視覺定位機(jī)器人焊接引導(dǎo)方法

李龍濤，蔡 興

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民購買力的提升，國內(nèi)汽車普及率正穩(wěn)步提高。為了滿足客戶日益增長的差異化需求，汽車生產(chǎn)廠商新車投放、舊車改型不斷加快，汽車發(fā)展由單車型大批量生產(chǎn)向多車型混線生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。為了既能達(dá)到多車型的差異化要求，又達(dá)到多車型共線復(fù)用降低成本的目的，實(shí)現(xiàn)柔性化的車身定位進(jìn)而進(jìn)行機(jī)器人焊接是關(guān)鍵[1-4]。目前主流的車身定位方式有以下兩種：升降輥床落位的車身定位和高速輥床與精度雪橇/臺(tái)車配合的車身定位[5]。

升降輥床落位的車身定位主要通過升降輥床和底部定位夾具實(shí)現(xiàn)白車身的定位，底部定位夾具上通過風(fēng)車機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多車型的切換，通過銷-孔配合實(shí)現(xiàn)高精度的定位。該車身定位方式精度較高且穩(wěn)定，但受限于升降輥床價(jià)格，該工位成本高；白車身落位、夾具夾緊，以及焊接完成后夾具打開、白車身升起的時(shí)間大約占用8 s生產(chǎn)節(jié)拍，節(jié)拍時(shí)間長；不同白車身底部的RPS孔徑和孔位置均不相同，使得傳統(tǒng)的柔性底部夾具設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，車型柔性較差。

高速輥床與精度雪橇/臺(tái)車配合的定位方式不需要底部定位夾具，通過編碼光柵實(shí)現(xiàn)較高的雪橇/臺(tái)車到位精度，精確到位后機(jī)器人按照示教軌跡進(jìn)行焊接。由于取消升降輥床，工位投資成本低；無升降輥床起落的時(shí)間，時(shí)間節(jié)拍短。但雪橇/臺(tái)車加工一致性要求較高，長時(shí)間運(yùn)行后存在機(jī)械磨損變形，可靠性和開通率難以保證，后期的精度檢測(cè)及維護(hù)困難；需要獨(dú)立的傳輸線，在舊線改造時(shí)難度較大；每個(gè)車型需要獨(dú)立的雪橇/臺(tái)車，車型柔性較差。

本文提出了一種基于視覺定位的機(jī)器人焊接引導(dǎo)方法。車身到位存在偏差時(shí)，利用四個(gè)相機(jī)對(duì)車身上的多個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)車身定位，進(jìn)而引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行焊接。與傳統(tǒng)的機(jī)械式車身定位相比，無需升降輥床落位，相機(jī)拍照、計(jì)算時(shí)間小于2 s，節(jié)拍短；相機(jī)的拍照視場(chǎng)即為車身定位的有效區(qū)域，多車型兼容柔性好；無需升降輥床和復(fù)雜的定位結(jié)構(gòu)，無機(jī)械磨損問題，成本低。

1 車身定位原理

視覺車身定位采用四個(gè)相機(jī)分布于車身兩側(cè)，如圖1所示，通過圖像上特征點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)和車身數(shù)模上的三維坐標(biāo)，計(jì)算車體坐標(biāo)系的偏移量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車身定位，特征點(diǎn)的分布如圖2所示。以三個(gè)特征點(diǎn)為例，對(duì)車身定位算法原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 車身定位相機(jī)分布示意圖

圖2 車身底部特征點(diǎn)分布圖

圖3 車身定位原理示意圖

設(shè)投影中心O與三個(gè)像點(diǎn)的距離分別為l1，l2和l3，則有：

由余弦定理可知，OA與OB的夾角θ1、OA與OC的夾角θ2以及OB與OC的夾角θ3分別為：

同樣地，設(shè)投影中心O與三個(gè)控制點(diǎn)A、B、C的距離分別為L1、L2和L3，根據(jù)角錐體原理，有:

公式（2）、（3）聯(lián)立，得：

按照上式，通過列文伯格-馬夸特算法[7]求出最優(yōu)的L1、L2和L3，進(jìn)而可求解出三個(gè)特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)：

特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)按照上式求取，特征點(diǎn)在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為已知量，公共點(diǎn)轉(zhuǎn)站可計(jì)算車身坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系[8]。在白車身焊接過程中，需要通過零位和引導(dǎo)位時(shí)車體坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的偏移量來實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的修正。因此需要將主相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基坐標(biāo)系下。關(guān)于主相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算見下一節(jié)。

