用于飛機(jī)壁板類組件制孔的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 姚艷彬

北京航空航天大學(xué) 畢樹(shù)生

機(jī)器人制孔系統(tǒng)由于靈活性好，適應(yīng)性強(qiáng)且效率高，在國(guó)外飛機(jī)裝配中已得到廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]。由于制造誤差等原因，實(shí)際加工的飛機(jī)零部件與三維數(shù)模之間存在偏差，僅根據(jù)數(shù)模難以保證機(jī)器人的制孔精度。機(jī)器人制孔系統(tǒng)工作時(shí)，需利用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)制孔位置精確定位，這是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件精確制孔的關(guān)鍵。目前，國(guó)外的機(jī)器人制孔系統(tǒng)均采用高精度的視覺(jué)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)用于機(jī)器人制孔的視覺(jué)系統(tǒng)的研發(fā)尚不成熟。

根據(jù)視覺(jué)傳感器不同，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)分為激光視覺(jué)系統(tǒng)以及攝像機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。激光視覺(jué)系統(tǒng)主要依靠激光跟蹤儀等設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人的導(dǎo)航，定位精度高，但系統(tǒng)設(shè)備昂貴且易受外部環(huán)境的干擾。攝像機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)主要采用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的導(dǎo)航，具有靈活性高、成本低且不易受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)飛機(jī)平面壁板類組件的制孔需求以及機(jī)器人制孔系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了一套用于制孔位置精確定位的機(jī)器人手眼視覺(jué)系統(tǒng)。該視覺(jué)系統(tǒng)采用單個(gè)工業(yè)相機(jī)，且將相機(jī)安裝于制孔末端執(zhí)行器上。機(jī)器人制孔定位試驗(yàn)表明，該視覺(jué)系統(tǒng)的定位精度高于0.3mm，且具有運(yùn)算效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于平面壁板類組件的精確制孔。

手眼標(biāo)定算法

相機(jī)安裝在制孔末端執(zhí)行器上，末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人末端，因此需要標(biāo)定出相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系。機(jī)器人制孔系統(tǒng)工作時(shí)，需保證刀具與工件表面垂直。此時(shí)在二維平面內(nèi)，通過(guò)機(jī)械安裝，也可保證相機(jī)光軸垂直于工件表面，因此只需要求得平面兩軸方向上相機(jī)相對(duì)于TCP（Tool Center Point，刀具中心點(diǎn)）的偏移量即可在工件表面進(jìn)行二維視覺(jué)導(dǎo)航，圖1為二維平面內(nèi)機(jī)器人“手眼”關(guān)系的標(biāo)定方法示意圖。

圖1中P點(diǎn)為末端執(zhí)行器上的TCP點(diǎn)也是工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)，xw，yw分別為在世界坐標(biāo)系下以標(biāo)定模板平面建立的工件坐標(biāo)系兩軸方向。x′、o′、y′為相機(jī)成像坐標(biāo)系，根據(jù)小孔成像原理以及弱透視模型可知在相機(jī)拍攝距離一定時(shí)，圖像所對(duì)應(yīng)的拍攝區(qū)域的范圍也是固定的。因此，與相機(jī)成像坐標(biāo)系x′、o′、y′相對(duì)應(yīng)可以建立一個(gè)景物坐標(biāo)系x、o、y。p1、p2分別為被拍攝平面內(nèi)景物坐標(biāo)系x、o、y中的兩個(gè)景物點(diǎn)，可設(shè)其坐標(biāo)分別為（x1，y1）與（x2，y2）。p′1與p′2分別是p1與p2在相機(jī)成像坐標(biāo)系x′、o′、y′中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，可以得到其坐標(biāo)分別為（x′1，y′1）與 （x′2，y′2）。圖像中p1與p2連線與x′軸的夾角，由于相機(jī)成像坐標(biāo)系與景物坐標(biāo)系為比例放大關(guān)系，因此兩個(gè)坐標(biāo)系相互平行，p1與p2連線與x所成夾角也為γ。標(biāo)定時(shí)通過(guò)TCP分別與p1和p2進(jìn)行示教對(duì)點(diǎn)，通過(guò)工具坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可以從工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到p1與p2連線的距離以及連線與xw軸的夾角θ，由此可以算出景物坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角為，同時(shí)可以算出在此拍攝距離下的比例系數(shù)為成像坐標(biāo)系內(nèi)兩點(diǎn)間聯(lián)線距離的像素值，為景物坐標(biāo)系中兩點(diǎn)連線的實(shí)際距離）。于是有，也就求出了p1與p2在景物坐標(biāo)系x、o、y中的具體坐標(biāo)值。拍攝時(shí)TCP在世界坐標(biāo)系中的位置以及對(duì)點(diǎn)時(shí)TCP的位置都可以從工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)中得到，由此可以算出TCP從拍攝位置到對(duì)點(diǎn)時(shí)的距離‖pp1‖以及pp1與世界坐標(biāo)系xw軸的夾角δ，由于景物坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角φ已經(jīng)由前面算出，因此可以得到pp1與景物坐標(biāo)系x軸的夾角ω=δ-φ。將‖pp1‖在景物坐標(biāo)系得兩軸方向上分解可以得到D=‖pp1‖cosω，H=‖pp1‖sinω。通過(guò)求出的p1在景物坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（x1，y1）可以算出TCP在景物坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即圖1中P點(diǎn)的坐標(biāo)為：

