視覺定位系統(tǒng)與涂膠機(jī)器人自主匹配的理性思考

郭紫威

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)PVC涂膠機(jī)器人的精準(zhǔn)涂膠，文章以大眾轎車廠涂裝車間PVC涂膠機(jī)器人站為例，進(jìn)行基于視覺反饋的機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)研究。由安裝在工作間內(nèi)的4臺(tái)攝像頭捕獲圖像。對(duì)處理后的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，提取圖像特征，采用模板匹配的方法識(shí)別出特征點(diǎn)。然后根據(jù)已標(biāo)定的攝像頭和機(jī)器人，計(jì)算出車殼與機(jī)器人的位置關(guān)系和車殼與車殼之間的位置偏差發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)偏差值自動(dòng)調(diào)整涂膠軌跡，實(shí)現(xiàn)了視覺定位系統(tǒng)與機(jī)器人的自主匹配。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；視覺定位；自主匹配

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）30-0060-02

如今，在現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常涉及到各種材料的檢測(cè)、零部件檢查與產(chǎn)品監(jiān)控，如汽車零配件加工的檢查、電子元件的檢測(cè)等。以往這些高度重復(fù)，且智能化極高的檢測(cè)都是由肉眼來完成的，但很多精度更高，甚至某些設(shè)備也難以完成的工作就必須借助高精度、非接觸的測(cè)量?jī)x器，就便是視覺測(cè)試系統(tǒng)。

1 視覺定位系統(tǒng)的特性

何謂“視覺定位系統(tǒng)”？視覺定位系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興測(cè)試技術(shù)。視覺定位系統(tǒng)重點(diǎn)研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測(cè)量，如轎車白車身三維尺寸的測(cè)量、模具三維面形的測(cè)量、大型工件的測(cè)量等，它可以廣泛應(yīng)用于許多高精度測(cè)量中，對(duì)大幅降低檢驗(yàn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量大有益處。

視覺系統(tǒng)主要包括兩大方面：系統(tǒng)的硬件及系統(tǒng)的軟件，如圖1所示。

系統(tǒng)的硬件主要采用了攝像頭+工業(yè)PC的架構(gòu)方式，主要由工控機(jī)，攝像頭，照明系統(tǒng)，控制柜，線纜組成。傳統(tǒng)人工定系統(tǒng)位與視覺定位系統(tǒng)的對(duì)比，見表1。

2 涂膠機(jī)器人的作用

工業(yè)機(jī)器人是FMS（Flexible Manufacturing System柔性加工）加工單元的主要組成部分，它的靈活性和柔性使其成為自動(dòng)化物流系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備，主要用于物料、工件的裝卸、分撿和貯運(yùn)。目前在全世界有數(shù)以百萬的各種類型的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在機(jī)械制造、零件加工和裝配及運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，不過這些應(yīng)用都是基于先精確的示教后運(yùn)行，而且工作環(huán)境都是預(yù)先安排好的，所以機(jī)器人能成功地抓取物體。視覺的采樣周期比超聲波和激光雷達(dá)短，這也意味著視覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要好，所以更適合工件的在線識(shí)別、定位等。由于具有以上這些優(yōu)點(diǎn)，基于視覺的智能機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展空間。因而使用視覺來提高機(jī)器人的智能水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。

涂膠機(jī)器人通常由安裝架、機(jī)器人定位系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)及涂膠槍、控制系統(tǒng)及電控配電系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等組成。

①機(jī)器人安裝架。機(jī)器人安裝架通常由鋁型材組成；

②機(jī)器人定位系統(tǒng)。它是整臺(tái)設(shè)備的核心；

③伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一般來說，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸配有一臺(tái)伺服電機(jī)；

