基于3D視覺的動(dòng)車組車窗機(jī)器人玻璃安裝與涂膠系統(tǒng)

魏京利，齊立哲，孫篤玲

（1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.廊坊智通機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，河北 廊坊 065001）

動(dòng)車組側(cè)窗玻璃的密封性能是衡量動(dòng)車車輛質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，玻璃安裝及涂膠過程是動(dòng)車組裝很重要的一個(gè)環(huán)節(jié).目前主要由人工完成，人工在此過程的作業(yè)存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，特別是隨著高鐵事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)車輛的需求越來越大，人工作業(yè)的問題越來越突出.在這種背景下，開發(fā)自動(dòng)化的側(cè)窗玻璃安裝及涂膠設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

很多學(xué)者及單位在汽車玻璃自動(dòng)化安裝與涂膠方面進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了相關(guān)系統(tǒng)，劉穎等人［1］根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐及理論介紹了幾種玻璃涂膠機(jī)器人工作站或生產(chǎn)線的總體布局方案并進(jìn)行分析比較；任令章［2］采用2D視覺系統(tǒng)，解決了機(jī)器人無夾具定位手爪對(duì)各種型號(hào)車頂?shù)奈恢枚ㄎ?、搬運(yùn)和涂膠的要求；唐德威等人［3］對(duì)涂膠機(jī)器人智能系統(tǒng)的視覺部分進(jìn)行了應(yīng)用研究，系統(tǒng)引入了模式識(shí)別、基于圖像的NC代碼生成、膠線表面質(zhì)量檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)；郗安民等人［4］設(shè)計(jì)了汽車前后擋風(fēng)玻璃機(jī)器人涂膠工作站；黃繼偉［5］介紹了一種用于汽車車身的涂膠工作站；于國(guó)輝［6］介紹了機(jī)器人涂膠示教過程中存在的幾個(gè)常見難題，對(duì)其進(jìn)行了分析并給出了處理方法.

本文介紹了一種針對(duì)高速動(dòng)車組車窗自動(dòng)化玻璃安裝與涂膠的機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含機(jī)器人系統(tǒng)、三維視覺定位系統(tǒng)、玻璃吸盤及涂膠系統(tǒng).采用三維視覺定位技術(shù)，使系統(tǒng)無需設(shè)計(jì)機(jī)械定位裝置，就能夠保證機(jī)器人正確抓取玻璃并能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)玻璃安裝及涂膠過程；設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性；采用此系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)效率、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度及保證生產(chǎn)質(zhì)量.

1 動(dòng)車組車窗機(jī)器人玻璃安裝與涂膠系統(tǒng)

如圖1所示，此機(jī)器人涂膠系統(tǒng)主要包括機(jī)器人及其控制器、機(jī)器人導(dǎo)軌、涂膠系統(tǒng)、玻璃上下料臺(tái)及中轉(zhuǎn)臺(tái)及3D視覺系統(tǒng)等，其中3D視覺系統(tǒng)采用廊坊智通機(jī)器人系統(tǒng)有限公司開發(fā)的機(jī)器人三維激光掃描系統(tǒng).

圖1 系統(tǒng)仿真布局圖

2 玻璃及車窗定位方案

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車窗玻璃自動(dòng)安裝及涂膠過程，需要對(duì)玻璃和車窗進(jìn)行定位.下面詳細(xì)介紹機(jī)器人3D視覺系統(tǒng)測(cè)量原理及玻璃和車窗的定位過程.

2.1 視覺系統(tǒng)測(cè)量原理

機(jī)器人視覺測(cè)量系統(tǒng)包括機(jī)器人、掃描儀及被掃描物體，此系統(tǒng)有幾個(gè)重要的坐標(biāo)系，如圖2所示.

Base:機(jī)器人基坐標(biāo)系，是整個(gè)系統(tǒng)的固定不變的參考坐標(biāo)系.

圖2 視覺系統(tǒng)測(cè)量原理圖

Tool0:法蘭盤坐標(biāo)系，是固定在機(jī)器人末端，隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而變化的坐標(biāo)系.

Scanner:掃描儀坐標(biāo)系，是三維掃描儀固有的一個(gè)坐標(biāo)系.

其中Tool0與Base之間的轉(zhuǎn)換矩陣通過機(jī)器人內(nèi)部參數(shù)已知；Scanner與Tool0之間的轉(zhuǎn)換矩陣通過標(biāo)定也已知，這樣空間中物體上的某一點(diǎn)m的空間坐標(biāo)可通過下式得到:

其中:BasePm為被掃描點(diǎn)在世界坐標(biāo)下的坐標(biāo)，BaseTTool0為機(jī)器人末端位姿，Tool0TScanner為三維掃描儀坐標(biāo)系與法蘭盤坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，ScannerPm為被掃描點(diǎn)在三維掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo).

通過機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，便可以獲得空間中多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而重構(gòu)出物體的三維模型.

