汽車焊裝產(chǎn)線機(jī)器人視覺抓件技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化

韋俊尤 劉杰 李林

關(guān)鍵詞：汽車焊裝產(chǎn)線；視覺識(shí)別；機(jī)器人抓件；軌跡補(bǔ)償

0引言

隨著機(jī)器人產(chǎn)線越來越普及，越來越多的汽車廠商選擇采用視覺技術(shù)來給機(jī)器人裝上“眼睛”，以提升機(jī)器人的智能化程度。國內(nèi)大部分的焊裝車間中，其焊接自動(dòng)化率雖然已達(dá)到80%～100%，但實(shí)現(xiàn)的僅僅是焊接工藝的自動(dòng)化。想要突破全工藝過程的100%自動(dòng)化，其關(guān)鍵在于視覺技術(shù)的應(yīng)用。將視覺系統(tǒng)集成到機(jī)器人抓取零件和裝配等工藝過程中，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)柔性生產(chǎn)。機(jī)器人通過視覺識(shí)別零件定位，無論是大型還是小型、有序擺放還是無序擺放的，都可以有效地進(jìn)行零件位置的獲取。這種模式釋放了各種定位工裝和料架高精度要求的約束，提升了產(chǎn)線的柔性生產(chǎn)能力。

1機(jī)器人視覺抓件技術(shù)在汽車焊裝產(chǎn)線的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1機(jī)器人視覺抓件技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)器人視覺抓件技術(shù)是借助視覺感知相機(jī)、工業(yè)機(jī)器人以及抓取機(jī)構(gòu)三方綜合應(yīng)用的一門技術(shù)。視覺感知相機(jī)通過攝像機(jī)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行圖像采集、分析和處理，識(shí)別物體的位置，它涉及了光學(xué)原理、圖像處理、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及模式識(shí)別等眾多學(xué)科領(lǐng)域。視覺感知相機(jī)通過識(shí)別出來的位置信息發(fā)送坐標(biāo)數(shù)據(jù)給機(jī)器人系統(tǒng)[1]，機(jī)器人系統(tǒng)接到具體的坐標(biāo)指令后，修正自身的抓取軌跡，行走至抓取位置進(jìn)行物體的抓取。

整個(gè)物體抓取由機(jī)器人末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施，機(jī)器人系統(tǒng)以及視覺抓件系統(tǒng)負(fù)責(zé)抓取位置的感知和物體的挪移運(yùn)動(dòng)。機(jī)器視覺抓件技術(shù)具有檢測(cè)精度高、速度快和實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì)，能最大化釋放機(jī)器人的柔性能力[2]，提升產(chǎn)線的柔性化，提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本（圖1）。

1.2汽車焊裝產(chǎn)線機(jī)器人抓件技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著汽車產(chǎn)線智能化和無人化的不斷發(fā)展和推進(jìn)，產(chǎn)線柔性能力需求也越來越大。機(jī)器人視覺抓件技因?yàn)槠涓呷嵝院透呔鹊奶攸c(diǎn)[3]，在汽車廠商焊裝車間的應(yīng)用越來越廣泛（圖2）。機(jī)器人視覺抓件技術(shù)從初始外協(xié)的小件零件到?jīng)_壓的大覆蓋鈑金件，均能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)抓取，在技術(shù)應(yīng)用上不斷拓展其應(yīng)用場(chǎng)景。

目前焊裝車間主要有以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景：機(jī)器人引導(dǎo)智能組裝系統(tǒng)（四門兩蓋組裝）；車身件鈑金件引導(dǎo)機(jī)器人抓取和安裝；螺栓以及小支架自動(dòng)抓取等。雖然機(jī)器人視覺抓件技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，但實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在著抓件精度不足、故障率頻次高以及故障恢復(fù)時(shí)間長等問題（圖3），導(dǎo)致整線的生產(chǎn)效率降低，這對(duì)于焊裝產(chǎn)線推廣應(yīng)有機(jī)器人視覺抓件技術(shù)存在著很大的困擾。如何提升機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，成為各個(gè)汽車廠商焊裝車間急需要解決的難題[4]。

2機(jī)器人視覺抓件技術(shù)應(yīng)用中的問題及原因分析

很多汽車廠商在推進(jìn)機(jī)器人視覺抓件技術(shù)的時(shí)候感到阻力，主要顧慮點(diǎn)在于機(jī)器人抓件技術(shù)成本太高或者故障率太高，無法正常生產(chǎn)或者大規(guī)模推廣使用，導(dǎo)致機(jī)器人視覺技術(shù)應(yīng)用的整體效果大打折扣。通過日常使用的數(shù)據(jù)綜合來看，抓件技術(shù)應(yīng)用中的問題可以歸納為以下3種情況，筆者對(duì)這些問題的內(nèi)在原因也進(jìn)行了分析。

