基于機器視覺的多規(guī)格緊固件自動組套系統(tǒng)研究

中國空間技術(shù)研究院總裝與環(huán)境工程部 潘尚潔 趙 璐 傅 浩

緊固件是一種提供結(jié)構(gòu)連接的機械產(chǎn)品，也稱為標(biāo)準(zhǔn)件。在航天器總裝領(lǐng)域，緊固件通常指螺釘、彈墊、平墊等幾大類。緊固件是航天器總裝領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的零件之一，占到航天器全部物料數(shù)量的50%以上。總裝過程中，緊固件的使用模式分為單類使用和多類組套使用兩種模式，其中組套使用是指將彈墊、平墊分別套裝到螺釘上作為一個組套進(jìn)行使用。

由于航天器總裝過程中使用的緊固件具有尺寸小、規(guī)格多等特點，傳統(tǒng)的緊固件管理涉及到的各個環(huán)節(jié)，包括規(guī)格核實、計數(shù)、組套等均由庫房管理人員手工完成。然而，傳統(tǒng)的工作模式存在以下不足：

（1）工作效率低。緊固件尺寸小、規(guī)格多、易重疊、難抓取，操作效率低。同時，緊固件出庫頻繁，重復(fù)作業(yè)進(jìn)一步影響操作效率；

（2）規(guī)格、數(shù)量控制存在風(fēng)險。緊固件單次出庫數(shù)量大、規(guī)格多。庫房管理人員需要同步核實數(shù)量和規(guī)格，存在管理風(fēng)險；

（3）對總裝實施主線支持不足。衛(wèi)星總裝過程中，緊固件一般需要組套使用，即將螺釘、彈墊、平墊作為一組操作對象使用。組套操作繁瑣耗時，庫房管理人員多將此項工作轉(zhuǎn)移至型號總裝人員，從而占用了型號總裝主線時間。

針對傳統(tǒng)緊固件管理中存在的不足，本文提出并搭建緊固件自動組套系統(tǒng)以取代手工作業(yè)完成緊固件規(guī)格核實、計數(shù)、組套等操作。

緊固件自動組套系統(tǒng)主要由檢測定位子系統(tǒng)、抓取執(zhí)行子系統(tǒng)及中心控制子系統(tǒng)3部分組成。其中，中心控制子系統(tǒng)基于PLC控制器進(jìn)行設(shè)計，完成各個子系統(tǒng)的指令傳遞及協(xié)作控制。檢測定位子系統(tǒng)采用機器視覺技術(shù)，利用CCD設(shè)備對待抓取緊固件信息進(jìn)行實時采集，并利用圖像預(yù)處理及模板匹配技術(shù)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)格核實及定位。抓取執(zhí)行子系統(tǒng)以六自由度機械臂為基礎(chǔ)，針對緊固件類型設(shè)計了可伸縮電動夾持機構(gòu)，可以同時滿足螺釘、彈墊、平墊等緊固件的抓取。

1 緊固件檢測及定位

1.1 檢測及定位流程

檢測及定位技術(shù)是緊固件自動組套系統(tǒng)的核心，決定了緊固件抓取的準(zhǔn)確性。待抓取緊固件按類型被分別放置在同一個料盒的不同分區(qū)。自動組套系統(tǒng)在每一次抓取操作前利用CCD設(shè)備對當(dāng)前待抓取分區(qū)的緊固件位置信息進(jìn)行采集。

CCD設(shè)備采集到的原始圖像為灰度圖像。在獲取緊固件圖像信息后，對圖像進(jìn)行濾波、二值化、填充等處理，并最終獲取可抓取緊固件的位置信息。通過圖像處理最終可獲得兩方面信息：第一，識別放置在料盒中的緊固件的輪廓外形，進(jìn)而獲得其準(zhǔn)確的位置信息；第二，識別可抓取的緊固件，通過分析圖像的輪廓外形過濾掉重疊的緊固件，進(jìn)而確定本次操作抓取對象。檢測及定位算法處理流程如圖1所示。