④供膠系統(tǒng)及涂膠膠槍。供膠系統(tǒng)以穩(wěn)定的壓力，將膠壓送到自動(dòng)涂膠槍的槍頭，并確保所涂膠形均勻一致；

⑤控制系統(tǒng)及電控配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡組成；

⑥安全防護(hù)裝置。該裝置具有故障提示及報(bào)警功能。

3 視覺定位系統(tǒng)的類型

目前常采用圖像獲取和模板識(shí)別。

3.1 圖像獲取

圖像獲取也就是圖像的數(shù)字化過程，即將圖像采集到計(jì)算機(jī)中的過程。主要涉及成像及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D Converter）技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)與微電子特別是固體成像設(shè)備（光電耦合器件 CCD）的快速發(fā)展，圖像獲取設(shè)備的成本已顯著降低。

在自然的形式下，圖像并不能直接由計(jì)算機(jī)分析。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字而不是圖片，所以一幅圖像在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前必須先轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的方法是將物理圖像經(jīng)過采樣劃分為稱作圖像像素的小區(qū)域。最常見的劃分方案是方形采樣網(wǎng)格，圖像被分割成由相鄰像素組成的許多水平線。經(jīng)過采樣后的圖像還不是數(shù)字圖像，因?yàn)檫@些像素上的灰度值仍是一個(gè)連續(xù)量，必須進(jìn)行量化。所謂量化就是將每個(gè)像素的亮暗程度用一個(gè)整數(shù)值來表示，即像素的灰度離散化。完成上述轉(zhuǎn)化后，圖像被表示為一個(gè)整數(shù)矩陣。每個(gè)像素具有兩個(gè)屬性：位置和灰度，此數(shù)字矩陣就作為計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象。在采樣和量化處理后，才能產(chǎn)生一張數(shù)字化的圖像。

3.2 模板識(shí)別

模板識(shí)別就是從圖像中找出與已知模板相似的目標(biāo)模板，即識(shí)別出物體并確定出它在整幅圖像中的位置和方向，是計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)。它相當(dāng)于對(duì)被研究對(duì)象的調(diào)查和了解，從中得到數(shù)據(jù)和材料。第二部分模板預(yù)處理。由于原始模板存在著許多噪聲和畸變，所以預(yù)處理的目的去除干擾、噪聲及差異，將原始模板變成適合于計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征提取的形式。第三部分是模板特征提取。它的作用在于把調(diào)查了解到的數(shù)據(jù)材料進(jìn)行加工、整理、分析、歸納抽出能反映事物本質(zhì)的特征。第四部分識(shí)別判斷就是根據(jù)提取的特征參數(shù)，采用某種判別規(guī)則，對(duì)模板信息進(jìn)行分類和辨識(shí)，得到識(shí)別結(jié)果。

模板識(shí)別的方法很多，大體上可以歸納為：統(tǒng)計(jì)模板識(shí)別、結(jié)構(gòu)模板識(shí)別、模糊集模板識(shí)別、模板匹配識(shí)別。模板匹配是其中最有代表性、應(yīng)用最為廣泛的方法，其在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、遙感模板識(shí)別、機(jī)器人視覺等領(lǐng)域都已得到了應(yīng)用。

4 視覺定位系統(tǒng)的應(yīng)用

PVC生產(chǎn)線采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的VMT視覺系統(tǒng)與FANUC機(jī)器人匹配實(shí)現(xiàn)車殼底板的自動(dòng)涂膠。設(shè)備建造和調(diào)試均由德國(guó)EISENMANN公司承包，其中視覺系統(tǒng)和機(jī)器人的匹配由于技術(shù)復(fù)雜，難度大；它不僅實(shí)施周期長(zhǎng)，售后服務(wù)不及時(shí)，且花費(fèi)大筆的規(guī)劃費(fèi)用。因此理解和掌握并最終實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)和機(jī)器人的自主匹配就是非常急迫的并且很有必要。通過研究視覺系統(tǒng)的圖像處理，特征點(diǎn)識(shí)別，模板庫的學(xué)習(xí)以及坐標(biāo)系統(tǒng)的形成，進(jìn)一步理解和掌握VMT視覺軟件。

