基于折彎?rùn)z索功能的車體空間位置信息的獲取方法

張海森， 王萌玨， 李廣偉

（上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，上海 201906）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車裝備的高自動(dòng)化、高柔性、高智能是整個(gè)汽車裝備制造業(yè)和汽車工業(yè)發(fā)展的方向。汽車風(fēng)擋玻璃的安裝是汽車總裝車間的一道重要工序，其安裝質(zhì)量直接影響到整車的密封性和安全性，是汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

在涂膠過(guò)程中，由于涂料對(duì)人體有損害，所以現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的汽車生產(chǎn)企業(yè)總裝車間中的玻璃涂膠工作站已基本采用機(jī)器人自動(dòng)化涂膠工藝［1］。而玻璃的安裝仍然是人工手工安裝或通過(guò)移載機(jī)構(gòu)半自動(dòng)安裝，尚未實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)擋玻璃安裝的自動(dòng)化。總裝車間玻璃涂膠安裝工位的工人工作強(qiáng)度仍然較大，同時(shí)安裝質(zhì)量及生產(chǎn)節(jié)拍也受到操作工人手動(dòng)裝配不一致及繁重作業(yè)的影響。

制約玻璃涂膠自動(dòng)化安裝在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主要原因是車體的空間定位問(wèn)題。風(fēng)擋玻璃的安裝精度一般要求±0.5mm［2－3］；由于總裝車間輸送線的定位精度普遍不高，因此只能通過(guò)車身定位誤差檢測(cè)系統(tǒng)和相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃的精確安裝。本案例利用視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)3D激光傳感器對(duì)車體窗框的邊緣進(jìn)行檢測(cè)定位，并計(jì)算出車體在總裝線上的位置偏差，為后續(xù)機(jī)器人自動(dòng)安裝玻璃的解決方案作了初步的可行性探索。

1 折彎?rùn)z索功能概述

圖1說(shuō)明了折彎?rùn)z索功能的基本工作原理。圖1（a）通過(guò)三維激光視覺(jué)傳感器對(duì)工件表面進(jìn)行拍照取像，激光條紋在工件表面形成反射條紋；圖1（b）為激光條紋在工件表面形成的反射條紋的二值化圖像，其中的箭頭方向與圖1（a）的箭頭方向相一致［4］。

當(dāng)實(shí)際檢測(cè)工件的表面高度方向發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的激光二值化圖像結(jié)果會(huì)在高度變化的位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，根據(jù)二值化圖像特征的選取即可對(duì)相應(yīng)的位置進(jìn)行定位。

圖1 折彎?rùn)z索功能原理

2 取像位置分析

本試驗(yàn)是以FANUC R2000iB－210F機(jī)器人為本體，將視覺(jué)傳感器FANUC iRvision安裝在機(jī)器人R2000iB－210F的J6法蘭盤(pán)上，對(duì)車體工件進(jìn)行定位試驗(yàn)。對(duì)相機(jī)進(jìn)行了手眼標(biāo)定［5］。完成相關(guān)的標(biāo)定工作后，對(duì)取像的位置和角度進(jìn)行了分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，不同的取像角度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，故分別在不同的4個(gè)取像位置對(duì)取像的結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算提取，并通過(guò)機(jī)器人運(yùn)行到計(jì)算指定位置加以確認(rèn)。

2.1 取像結(jié)果

相機(jī)垂直工件表面取像，激光條紋和窗框邊界垂直，取像結(jié)果如圖2所示。

圖2 相機(jī)垂直工件表面取像結(jié)果1

相機(jī)垂直工件表面取像，激光條紋和窗框邊界不垂直，取像結(jié)果如圖3所示。

圖3 相機(jī)垂直工件表面取像結(jié)果2

相機(jī)在工件內(nèi)側(cè)斜向上方取像，激光條紋和窗框邊界不垂直，取像結(jié)果如圖4所示。

圖4 相機(jī)在工件外側(cè)斜向上方取像結(jié)果3

相機(jī)在工件外側(cè)斜向上方取像，激光條紋和窗框邊界不垂直，取像結(jié)果如圖5所示。

圖5 相機(jī)在工件外側(cè)斜向上方取像結(jié)果4

2.2 結(jié)果分析

（1）當(dāng)激光條紋垂直于窗框邊界時(shí)，窗框水平面和垂直面的交界處的激光二值化圖像呈直角變化，特征明顯，定位精度較高；但是，當(dāng)車體位置發(fā)生變化或周圍光照環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，激光的二值化圖像毛刺較多，容易對(duì)取像結(jié)果造成干擾。