圖1 檢測及定位流程Fig.1 Process of detection and location

1.2 圖像濾波及二值化

采集到的原始灰度圖像中會存在一定的噪聲。噪聲主要源于兩個方面：一方面，在圖像采集過程中，受到光照不均勻、采集設(shè)備長期工作后溫度過高等因素影響產(chǎn)生的噪聲；另一方面，在圖像傳輸過程中，受到外部電磁干擾等影響產(chǎn)生的噪聲。布滿噪聲的圖像清晰度降低，甚至?xí)?dǎo)致失真，難以辨認(rèn)[1]。因此，去除噪聲是圖像處理的首要任務(wù)。

中值濾波法是一種基于排序統(tǒng)計理論的圖像過濾算法，能夠在衰減隨機噪聲的同時不使邊界模糊，較好地保護(hù)原始信號[2]。中值濾波的基本原理：一個含有奇數(shù)像素的滑動窗口，該窗口一般包含奇數(shù)個點，將窗口中各點灰度值的中值來替代窗口中心點的灰度值。設(shè)選取窗口的長度為m（m為奇數(shù)）， fi為窗口的中間像素點的值，濾波輸出結(jié)果為yi：

在二維方向開展中值濾波，其輸出yi為：

yi=Med{ fij} 。

系統(tǒng)采用方形濾波窗口開展二維中值濾波，中值濾波處理后的圖像，大量的噪聲被去除。為了進(jìn)一步簡化處理的數(shù)據(jù)量，需要對灰度圖像進(jìn)行二值化處理。利用直方圖確定圖像的全局閾值T，將圖像上的每一個像素點f(x,y)與閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而獲得二值化后的像素值g(x,y)：

二值化處理后圖像的數(shù)據(jù)量大幅簡化，目標(biāo)特征更加突出，緊固件邊緣輪廓清晰。

1.3 掃描線填充處理

緊固件的外部輪廓信息是用于定位緊固件的基本特征，也是用于判定緊固件重疊狀態(tài)的基礎(chǔ)。為了突出待抓取緊固件的輪廓特征，降低圖像計算量，系統(tǒng)采用填充算法對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的簡化處理。

掃描線填充算法是多邊形區(qū)域填充的一種常用方法，常用于處理多邊形、圓、橢圓等區(qū)域填充[3]。系統(tǒng)采用掃描線填充算法對圖像進(jìn)行處理，基本步驟如下：

step1：遍歷復(fù)雜連通區(qū)域的外輪廓線，求得各條掃描線與區(qū)域邊界的交點；

step2：將每條掃描線的交點兩兩配為交點對，交點對之間的區(qū)域為掃描線與連通區(qū)域的相交區(qū)間；

step3：提取配對交點所確定的相交區(qū)間進(jìn)行填充。

通過掃描線填充算法，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲得緊固件的外部輪廓信息，進(jìn)而為后繼的位置提取和重疊干擾消除奠定了基礎(chǔ)。

1.4 干擾消除

在單次抓取操作過程中，需要對重疊圖像進(jìn)行過濾，進(jìn)而篩選出處于平鋪狀態(tài)的緊固件信息，并傳遞給執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行抓取操作?；谔卣鞯哪０迤ヅ涫沁M(jìn)行圖像檢索、圖像識別的常用方法[4]。

基于特征的模板原理是:在系統(tǒng)中預(yù)置模板信息，構(gòu)建模板大小的滑動窗口T，然后移動T實現(xiàn)對待篩選窗口S的完整遍歷。遍歷過程中，每移動一個像素，取出滑動窗口所覆蓋的子圖Si,j，將其與滑動窗口中的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，計算其與模板特征間的相關(guān)系數(shù)R(i, j)。

通過調(diào)整R(i, j)可以實現(xiàn)對圖像T中干擾目標(biāo)的消除。當(dāng)設(shè)定R(i, j)=1時，則要求當(dāng)模板與子圖完全一致，任一重疊圖像均被定義為干擾目標(biāo)并消除。經(jīng)過多組試驗，系統(tǒng)最終定義R(i, j)=0.7。

1.5 目標(biāo)定位

自動組套系統(tǒng)采用固定相機模式，CCD相機獨立安裝在料盒上方，該模式可以有效消除機器人的運動學(xué)誤差[5]，進(jìn)而準(zhǔn)確獲取緊固件在料盒所在二維平面內(nèi)的位置信息。在攝像機坐標(biāo)系下獲取的位置信息矩陣Tc包括二維平面坐標(biāo)和傾斜角信息：