2 手眼標(biāo)定算法

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺引導(dǎo)[9]，需要將相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基坐標(biāo)系下，即需要進(jìn)行手眼標(biāo)定[10-11]。針對(duì)本項(xiàng)目采用的固定式傳感器，采用在機(jī)器人法蘭盤末端固定棋盤格的方式進(jìn)行標(biāo)定，如圖4所示。具體步驟如下：

圖4 手眼標(biāo)定示意圖

1）在機(jī)器人法蘭盤末端安裝好棋盤格。

2）機(jī)器人帶著棋盤格在相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)多個(gè)位姿，待標(biāo)定相機(jī)對(duì)棋盤格進(jìn)行拍照。

3）利用多個(gè)位姿構(gòu)建方程組計(jì)算相機(jī)坐標(biāo)系到機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。理論推導(dǎo)如下：

機(jī)器人每移動(dòng)一個(gè)位姿，可以獲得式（6）所示的一個(gè)等式，含3個(gè)約束方程。3 n≥12，即n≥4時(shí)完成手眼標(biāo)定。通過上述方法依次標(biāo)定四個(gè)相機(jī)，分別得到四個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以進(jìn)一步求得各個(gè)相機(jī)和主相機(jī)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于碰撞、連接松動(dòng)等因素的影響，相機(jī)存在位置移動(dòng)的可能性，如何判斷相機(jī)位置是否發(fā)生移動(dòng)，以及相機(jī)位置移動(dòng)后的快速恢復(fù)能力，對(duì)保障該工位的開通率也至關(guān)重要。為避免長時(shí)間停線，完成手眼標(biāo)定后，以外部環(huán)境中固定不變的物體為特征，記錄該特征在相機(jī)圖像中的位置。當(dāng)該特征在圖像中發(fā)生像素坐標(biāo)變化時(shí)，即該相機(jī)位置發(fā)生了變化。此時(shí)，可利用手眼標(biāo)定時(shí)存儲(chǔ)的標(biāo)定軌跡重新進(jìn)行手眼標(biāo)定，計(jì)算并更新手眼關(guān)系完成相機(jī)位置的快速標(biāo)定，進(jìn)而快速恢復(fù)引導(dǎo)功能。

3 視覺引導(dǎo)焊接測(cè)試

3.1 零位車引導(dǎo)精度測(cè)試

為了對(duì)視覺車身定位的定位精度給出定量評(píng)價(jià)，以激光跟蹤儀作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，進(jìn)行了零位車的引導(dǎo)精度測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖5所示。具體步驟如下：

圖5 引導(dǎo)精度測(cè)試實(shí)物圖

1）零位時(shí)，在車體前中后部分放置四個(gè)跟蹤儀靶球座，將反射球依次放置于靶球座上，記錄反射球球心在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

2）挪動(dòng)車體，四個(gè)相機(jī)拍照并利用視覺定位方法計(jì)算車體坐標(biāo)系相對(duì)于零位時(shí)的偏移量。

3）將反射球依次放置于靶球座上，再次記錄反射球球心在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。已知反射球球心在車體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，利用公共點(diǎn)轉(zhuǎn)站可計(jì)算挪動(dòng)車體前后車體坐標(biāo)系的偏移量。

4）將激光跟蹤儀測(cè)量得到的車體偏移量作為真值，視覺車身定位得到的值作為測(cè)量值，對(duì)視覺定位精度給出定量評(píng)價(jià)。

共挪動(dòng)車體62次，由圖6、圖7結(jié)果可知：與激光跟蹤儀相比，在x、y、z方向視覺定位誤差小于0.5 mm，在Rx、Ry、Rz方向視覺定位誤差小于0.015°。

圖6 xyz方向視覺定位誤差

圖7 RxRyRz方向視覺定位誤差

3.2 焊接拉動(dòng)量測(cè)試

焊接過程穩(wěn)定性是保證批量焊接的重要因素。在焊接過程中，焊槍與車體接觸，缺少底部夾具的固定，焊接過程中產(chǎn)生的振動(dòng)有可能造成車體的變形或偏移，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。因此測(cè)試了焊接過程中車身拉動(dòng)對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響。