工控機(jī)的使用大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的軟件主要由圖像采集/處理模塊，模板識(shí)別模塊，3D向量計(jì)算模塊，通訊模塊。

機(jī)器人涂膠站布局示意圖，如圖2所示，每當(dāng)車殼在機(jī)器人站到位后，機(jī)器人就自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的程序，對(duì)車殼焊縫和底板進(jìn)行涂膠。但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及機(jī)械等原因，每次車殼停止的位置不可能完全相同，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能夠精準(zhǔn)的涂膠保證車殼的涂膠質(zhì)量，就要求機(jī)器人能夠精確的跟蹤車殼位置的變化。視覺定位系統(tǒng)的出現(xiàn)正是為了解決這個(gè)問題，它通過4個(gè)攝像頭對(duì)車殼上的特征點(diǎn)的識(shí)別和測(cè)量，從而計(jì)算出車殼位置移動(dòng)的偏差，并將此結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人。機(jī)器人自動(dòng)將此偏差值補(bǔ)償?shù)酵磕z的軌跡程序中，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的涂膠。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人涂膠軌跡能夠跟蹤車殼位置的變化，我們需要將車殼坐標(biāo)系定義為機(jī)器人的一個(gè)user坐標(biāo)系，由上述描述的利用激光測(cè)量?jī)x可以得出TC0-R ，即車殼0在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置，我們就把這個(gè)位置定義為機(jī)器人的一個(gè)user坐標(biāo)系。這樣我們只需要把視覺系統(tǒng)所得出的TCn-C0補(bǔ)償?shù)綑C(jī)器人相應(yīng)的user坐標(biāo)系中，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)修改涂膠軌跡，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)涂膠。

實(shí)現(xiàn)視覺定位系統(tǒng)和機(jī)器人的匹配，需要用到激光測(cè)量?jī)x，可是我們還沒有此設(shè)備的核心技術(shù)。所以要實(shí)現(xiàn)視覺定位系統(tǒng)和機(jī)器人的自主匹配，就需要繞過激光測(cè)量?jī)x。經(jīng)過研究我們發(fā)現(xiàn)，只要在設(shè)備第一次調(diào)試時(shí)，標(biāo)定好攝像頭和機(jī)器人后，車殼的位置就可以通過攝像頭測(cè)出來。由于攝像頭和機(jī)器人相對(duì)于工作間是固定的，在后續(xù)車型上線的時(shí)候，就可以使用第一款車型上線時(shí)機(jī)器人和攝像頭的數(shù)據(jù)，車殼的位置通過攝像頭測(cè)量可以得出。這樣的話就可以不用激光測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)后續(xù)車型的自主調(diào)試。但是攝像頭測(cè)量的車殼位置需要經(jīng)過圖像的識(shí)別和計(jì)算，就會(huì)存在一定的誤差。

5 結(jié) 語

經(jīng)過上述研究，利用攝像頭測(cè)量車殼的位置，成功實(shí)現(xiàn)了后續(xù)車型上線時(shí)，機(jī)器人與視覺系統(tǒng)的自主匹配。節(jié)省了大筆資金。而且由于省去了很多中間環(huán)節(jié)，大大縮短了調(diào)試周期。也為后期設(shè)備出現(xiàn)故障的快速解決創(chuàng)造了有利條件。視覺定位系統(tǒng)與機(jī)器人的匹配的基本步驟為：在項(xiàng)目實(shí)施之初，利用激光測(cè)量?jī)x標(biāo)定好機(jī)器人和攝像頭，并記錄好數(shù)據(jù)；視覺定位系統(tǒng)獲取車殼圖像；識(shí)別特征點(diǎn)；通過識(shí)別出的特征點(diǎn)計(jì)算出零車殼的位置，定為零測(cè)量；同樣的方法測(cè)量后續(xù)車殼的位置；視覺系統(tǒng)計(jì)算位置偏差；將偏差值發(fā)送給機(jī)器人；機(jī)器人根據(jù)偏差值自動(dòng)調(diào)整涂膠軌跡，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)涂膠。

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