基于ABB 機(jī)器人視覺引導(dǎo)抓取的應(yīng)用

高建森，王 寧，宋懿群，黃衛(wèi)平，劉 陽

（杭州吉利汽車有限公司，浙江 杭州 311228）

隨著近年來汽車行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，新的智能制造技術(shù)不斷引入。傳統(tǒng)汽車行業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)方式，一種為從定位夾具上精確取件，這種方式效率低下，人員上件操作工作量負(fù)荷增加；另外一種為集中式精定位小車的上件方式，此種方式對(duì)精定位小車要求非常高，精定位小車精度的維護(hù)要求也極其高，造成成本增加。利用精定位小車與視覺相結(jié)合的方案，大大提高了機(jī)器人精確搬運(yùn)的成功率，保證了車身精度。同時(shí)精度也不需要很高的維護(hù)要求，大大提高了裝配等工藝精度。利用視覺檢測(cè)技術(shù)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制原理，實(shí)現(xiàn)零件的3D定位，通過測(cè)量比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板零件的特征數(shù)據(jù)，引導(dǎo)機(jī)器人根據(jù)實(shí)際測(cè)量零件的位置變化調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足精確抓取零件的需求。該工藝的推廣應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。目前視覺系統(tǒng)技術(shù)的核心部件及算法掌握在國(guó)外，價(jià)格居高不下，多為實(shí)力雄厚的大型企業(yè)在使用，在小微企業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。

1 視覺搬運(yùn)工藝布局及主要設(shè)備

1.1 工藝布局

本文車間的視覺系統(tǒng)集成于ABB機(jī)器人抓手上，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，為了提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人抓手上也可集成多個(gè)攝像頭，用于多個(gè)特征點(diǎn)的測(cè)量。本工位為重點(diǎn)工藝控制工位，要求機(jī)器人自動(dòng)涂膠必須精確，否則影響車身密封性，造成漏水現(xiàn)象。主要設(shè)備布局由工位夾具、視覺機(jī)器人、涂膠設(shè)備、精定位小車等組成。當(dāng)精定位小車放置區(qū)有零件時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)抓取零件程序，機(jī)器人移動(dòng)至測(cè)量位置，視覺系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)量程序測(cè)量零件特征點(diǎn)，通過校正后，準(zhǔn)確定位零件工藝孔，抓取零件并進(jìn)行精確涂膠作業(yè)。工藝布置如圖1所示。

圖1 視覺搬運(yùn)工位布置圖

1.2 主要設(shè)備及參數(shù)

1）機(jī)器人。本文視覺應(yīng)用中使用ABB品牌IRB6700-245/3.00型機(jī)器人，如圖2所示，6關(guān)節(jié)軸機(jī)器人，負(fù)載能力245kg，工作范圍3000mm，手腕扭矩1693Nm，機(jī)器人重復(fù)定位精度0.1mm。ABB機(jī)器人控制系統(tǒng)配備IRC5控制器，并配有手持式操作員裝置Flex Pendant，用于人機(jī)交互，便于執(zhí)行操作、修改、移動(dòng)機(jī)器人等任務(wù)。

圖2 ABB IRB6700-245/3.00機(jī)器人

2）視覺系統(tǒng)。本文的視覺系統(tǒng)采用3D視覺，檢測(cè)6個(gè)自由度，此測(cè)量系統(tǒng)至少包含一個(gè)攝像頭傳感器單元來執(zhí)行。本3D視覺系統(tǒng)包含了裝有視覺軟件的PC和固定于機(jī)器人抓手上的傳感器及閃光燈。視覺系統(tǒng)軟件具有配置傳感器與機(jī)器人的I/O信號(hào)通信，配置傳感器并激活傳感器，配置零件數(shù)據(jù)的特征模型，如零件名稱及ID號(hào)，同時(shí)激活配置好的零件數(shù)據(jù)模型，設(shè)置測(cè)量偏差等功能。傳感器通過Profinet網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 視覺系統(tǒng)構(gòu)圖

3）精定位小車。用于車身焊裝生產(chǎn)線零件上線與下線，與機(jī)器人自動(dòng)抓放件配合使用的小車。精定位小車主要由地面定位系統(tǒng)、小車框架、板件定位系統(tǒng)組成，如圖4所示。地面定位系統(tǒng)使用地腳螺栓固定于地面上，配置有X，Y方向定位裝置。小車框架由基準(zhǔn)孔、基準(zhǔn)板、導(dǎo)向輪等組成，主要定位板件X，Y，Z方向。板件定位系統(tǒng)主要采用定位銷、支撐塊、限位塊的方式進(jìn)行定位，定位精度0.1mm，X，Z向定位精度1mm。