其中，彈墊、平墊對應(yīng)的θc=0°。攝像機坐標(biāo)系下的位置信息經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)變換后，分別轉(zhuǎn)化為機械臂坐標(biāo)系下的位置信息矩陣To和末端執(zhí)行器坐標(biāo)系下的位置信息矩陣Te。

2 緊固件抓取及存放

CCD 檢測與定位算法解決了自動組套系統(tǒng)“眼”的問題，而六自由度機械臂與電動夾持機構(gòu)相互配合則實現(xiàn)了自動組套系統(tǒng)“手”的功能。

電動夾持機構(gòu)需同時滿足螺釘、平墊和彈墊等多種規(guī)格緊固件的抓取需求，為此，系統(tǒng)設(shè)計了可伸縮的二指電動夾爪。夾爪的伸縮裝置可以有效避免夾爪與緊固件存放料盒之間發(fā)生剛性碰撞。同時，夾爪前端設(shè)計了仿形槽，以適應(yīng)彈墊、平墊的抓取。電動夾持機構(gòu)在驅(qū)動電機的作用下實現(xiàn)收合。抓取時，抓取力矩不得超過2.5N·m，避免對緊固件造成損傷。緊固件抓取示例見圖2。

圖2 緊固件抓取示例Fig.2 Sample of fastener clamping

緊固件抓取后，被依次放置在不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)存放治具上。組套時，螺釘被垂直放置在治具的存放槽內(nèi)，彈墊、平墊則被套裝在對應(yīng)的螺桿上。

3 系統(tǒng)搭建與實現(xiàn)

緊固件自動組套系統(tǒng)基于PLC控制器進(jìn)行設(shè)計，除檢測定位子系統(tǒng)、抓取執(zhí)行子系統(tǒng)及中心控制子系統(tǒng)3大主系統(tǒng)外，還安裝了安全光柵防護(hù)裝置、觸摸裝置、聲光報警裝置等。自動組套系統(tǒng)采用電源作為唯一動力源。系統(tǒng)安裝尺寸為：1150mm×1900 mm×850 mm（長×寬×高）。自動組套系統(tǒng)整體外觀如圖3所示。

自動組套系統(tǒng)采用觸摸裝置進(jìn)行頁面控制。系統(tǒng)主要分為兩個功能模塊：基礎(chǔ)管理模塊及緊固件管理模塊。其中，基礎(chǔ)配置模塊完成系統(tǒng)運行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。而緊固件管理模塊又可細(xì)分為計數(shù)模塊、單件出庫模塊和配套出庫模塊3個部分，可以同時滿足單類緊固件出庫和多類緊固件組套出庫的需求。

圖3 自動組套系統(tǒng)整體外觀Fig.3 Appearance of automatic matching system

4 結(jié)論

本文結(jié)合航天器總裝過程中多規(guī)格小型緊固件管理需求，設(shè)計并搭建了自動組套系統(tǒng)。系統(tǒng)以機器視覺為引導(dǎo)，通過機械臂與電動夾持機構(gòu)相互配合實現(xiàn)螺釘、彈墊、平墊等緊固件的抓取和組套。

目前，系統(tǒng)可以滿足3～6mm范圍內(nèi)的30余種規(guī)格的緊固件的單類出庫和多類組套出庫需求，單類物料的平均抓取時間小于2.5s，三類物料（螺釘、彈墊和平墊）作為一組的平均組套時間小于9s，抓取及組套一次操作成功率均超過99%，有效降低了總裝庫房管理人員在緊固件管理中的工作強度，提升了緊固件管理的準(zhǔn)確性，并對提高總裝主線操作效率起到了有效的促進(jìn)作用。

[1] 張小義,陳東,韓曉廣.基于線性和非線性混合濾波器的噪聲抑制技術(shù).計算機工程與設(shè)計, 2004, 25(9):1460-1462.

[2] 肖昕,李巖.中值濾波編碼算法的設(shè)計原理與實現(xiàn).計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2004, 16(9):1256-1259.

[3] 孫家廣,楊長貴.計算機圖形學(xué).北京:清華大學(xué)出版社.l995.

[4] SHINICHIRO O, MASAKO O. Fast template matching with polynomials. IEEE Transactions on Image Processing, 2007,16(8):2139-2149.

[5] 張璐.基于計算機視覺的機械臂控制技術(shù)研究[D].西安:西安理工大學(xué), 2008.