首先車身落位并夾緊，選取車體不同剛性區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。在焊鉗位置與理論位置偏差達(dá)±6 mm的情況下，焊槍重復(fù)夾緊松開800次。測(cè)試結(jié)果顯示：焊鉗受力沒有導(dǎo)致機(jī)器人報(bào)警或車身明顯變形，圖8、圖9分別為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)物圖和受力分析示意圖。

圖8 車身拉動(dòng)測(cè)試實(shí)物圖

圖9 車身與焊鉗受力分析示意圖

其次測(cè)試了車身無底部夾緊的情況，在車體單側(cè)側(cè)圍選取7處焊鉗夾持點(diǎn)，自動(dòng)走完焊接夾持軌跡后利用激光跟蹤儀測(cè)量車身及雪橇位置的偏移量，如圖10所示，自動(dòng)走完焊接夾持軌跡后利用激光跟蹤儀測(cè)量車身及雪橇位置的偏移量。

圖10 焊鉗加持點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)分布示意圖

車身無固定時(shí)，焊鉗推/拉車身會(huì)導(dǎo)致車身發(fā)生剛性偏移，如圖11所示，測(cè)試結(jié)果可知：

圖11 無底部夾緊時(shí)車體偏移量

焊鉗位置偏差在±2 mm的情況下，焊鉗在Y向推/拉車身，X向偏移值小于0.38 mm，Y向偏移值小于0.96 mm。

焊鉗位置偏差在±6 mm的情況下，焊鉗在Y向推/拉車身，X向偏移值小于0.65 mm，Y向偏移值小于1.39 mm。

通過批量焊接拉動(dòng)測(cè)試，在車身底部夾緊或無約束的情況下，車體變形量及偏移量均較小，無觸發(fā)機(jī)器人報(bào)警等狀況，符合批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性要求。

3.3 批量過車焊接精度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證視覺車身定位的精度，進(jìn)行了批量過車焊接精度測(cè)試，對(duì)比分析了視覺車身定位和機(jī)械式車身定位兩種方式下焊點(diǎn)位置的偏差情況，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 焊點(diǎn)分布示意圖

首先選取前序工位完成的1個(gè)定位點(diǎn)焊點(diǎn)以及視覺補(bǔ)焊工位的2個(gè)視覺補(bǔ)焊點(diǎn)，通過附加的相機(jī)來監(jiān)控焊點(diǎn)位置。利用側(cè)圍上的RPS孔作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，分別匹配測(cè)量視覺補(bǔ)焊點(diǎn)和定位點(diǎn)焊點(diǎn)相對(duì)于側(cè)圍RPS的坐標(biāo)距離，空間距離按照像素距離結(jié)合0.5 mm/pixel的像素當(dāng)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)焊點(diǎn)的分布情況，對(duì)視覺補(bǔ)焊的精度給出定量評(píng)價(jià)。

累計(jì)統(tǒng)計(jì)了2 000臺(tái)白車身側(cè)圍補(bǔ)焊生產(chǎn)情況，分析結(jié)果如表1所示。

表1 定位點(diǎn)焊點(diǎn)和視覺補(bǔ)焊點(diǎn)位置偏差對(duì)比

根據(jù)批量過車測(cè)試結(jié)果可知，在定位精度方面，視覺車身定位可達(dá)到與機(jī)械式車身定位相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。在?jié)拍占用方面，視覺拍照及計(jì)算總時(shí)間平均為1.7 s，與工裝夾具車身定位所需的8 s相比，有效提高了焊接效率。

4 結(jié)束語

在分析了機(jī)械式車身定位的基礎(chǔ)上提出了一種基于視覺定位的機(jī)器人焊接引導(dǎo)方法。介紹了其車身定位原理及手眼標(biāo)定過程。與激光跟蹤儀相比，在x、y、z方向零位車視覺定位誤差小于0.5 mm，在Rx、Ry、Rz方向的定位誤差小于0.015°。通過焊接拉動(dòng)量測(cè)試，焊鉗到位偏差在±6 mm的情況下，引起的車身Y向偏移小于1.39 mm。最后進(jìn)行了批量過車測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明視覺車身定位占用節(jié)拍短，且可達(dá)到與機(jī)械式車身定位相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。綜上所述，基于視覺定位的機(jī)器人焊接引導(dǎo)方法具有柔性好、精度高、節(jié)拍短等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。