2.2 機(jī)器人定位過程

玻璃及車窗機(jī)器人定位過程具體如下:

（1）通過機(jī)器人視覺掃描系統(tǒng)測(cè)量出工件的三維模型；

（2）采用ICP算法［7］，對(duì)前掃描點(diǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云進(jìn)行匹配，獲得玻璃在空間內(nèi)的位姿變化量ΔT；

（3）根據(jù)計(jì)算出的玻璃在空間內(nèi)的位姿變化量，調(diào)整機(jī)器人位姿，實(shí)現(xiàn)玻璃的定位過程:機(jī)器人一般會(huì)有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，如MoveLP，speedX，z1，ToolX＼WObj:＝wobjX），執(zhí)行此指令，機(jī)器人會(huì)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位姿P（這里為機(jī)器人抓玻璃的點(diǎn)，一般預(yù)先示教）.當(dāng)玻璃位姿發(fā)生變化時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行此指令時(shí)就不能正確抓玻璃、安裝玻璃及涂膠了，需要通過下式對(duì)目標(biāo)位姿進(jìn)行校準(zhǔn):

其中P為預(yù)先示教的機(jī)器人抓取玻璃的位姿點(diǎn)，P′為計(jì)算出來的新的機(jī)器人抓玻璃的位姿點(diǎn).

通過上述過程，即使玻璃或者車窗位置發(fā)生變化，機(jī)器人也能正確抓取玻璃并安裝到車窗上去及實(shí)現(xiàn)涂膠過程.

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖3所示.機(jī)器人采用ABB6620型機(jī)器人，它專為汽車工業(yè)客戶度身定制，除ABB標(biāo)志性的防碰撞、低維修成本之外，增添了緊湊性、敏捷性等多種特色；三維掃描儀采用廊坊智通機(jī)器人系統(tǒng)有限公司的三維激光掃描儀.

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

3.2 實(shí)驗(yàn)過程介紹

（1）示教一個(gè)機(jī)器人抓玻璃的初始位置，如圖4所示.

圖4 機(jī)器人抓玻璃初始位置

（2）人為改變玻璃支架位置，此時(shí)如果還按機(jī)器人原來程序執(zhí)行，機(jī)器人抓玻璃的位置會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示.由于玻璃位置發(fā)生了變化，如果直接抓取玻璃，后面就不能正確將玻璃安裝到車窗上去.

（3）玻璃掃描、定位:經(jīng)過機(jī)器人三維激光掃描儀，對(duì)玻璃進(jìn)行掃描后，自動(dòng)找到玻璃移動(dòng)后的位置，玻璃掃描過程、掃描結(jié)果及定位過程如圖6、7所示.

（4）更新機(jī)器人程序，重新執(zhí)行機(jī)器人程序，機(jī)器人抓取玻璃的位置又恢復(fù)到了初始示教的位置，如圖8所示.

圖5 機(jī)器人抓玻璃位置變化比較圖

圖6 玻璃掃描過程

圖7 掃描結(jié)果及定位過程

圖8 機(jī)器人校準(zhǔn)后的抓玻璃位置

圖9 機(jī)器人玻璃安裝及涂膠過程

（5）程序更新后的玻璃安裝及涂膠過程如圖9所示.通過實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果可知，當(dāng)玻璃位置發(fā)生一定變化時(shí)，通過三維視覺系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行重新定位，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化玻璃安裝及涂膠過程提供了有力的技術(shù)保障；采用3D視覺系統(tǒng)可以對(duì)工件的空間定位誤差進(jìn)行測(cè)量，相比傳統(tǒng)2D視覺系統(tǒng)更具有通用性.

4 結(jié)束語

基于三維掃描視覺系統(tǒng)開發(fā)了具有定位功能的動(dòng)車組車窗安裝玻璃及涂膠機(jī)器人系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成、玻璃及車窗定位方案及實(shí)驗(yàn)過程，為動(dòng)車組車窗安裝玻璃及涂膠過程提出了一套自動(dòng)化應(yīng)用方案.此系統(tǒng)的開發(fā)成功，可以大大提高生產(chǎn)效率、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度及保證生產(chǎn)質(zhì)量.

［1］劉穎，郗安民，鄒靜，等.轎車擋風(fēng)玻璃涂膠機(jī)器人作業(yè)方案分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，18（1）:30－31.

［2］任令章.視覺系統(tǒng)在機(jī)器人車頂涂膠手爪上的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（4）:148－151.

［3］唐德威，宗德祥，鄧宗全，等.涂膠機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.機(jī)器人，2006，28（1）:1－4.

［4］郗安民，劉穎，狄春良，等.汽車玻璃涂膠機(jī)器人工作站［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004，17（5）:39－40.

［5］黃繼偉.機(jī)器人車身涂膠系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，2011（2）:51－56.

［6］于國(guó)輝.機(jī)器人涂膠示教系統(tǒng)難題的處理［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2010（6）:32－33.

［7］李必卿，蔡勇.一種改進(jìn)的ICP算法在多視配準(zhǔn)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2009（2）:73－75.