（2）當(dāng)激光條紋和窗框邊界不垂直時(shí)，激光條紋和工件邊界的接觸面積增加，窗框水平面和垂直面的交界處的激光二值化圖像呈圓角變化，此時(shí)選擇直線與圓弧段的交點(diǎn)作為特征點(diǎn)；當(dāng)車體位置發(fā)生變化或周圍光照環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，特征點(diǎn)的提取結(jié)果較為穩(wěn)定。

（3）當(dāng)相機(jī)在工件內(nèi)側(cè)或外側(cè)斜向上方取像時(shí)，激光二值化圖像成像效果不理想，無(wú)法穩(wěn)定地對(duì)窗框交界處進(jìn)行定位。

（4）加載后續(xù)偏差算法后，發(fā)現(xiàn)取像位置的不同對(duì)最終的定位精度也有影響，相機(jī)垂直工件表面拍攝時(shí)的計(jì)算結(jié)果在Z方向上的精度要高于其他的取像角度的計(jì)算結(jié)果。

3 偏差提取算法

3.1 拍攝順序

順時(shí)針沿窗框拍攝8個(gè)點(diǎn)，左右邊框各拍攝2個(gè)點(diǎn)，上方邊框拍攝4個(gè)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為了提高算法的定位精度，定位點(diǎn)A與B之間距離盡量拉長(zhǎng)，B點(diǎn)距離窗框上邊緣盡量短；G與H點(diǎn)的取像位置和A與B點(diǎn)的取像位置要求一致；定位點(diǎn)C與D之間的距離盡量拉長(zhǎng)，C點(diǎn)距離窗框左邊緣盡量短；E與F點(diǎn)的取像位置和C與D點(diǎn)的取像位置要求一致。原理如圖6所示。

圖6 窗框取像順序示意圖

3.2 算法原理

根據(jù)A與B點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出矢量AB，根據(jù)C與D點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出矢量CD；同理計(jì)算出矢量EF和矢量GH，原理如圖7所示。

圖7 窗框定位原理

3.3 窗框空間位置的確定

整個(gè)窗框空間位置的定位算法原理如圖8所示。P1點(diǎn)為矢量AB和矢量CD公垂線的中點(diǎn)，P2點(diǎn)為矢量EF和矢量GH公垂線的中點(diǎn)。由于在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，無(wú)法保證4個(gè)矢量的檢測(cè)結(jié)果在同一個(gè)平面內(nèi)，故采用了上述求公垂線中點(diǎn)的方法確定P1點(diǎn)和P2點(diǎn)。如果矢量AB和矢量CD在同一平面內(nèi)，則P1點(diǎn)即為兩個(gè)矢量的交點(diǎn)，如果矢量EF和矢量GH在同一平面內(nèi)，則P2點(diǎn)即為兩個(gè)矢量的交點(diǎn)。

得到P1點(diǎn)和P2點(diǎn)后，即可確定二者中點(diǎn)的空間位置點(diǎn)（Pmid）。將Pmid點(diǎn)作為窗框坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，設(shè)定Pmid到P2點(diǎn)為X′方向，將應(yīng)用坐標(biāo)系坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至Pmid點(diǎn)，將P2點(diǎn)在平移后的應(yīng)用坐標(biāo)系上作投影得到投影點(diǎn)P2，根據(jù)Pmid、P2、P2這3個(gè)點(diǎn)確定的平面，確定窗框坐標(biāo)系的Y′方向，即作一個(gè)通過(guò)Pmid點(diǎn)的向量使其垂直于Pmid、P2、P2這3點(diǎn)確定的平面。通過(guò)右手定則即可確定窗框坐標(biāo)系的Z方向。由此就可以得出窗框的參考位置。后續(xù)位置檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果得出的窗框位置和參考位置相比較，得到的偏差值即為機(jī)器人示教程序中的Offset值。

圖8 窗框空間位置定位算法原理圖

4 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述檢測(cè)步驟，對(duì)車體的位置進(jìn)行檢測(cè)。分別在3種不同情況下對(duì)車體窗框進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)以驗(yàn)證算法的檢測(cè)精度。3種情況包括：車體位置不動(dòng)、車體平動(dòng)、車體扭轉(zhuǎn)。