2.1機(jī)器人視覺抓件成功率低，精度不足

機(jī)器人視覺抓件技術(shù)的應(yīng)用過程中，視覺識(shí)別的精度經(jīng)常是影響正常運(yùn)行的主要問題之一。造成這種原因的主要原因可以分為2類：一類是硬件設(shè)置的問題，如相機(jī)選型、光源布置以及相機(jī)安裝方式等不合理，導(dǎo)致視覺成像精度差，從而影響坐標(biāo)值輸出的準(zhǔn)確度，影響到機(jī)器人抓件精度；另一類是視覺本身的算法問題、設(shè)備參數(shù)的調(diào)試以及特征點(diǎn)選取等問題，導(dǎo)致輸出的坐標(biāo)參數(shù)與實(shí)際的零件坐標(biāo)差異大，從而影響機(jī)器人的抓件精度，頻繁出現(xiàn)零件不進(jìn)銷或者被擠壓變形等問題。

2.2機(jī)器人視覺抓件故障率高，穩(wěn)定性不足

機(jī)器人視覺抓件的穩(wěn)定性問題主要集中在機(jī)器人抓手、零件和零件料框三者之間的尺寸配合問題上，這也往往是機(jī)器人視覺抓件集成過程中難度最大的地方。外協(xié)件的料框尺寸在實(shí)際投入使用過程中一致性通常較差，主要由于零件料框由鈑金供應(yīng)商提供，其尺寸和前期設(shè)計(jì)均由供應(yīng)商負(fù)責(zé)。料框最基本的要求也僅僅是滿足零件的包裝運(yùn)輸要求，同時(shí)由于成本的控制，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不會(huì)控制在較高的水平，所以運(yùn)輸過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碰撞變形。工裝抓手的設(shè)計(jì)往往也僅考慮零件的定位和抓取問題。

所以料框和工裝抓手的設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)了脫節(jié)，而機(jī)器人視覺抓件技術(shù)又需要兩者相互配合。這就造成這兩者之間的尺寸經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致抓件時(shí)抓手與料框干涉、零件與料框干涉等問題，安全距離設(shè)置不足，甚至在后期應(yīng)用時(shí)，抓件識(shí)別成功率不高或者故障率高。

2.3機(jī)器人視覺抓件故障恢復(fù)時(shí)間長

在機(jī)器人視覺抓件項(xiàng)目調(diào)試或者生產(chǎn)過程中，由于視覺系統(tǒng)識(shí)別失敗或人為操作失誤等原因，導(dǎo)致機(jī)器人沒有按照預(yù)設(shè)好的行走軌跡進(jìn)行零件抓取，造成機(jī)器人抓手與料框或零件發(fā)生碰撞，故障嚴(yán)重時(shí)抓手完全變形無法進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行正常生產(chǎn)。在故障恢復(fù)過程中，除了需要重新校準(zhǔn)抓手外，還需要對(duì)視覺系統(tǒng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)和標(biāo)定，整個(gè)故障恢復(fù)時(shí)間相比傳統(tǒng)的抓件模式多出2h。長時(shí)間的停線影響整體產(chǎn)線的產(chǎn)量輸出，對(duì)于許多汽車廠商來說是無法接受的損失。為了應(yīng)對(duì)這種情況的出現(xiàn)，許多汽車廠商在建設(shè)機(jī)器人視覺抓件的同時(shí)，設(shè)有臨時(shí)人工吊運(yùn)的旁路。這雖然能夠臨時(shí)解決停線的問題，但多投入的這些設(shè)備和人，在機(jī)器人視覺抓件正常工作時(shí)又是一種資源浪費(fèi)。

3汽車焊裝產(chǎn)線的機(jī)器人視覺抓件的優(yōu)化

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)存在的問題，要對(duì)整個(gè)機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，需要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件選擇、流程控制以及料框精度和定位等多個(gè)方面進(jìn)行提升，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.1機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提升機(jī)器人視覺抓件的成功率和故障率，減少因視覺識(shí)別失敗或者料框及零件出現(xiàn)偏差導(dǎo)致設(shè)備碰撞引起大的設(shè)備故障停線，需對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)的機(jī)器人抓件視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加2D的平面相機(jī)，融合2個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系，通過融合數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)軌跡的糾偏，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)視覺系統(tǒng)的快速標(biāo)定和恢復(fù)（圖4）。