因?yàn)榫拔镒鴺?biāo)系與相機(jī)成像坐標(biāo)系的比例關(guān)系已經(jīng)得到，由此通過(guò)景物坐標(biāo)系便間接地建立了TCP與相機(jī)成像坐標(biāo)系的關(guān)系，即為所求手眼關(guān)系。

圖1 機(jī)器人二維“手眼”標(biāo)定方法示意圖

1 硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的相機(jī)采用加拿大PointGrey公司的型號(hào)為GRAS-20S4M-C的200萬(wàn)像素黑白工業(yè)數(shù)字相機(jī)，該相機(jī)的數(shù)據(jù)接口為IEEE 1394接口。鏡頭采用日本Myutron公司的FV2520固定25mm焦距鏡。光源選擇Ose公司生產(chǎn)的型號(hào)為RINP-116R的高亮環(huán)形散射光源。

視覺(jué)定位程序作為一個(gè)功能模塊被嵌入到上位機(jī)主程序中，它與其他功能模塊一起配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人制孔系統(tǒng)的運(yùn)行，視覺(jué)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

利用Halcon軟件編寫視覺(jué)定位程序，視覺(jué)定位程序分為標(biāo)定模塊和定位模塊兩個(gè)功能模塊：

（1） 標(biāo)定模塊由7個(gè)函數(shù)模塊組成，分別是：

a.Open Window（int*WindowAccess, double Row）：此函數(shù)用于圖像顯示窗口的設(shè)置。

b.System Initial（int WindowAccess, int *CameraAccess）：此函數(shù)的功能是用于相機(jī)及視覺(jué)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的初始化。

c.Close_Camera（int CameraAccess）：此函數(shù)用于退出軟件時(shí)將相機(jī)關(guān)閉。CameraAccess為相機(jī)的入口參數(shù)。

圖2 視覺(jué)系統(tǒng)工作流程圖

d.Vertical（int WindowAccess,int CameraAccess, bool *IsOK）：此函數(shù)的功能是判斷相機(jī)是否能夠清晰成像。

e.Dist_Caculate （int WindowAccess, int CameraAccess,double *GraphicsDistance）：此函數(shù)的功能是算圖像中兩點(diǎn)的距離與所成直線角度,并且得到第一點(diǎn)圓心在圖像中的坐標(biāo)位置。

f.Magnificate（double ActualValue, double PixelValue）：此函數(shù)具有double型的返回值，功能是用來(lái)計(jì)算放大率。

g.Calibration（double RobotAngle, double GraphicsAngle,double *TPositionX）：此函數(shù)功能是在前幾個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人手眼標(biāo)定從而得到相機(jī)圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人標(biāo)定棒尖點(diǎn)之間的關(guān)系。

（2） 定位模塊在標(biāo)定模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上只需要一個(gè)函數(shù)即可完成：

Point Location（double TPositionX, double TPositionY, double*RobotDistX）：此函數(shù)是標(biāo)定過(guò)程的反解，功能是通過(guò)目標(biāo)點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的位置得到目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)定棒針尖點(diǎn)的位置關(guān)系。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某軍機(jī)鈦合金下壁板為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人視覺(jué)定位試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

為了測(cè)試視覺(jué)系統(tǒng)的定位精度，采取先鉆孔后定位的方式，即先利用三維數(shù)模中的數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔，然后再利用手眼視覺(jué)定位已加工孔的位置，并將最終得到孔位置數(shù)據(jù)與數(shù)模中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而得到定位精度。最終得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)中可以看出機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的定位精度在0.3mm以內(nèi)，可以用于飛機(jī)壁板類組件的制孔。

表1 手眼視覺(jué)定位試驗(yàn)結(jié)果

結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套用于飛機(jī)平面壁板類組件制孔的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的定位精度在0.3mm以內(nèi)。該視覺(jué)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足飛機(jī)平面壁板類組件制孔精度需求。

[1] Atkinson J， Hartmann J， Jones S，et al. Robotic drilling system for 737 aileron.Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference & Exhibition，Los Angeles，2007.

[2] DeVlieg R, Feikert E. One-Up Assembly with Robot. Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference &Exhibition， North Charlesten, 2008.

[3] Carlos C A E , Luis G T. Design of a robotic orbital driller for assembling aircraft structures. Metatronics,2014(24)∶533-545.