（1）車體位置不動(dòng)。此種情況是假定現(xiàn)場(chǎng)工裝定位精度很高，車體定位基本無(wú)偏差，通過(guò)重復(fù)檢測(cè)車體窗框的位置來(lái)檢驗(yàn)算法的重復(fù)定位精度，重復(fù)定位精度的高低直接反應(yīng)了算法的可靠性和準(zhǔn)確性。如果在車體位置不發(fā)生變化的情況下，算法的檢測(cè)精度都無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，則說(shuō)明此種檢測(cè)方法是無(wú)法使用的。檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 車體重復(fù)定位精度結(jié)果

結(jié)果說(shuō)明：針對(duì)算法的重復(fù)檢測(cè)精度的測(cè)量進(jìn)行了20次，其中藍(lán)色折線圖為X方向偏差檢測(cè)結(jié)果，紅色折線圖為Y方向偏差檢測(cè)結(jié)果，紅色折線圖為Z方向偏差檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)檢測(cè)出的偏差結(jié)果可見(jiàn)，在X、Y、Z方向上的重復(fù)檢測(cè)結(jié)果都在0.5mm以內(nèi)。

（2）車體平動(dòng)。此種情況是假定現(xiàn)場(chǎng)工裝定位精度一般，車體定位在X、Y、Z方向上有平移，通過(guò)檢測(cè)車體窗框的位置來(lái)檢驗(yàn)算法在此情況下的定位精度。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的車體較大，同時(shí)無(wú)法精確地對(duì)車體進(jìn)行平移，故試驗(yàn)中通過(guò)改變User frame（用戶坐標(biāo)系）的X、Y、Z方向上的坐標(biāo)值來(lái)模擬車體在相應(yīng)方向上發(fā)生的位置改變。檢測(cè)結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 X方向平移時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

圖11 Y方向平移時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

圖12 Z方向平移時(shí)的檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果說(shuō)明：車體在X、Y、Z方向出現(xiàn)1～6mm的偏差時(shí)，機(jī)器人可以在相應(yīng)的方向上檢測(cè)出偏差，同時(shí)另外2個(gè)方向的偏差較小，檢測(cè)的精度基本都在±0.5mm以內(nèi)。

（3）車體扭轉(zhuǎn)。車體在出現(xiàn)繞X、Y、Z軸線扭轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)車體窗框的位置來(lái)檢驗(yàn)算法在此種情況下的定位精度。由于在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法精確地確定車體在空間3個(gè)方向上到底出現(xiàn)了多少角度的旋轉(zhuǎn)變化，故只能給出一個(gè)大致的檢測(cè)精度。當(dāng)車體的左、右兩邊出現(xiàn)10mm以內(nèi)的高度偏差時(shí)，在Z方向上的視覺(jué)檢測(cè)精度誤差在1～2mm，X、Y方向上的視覺(jué)檢測(cè)精度范圍為1mm以內(nèi)；當(dāng)車體的左、右兩邊出現(xiàn)10～20mm的高度偏差時(shí)，在Z方向上的視覺(jué)檢測(cè)精度誤差在2～3mm，X、Y方向上的視覺(jué)檢測(cè)精度誤差小于1mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述的測(cè)試得出以下結(jié)論。

（1）視覺(jué)拍照的角度對(duì)最終的檢測(cè)結(jié)果及整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的穩(wěn)定性有較大的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相機(jī)垂直于工件表面，激光條紋和檢測(cè)邊框斜向交叉檢測(cè)的結(jié)果較為理想。

（2）車體在X、Y、Z方向上平動(dòng)時(shí)，視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果較為理想，3個(gè)方向上檢測(cè)的精度在0.5mm左右，最大不超過(guò)1mm。

（3）車體在出現(xiàn)繞X、Y、Z軸線扭轉(zhuǎn)時(shí)，視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果較差，尤其是Z方向上的檢測(cè)精度下降得較為厲害。

（4）如果現(xiàn)場(chǎng)車體的定位精度較高，只是在X、Y、Z方向上出現(xiàn)偏移時(shí)，此算法及檢測(cè)的方法基本上可以保證機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)車體窗框的準(zhǔn)確定位。如果現(xiàn)場(chǎng)車體的定位精度較差，尤其是在出現(xiàn)繞X、Y、Z軸線扭轉(zhuǎn)以及大角度的偏轉(zhuǎn)時(shí)，此算法及檢測(cè)的方法還無(wú)法達(dá)到實(shí)用的要求；如果是小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要通過(guò)機(jī)械手爪的配合來(lái)補(bǔ)償Z方向上的定位精度不高的問(wèn)題。

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