覺系統(tǒng)，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(zhǔn)確抓取工件的規(guī)定部位。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)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(xù)壓力機提供適合生產(chǎn)的單張沖壓板。在自動生產(chǎn)形式下，料垛小車裝載完成后自動駛?cè)肷a(chǎn)區(qū)域?？?、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(jìn)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(jīng)過清洗機、涂油機后達(dá)到 皮帶機2的位置。VMT攝像系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)沖壓板位置對比后將偏差值換算成機器人系統(tǒng)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(xù)自動化生產(chǎn)。由于設(shè)備設(shè)計所致機器人在沖壓板抓取后必須水平旋轉(zhuǎn)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(tǒng)工作流程

3 被搬運工件定位過程介紹

1） VMT攝像系統(tǒng)配置

VMT攝像系統(tǒng)的系統(tǒng)配置表1所示，系統(tǒng)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(yù)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(tǒng)配置表

2）VMT攝像系統(tǒng)的工作原理

VMT攝像系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)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(tǒng)的工作過程，照明光源發(fā)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(jìn)行處理，將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，之后進(jìn)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(tǒng)的基本原理，它就是把要搜索的對象的圖像在當(dāng)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(jìn)行到最遠(yuǎn)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(biāo)記點然后將其周圍一定區(qū)域定義為搜索區(qū)域。然后，在定義好的搜索區(qū)域內(nèi)將標(biāo)記點定義為參考點。最后，程序在運行過程中會將設(shè)定的標(biāo)記點與實際拍攝下來的圖片進(jìn)行匹配，當(dāng)標(biāo)記點重合數(shù)最大時完成圖像匹配。

3）在萬家頓自動線上的VMT攝像系統(tǒng)的編程

圖4 視覺系統(tǒng)模板匹配原理

圖5 軟件設(shè)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(jìn)入到任務(wù)管理畫面進(jìn)行。由于在萬家頓自動線上的VMT攝像系統(tǒng)是有2個攝像頭組成。分別對每個攝像頭中的圖片進(jìn)行進(jìn)行編輯。一般情況下，我們都會針對每個攝像頭中的圖片設(shè)定2至4個標(biāo)記點用于沖壓板時別。也就是整個攝像系統(tǒng)對于單件來說一般我們設(shè)定4個標(biāo)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(shè)定6 8個標(biāo)記點。標(biāo)記點越多用于檢測的時間越長，所以在能保證檢測準(zhǔn)確的前提下我們盡可能降低標(biāo)記點的個數(shù)。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(biāo)記點進(jìn)行編輯。編輯的內(nèi)容包括檢索范圍、對比度、對比標(biāo)記點個數(shù)等然后進(jìn)行檢測計算出每次檢測出標(biāo)記點的概率。一般來說這個概率必須達(dá)到或者非常接近100%才能保證在日常生產(chǎn)過程中不會因為VMT攝像系統(tǒng)出現(xiàn)故障而引起停機。這之后我們將這些編輯好的標(biāo)記點集合在檢測任務(wù)當(dāng)中。在每次進(jìn)行不同零件生產(chǎn)的時候計算機自動調(diào)用不同零件所針對的檢測任務(wù)。然后，我們做帶標(biāo)記點參考標(biāo)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(jìn)行持續(xù)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(jìn)行修改、優(yōu)化，最終投入生產(chǎn)運行。

在進(jìn)行生產(chǎn)當(dāng)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(tǒng)，選擇相應(yīng)的監(jiān)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(tǒng)進(jìn)行測量

3）所有攝像頭進(jìn)行圖像采集

4）標(biāo)記點識別

5）利用在圖像中找到的標(biāo)記點位置和攝像頭的標(biāo)定結(jié)果，計算當(dāng)前沖壓板的準(zhǔn)確位置

6）計算當(dāng)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(jié)論

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

[1] 劉文波, 陳白寧. 段智敏工業(yè)機器人[M]. 東北大學(xué)出版社, 2007.

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

[3] 賈云得. 機器視覺第一版[M]. 科學(xué)出版社, 2000.