圖4 精定位小車示意圖

2 視覺機(jī)器人控制過程

本文案例為某先進(jìn)汽車公司焊裝車間后地板視覺機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用西門子Profinet網(wǎng)絡(luò)，由PLC作為主站，機(jī)器人作為從站進(jìn)行控制，視覺系統(tǒng)作為機(jī)器人從站進(jìn)行控制。首先由PLC發(fā)送車型給機(jī)器人后，機(jī)器人收到PLC 發(fā)出的運(yùn)行指令，判斷精度料架中工件處于測(cè)量范圍內(nèi)，機(jī)器人根據(jù)車型信息執(zhí)行抓件動(dòng)作，過程中由視覺系統(tǒng)測(cè)量零件預(yù)設(shè)參考位置，在機(jī)器人測(cè)量位姿進(jìn)行測(cè)量。然后根據(jù)視覺系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，由視覺系統(tǒng)計(jì)算與零件特征數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算出特征點(diǎn)X，Y，Z，Rx，Ry，Rz 6個(gè)自由度的糾正值，并將糾正值giPosX，giPosY，giPosZ，iPosRx，giPosRy，giPosRz發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人通過程序邏輯計(jì)算由歐拉角轉(zhuǎn)換為ABB機(jī)器人可以識(shí)別的四元素位姿結(jié)果，最后通過機(jī)器人的位姿執(zhí)行相應(yīng)糾正，從而達(dá)到精確抓取件。控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制結(jié)構(gòu)圖

3 視覺測(cè)量方法及實(shí)現(xiàn)過程

視覺測(cè)量利用拍照式3D視覺引導(dǎo)傳感器實(shí)現(xiàn)零件的3D定位抓取，引導(dǎo)機(jī)器人根據(jù)被操作工件的位置變化調(diào)整機(jī)器人工作軌跡，滿足零件抓取精度的要求。

3.1 視覺的測(cè)量方法

1）拍照式3D定位。利用相機(jī)進(jìn)行拍照，通過提取零件特征和特征匹配，并結(jié)合特征之間的相對(duì)位置信息，獲取零件位置信息，實(shí)現(xiàn)零件位置定位在參考x，y，z方向上的移動(dòng)及Rx，Ry，Rz方向上的旋轉(zhuǎn)。如圖6所示。

圖6 零件特征

2）定位原理?；邳c(diǎn)特征的拍照式位姿（例如零件特征孔）確定方法，通過標(biāo)定后的相機(jī)對(duì)特征目標(biāo)拍照，利用目標(biāo)圖像上多個(gè)非共線特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，以及特征點(diǎn)在空間中相對(duì)位置關(guān)系，建立目標(biāo)約束方程，求解目標(biāo)與相機(jī)間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。如圖7所示。

圖7 坐標(biāo)系

3）視覺系統(tǒng)測(cè)量時(shí)序。

4 實(shí)際應(yīng)用

視覺技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，例如車身制造中的后地板取件。根據(jù)實(shí)際需要可以規(guī)劃多個(gè)上料口，每個(gè)上料口可配備多個(gè)精度小車。機(jī)器人在固定位置進(jìn)行拍照，根據(jù)視覺計(jì)算的結(jié)果將每次的偏差值發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人通過計(jì)算偏差值，自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)抓取位置坐標(biāo)，以保證機(jī)器人每次能夠精準(zhǔn)抓取板件，有效提高生產(chǎn)節(jié)拍稼動(dòng)率。視覺技術(shù)在工廠實(shí)際應(yīng)用節(jié)拍可高達(dá)36JPH。在汽車制造廠的售后統(tǒng)計(jì)中視覺應(yīng)用存在拍照偏差過大、定位偏差、設(shè)備損壞無備用方案等問題，是視覺系統(tǒng)在汽車制造業(yè)存在問題點(diǎn)導(dǎo)致故障停機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)因素。視覺拍照引導(dǎo)對(duì)料車的加工精度、定位精度要求較高，定位機(jī)構(gòu)需要定期進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量。車身制造領(lǐng)域產(chǎn)能要求高，開動(dòng)率指標(biāo)要求在95%以上，后地板面積超過1.5m，較軟，供貨尺寸波動(dòng)較大，拍照結(jié)果頻繁超出范圍，通過上文的介紹，應(yīng)用可適當(dāng)調(diào)整拍照偏差、定位偏差等因素導(dǎo)致設(shè)備損壞等問題。視覺系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中涉及自動(dòng)涂膠識(shí)別、抓件抓取、基準(zhǔn)定位，得到廣泛推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

機(jī)器人與視覺控制技術(shù)相結(jié)合，通過精確定位識(shí)別實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)，極大地提高了整車精度，因此機(jī)器視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于更加精密制造生產(chǎn)線，絕大多數(shù)提高了智能制造裝備的制造水平，在提高汽車、電子、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域精確、精密制造過程中發(fā)揮著巨大的作用。