整個(gè)工藝流程中，當(dāng)料框到位后，單目相機(jī)對(duì)料框的標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拍照，計(jì)算出料框的實(shí)際中心位姿，并與示教位姿進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出機(jī)器人進(jìn)出料框的軌跡補(bǔ)償量。同時(shí)每次抓件前，單目相機(jī)拍照進(jìn)行車型的式樣差檢查，并判斷料框物料的托塊是否打開到位，零件是否為可抓取狀態(tài)，以避免抓手與料架的干涉。機(jī)器人根據(jù)視覺系統(tǒng)的補(bǔ)償量調(diào)整軌跡進(jìn)入料框，在料框內(nèi)利用3D相機(jī)對(duì)物料進(jìn)行近距離拍照，獲取待抓取物料的位姿，計(jì)算出機(jī)器人的軌跡補(bǔ)償值。機(jī)器人調(diào)整軌跡抓取物料，抓取零件后機(jī)器人再按照料框的偏差值修正軌跡行走出料框。新的視覺抓件系統(tǒng)能夠降低對(duì)零件料框的定位精度以及尺寸一致性的要求，從而降低零件料框的開發(fā)成本。同時(shí)，能夠最大限度降低故障碰撞發(fā)生的概率，提升機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2機(jī)器人抓件視覺相機(jī)的硬件選型

3.2.1視覺相機(jī)參數(shù)選擇

視覺相機(jī)的選取需要根據(jù)需要檢測(cè)對(duì)象的視野范圍大小，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況條件確認(rèn)拍照距離，以此為基礎(chǔ)來確定相機(jī)和鏡頭的型號(hào)。對(duì)于汽車焊裝產(chǎn)線來說，主要有小件抓取、大件抓取和測(cè)量等的視覺應(yīng)用場(chǎng)景。其主要應(yīng)用3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的選擇[4]，常用的相機(jī)配置選擇參數(shù)推薦如表1。

3.2.2機(jī)器人視覺抓件光源和布置方式選擇

光源的選擇應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同的型號(hào)，常用的有LED、熒光燈和鹵素?zé)?。其中，LED照射形狀、大小和顏色種類豐富，轉(zhuǎn)換特性良好，壽命約3萬h；熒光燈可實(shí)現(xiàn)大范圍照射、較為便宜，使10kHz以上的高頻型式，壽命約為2000h；鹵素?zé)艟哂懈咻x度、光纖傳導(dǎo)和冷光照明等特性，壽命約為1000h。

機(jī)器人視覺光源布置的方式，不同的光照類型對(duì)視覺拍照成像的影響比較大。機(jī)器人視覺一般有以下幾種常見的光源布置方式：第一種將平面發(fā)光的擴(kuò)散光線通過半反射鏡進(jìn)行反射后，照射到與CCD相機(jī)光軸相同的軸上，有利于著重提取凹凸和平行度等的變化情況；第二種是通過從斜側(cè)方照射以拍攝到陰影的對(duì)比度，有利于對(duì)邊緣或表面凹凸的識(shí)別時(shí)；第三種是當(dāng)進(jìn)行工件背影寬度等尺寸檢測(cè)時(shí)，使用背光照射方式可得到穩(wěn)定的檢測(cè)[5]。

3.2.3機(jī)器人視覺抓件的安裝方式選擇

機(jī)器人視覺系統(tǒng)的安裝常選擇以下2種方式。

第一種是相機(jī)固定的方式，這種方式優(yōu)勢(shì)是可以在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)拍照，相機(jī)連接電纜鋪設(shè)簡(jiǎn)易，但該方式的檢測(cè)區(qū)域固定，如果因外界因素導(dǎo)致相機(jī)和機(jī)器人間相對(duì)位置變更，必須重新示教標(biāo)定。

第二種方式是相機(jī)固定在機(jī)器人上，檢測(cè)區(qū)域可以隨機(jī)器人變化，整體檢測(cè)范圍增加。這種方式可以使用較大范圍的相機(jī)焦距，可以提升檢測(cè)精度，且容易拓展再檢測(cè)功能。但是這種方式下，機(jī)器人無法在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)拍照，需要先降速穩(wěn)定后進(jìn)行拍照，拍完照之后再加速運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，這種方式下還須注意光源是否被機(jī)器人或外圍設(shè)備干涉，注意照相機(jī)連接電纜的磨損現(xiàn)象，避免線纜出現(xiàn)拉扯和磨損影響生產(chǎn)效率。

在實(shí)際的機(jī)器人抓件場(chǎng)景的使用中，相機(jī)安裝在機(jī)器人六軸上的應(yīng)用方式最廣，適用性更強(qiáng)，可滿足多車型共用，不隨抓手切換。

3.3料框定位系統(tǒng)精度的提升

為了能夠避免料框和機(jī)器人抓手在配合上的誤差，機(jī)器人抓手在設(shè)計(jì)初期要同步開始設(shè)計(jì)料框的形式。抓手設(shè)計(jì)和料架建議采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，零件的變化僅需要改變部分結(jié)構(gòu)，這樣能夠快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)到制造的過程，同時(shí)也減少很多不必要的變量影響。對(duì)于整個(gè)料框的設(shè)計(jì)有一些最基本的參數(shù)要求，例如物料擺放位置度容差范圍：X、Y≤±70.0mm（z向偏差），傾斜角度≤±5°。料框的框架的立柱垂直度需要控制在≤±3°的偏差范圍內(nèi)；料框與抓手立柱以及零件支撐塊的安全距離設(shè)置＞50.0mm，避免抓手在抓取過程中出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致與料框發(fā)生碰撞。

3.4優(yōu)化機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)的處理流程

對(duì)以前定點(diǎn)拍照的處理流程進(jìn)行優(yōu)化。原流程機(jī)器人視覺抓件的成功率大多需要依靠零件料框定位系統(tǒng)的精度（料框相對(duì)機(jī)器人以及零件相對(duì)料框的精度）。根據(jù)上述分析，料框定位系統(tǒng)的精度一致性在抓件過程中很難得到保證。所以在零件抓取作業(yè)的整個(gè)流程中，如果料框系統(tǒng)的定位精度高，機(jī)器人可直接進(jìn)入拍照位進(jìn)行識(shí)別抓??；但當(dāng)出現(xiàn)料框系統(tǒng)的定位精度不足時(shí)，固定位置拍照很有可能無法識(shí)別到零件的位置，從而影響機(jī)器人抓件成功率。

通過增加對(duì)料框位置實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別，可以避免這一情況的出現(xiàn)（圖5）。機(jī)器人需要在高位先對(duì)料框的位置進(jìn)行識(shí)別判定，找到料框的位置后再運(yùn)動(dòng)至料框的零件拍照位置，拍照識(shí)別零件在料框中的位置，并判斷零件有無、是否為可抓取狀態(tài)后再進(jìn)行定位識(shí)別，這樣可大幅度提升機(jī)器人抓件成功率。

4機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證

按優(yōu)化后的機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)對(duì)某車型的前地板焊合總成抓件工位改進(jìn)，同時(shí)對(duì)機(jī)器人視覺系統(tǒng)進(jìn)行布置的同時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)精度、檢測(cè)時(shí)間以及系統(tǒng)故障率進(jìn)行操作測(cè)試。以某車型前地板焊合總成作為測(cè)試樣件，針對(duì)測(cè)試目標(biāo)搭建測(cè)試平臺(tái)。要求：視覺檢測(cè)的點(diǎn)云模型與數(shù)模設(shè)計(jì)圖的尺寸偏差為±0.5mm（孔、邊、面的精度）；定位銷的配合公差為±0.5mm，用于檢測(cè)視覺識(shí)別精度；工作距離（即相機(jī)的拍照距離）為1300.0～1600.0mm；相機(jī)視野選擇800.0mm×800.0mm。選取一塊固定位置作為定位識(shí)別區(qū)域，以此為基準(zhǔn)引導(dǎo)抓取。整個(gè)測(cè)試分3組進(jìn)行，拍照距離分別為1300.0mm、1450.0mm和1600.0mm，測(cè)試結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)抓件引導(dǎo)共進(jìn)行733次，成功732次；在±0.3mm的識(shí)別精度要求下，抓件成功率達(dá)99.8%，滿足機(jī)器人視覺抓件識(shí)別的成功率要求。

5結(jié)束語

機(jī)器人視覺抓件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化后，能以較低的成本提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，降低機(jī)器人抓件視覺的故障率。同時(shí)，能夠縮短其故障恢復(fù)時(shí)間，保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和裝產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。隨著機(jī)器人視覺抓件技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人會(huì)越來越智能化、視覺識(shí)別的精度越來越高、算法越來越成熟，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化下，穩(wěn)定性也會(huì)越高。由此可見，機(jī)器人視覺抓件技術(shù)在汽車焊裝線將會(huì)被廣泛應(yīng)用，不斷提升汽車制造廠商的無人化和智能化水平，在智能制造的舞臺(tái)上發(fā)揮著不可替代的積極作用。