視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動化上的應用

“中國制造2025”中明確要大力發(fā)展機器人產業(yè)，其全球產值預期可達4.5萬億美元，其中三分之一可以在工業(yè)和服務領域使用智能機器人承擔7500萬個全職工人的工作，但是工業(yè)機器人自從誕生以來，就一直在按照工程師編寫的既定程序軌跡重復精確的執(zhí)行預定的工作，稍有偏差，機器人就報錯怠工，未來的工業(yè)智能機器人需要更多的人機交互智能感知的功能，尤其迫切的需要給機器人裝上“眼睛”,視覺系統(tǒng)的應用也越來越廣。

1  視覺系統(tǒng)的構成

視覺系統(tǒng)就是用機器代替人眼來做測量和判斷，通過將目標進行攝像拍照獲取圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，轉換為數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化信號進行運算獲取目標的特征，根據(jù)邏輯判斷的結果來控制現(xiàn)場機器設備的動作，進行各種裝配或者檢測報警缺陷產品.

視覺系統(tǒng)的主要構成，一般分為五大塊，照明/鏡頭/相機/圖像采集卡/視覺處理器，其中拍照攝像設備或圖像傳感器，視頻信號數(shù)字化設備，視頻信號處理器在應用上不斷推陳出新，技術上從2D到3D不斷進步.

2  視覺系統(tǒng)的應用

視覺系統(tǒng)的應用，從功能上分，主要是檢測，測量，定位，跟蹤，引導。在實際工廠應用上可以分為檢查防錯，測量分析，視覺跟蹤，引導抓取件,精確裝配等.

要實現(xiàn)視覺系統(tǒng)工裝，要明確兩個定義，并在系統(tǒng)中構建測量和定位的設備。

（1）測量：針對特征點而言，測量結果為特征點在測量坐標系下的坐標（x, y, z）； 

在實際應用中，測量包含2D測量（只測量特征點的x,y坐標）和3D測量（測量特征點的x,y,z坐標），

通過拍照獲取目標物體特征點的坐標值，在坐標系上確認。

（2）定位：針對目標物體而言，定位結果為目標物體相對于參考坐標系的姿態(tài)（x, y, z, Ra, Rb, Rc）；定位包含2D定位（定位目標物體在參考坐標系x,y方向上的移動和繞z方向的旋轉），2.5D定位（定位目標物體在參考坐標系x,y,z方向上的移動和繞z方向的旋轉），3D定位（定位目標物體在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉）。

工位上的目標物體的姿態(tài)定位是基于物體上特征點的坐標測量結果計算得到的，表1分別描述了測量定位的方法和使用設備及應用場景。

單相機單視角測量   

2.5D定位 　 功能: 基于輪廓識別與輪廓匹配識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動量和繞z方向的旋轉； 

原理: 單目2D測量； 

堆垛，傳送帶取件 

單相機單視角測量          3D定位 　 功能: 基于特征識別并結合特征之間位置關系，識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉； 

前地板/后地板引導取件。 

多相機多視角測量        3D定位 　 功能: 基于特征識別并結合特征之間位置關系，識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉； 

原理: 多相機關系標定+單目3D姿態(tài)測量； 

四門取件，側圍外板引導取件。 

結構光測量  3D定位 　 功能: 基于多個基準特征的3D測量結果，識別零件在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉； 

原理: 結構光3D測量+321定位原理； 

頂蓋自動安裝，四門自動安裝。 

雙目測量    3D定位 　 功能:基于多個基準特征的3D測量結果，識別零件在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉； 

原理: 雙目3D測量+321定位原理； 

滾邊引導。 

表1  目標物體姿態(tài)定位 

基于工業(yè)自動化生產線，目前能快速應用的主要是視覺引導裝配和視覺防錯測量的，本文主要著重于視覺引導裝配應用的研究。

3  視覺裝配引導的應用 

視覺引導上件概念：視覺引導上件技術結合了視覺檢測技術和工業(yè)機器人運動學原理，為機器人安裝“眼睛”，突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制，使其能根據(jù)被操作工件的位置變化實時調整其工作軌跡，準確抓取工件，直接提升整個車身制造過程的自動化效率。

目前絕大部分國內汽車廠上料主要采用人工上件，合資汽車廠開始嘗試大量采用視覺引導上件，提高自動化程度，減少人工的使用。

人工上件過程1：人工上件到轉臺工裝，夾具夾緊后轉臺轉180°將四門內板轉至機器人側進行焊接。

人工上件過程2：人工上件到固定精定位工裝上，然后機器人在工裝上抓件

以上人工上件的工藝，始終需要有操作工人配合機器人，一件一件的給機器人提供物料，而采用視覺抓件后，操作工可以取消，物流人員直接將產品物料框放到工位指定位置，機器人直接可以直接取件，在物料框零件數(shù)量不足時，提醒更換新的滿件物料框.

視覺引導系統(tǒng)，利用相機拍照，結合零件自身的三維信息，實現(xiàn)零件相對于初始狀態(tài)的6自由度（3方向位置及3方向旋轉角度）精確定位。3D引導，x, y, z位置偏移及角度偏轉；結構緊湊，傳感器體積小；移動式/固定式，安裝于機器人6軸或通過固定支架安裝，其主要應用模式分為兩種，其一是，拍照式視覺引導流程： 

1.測距儀安裝在機器人抓手上，機器人與測距儀通過讀數(shù)模塊相連，實時讀取距離值。視覺引導系統(tǒng)與機器通過現(xiàn)場總線相連。 

2.物料框引導取件流程： 

3.機器人從等待位置運動至物料框前方某一固定位置； 

4.機器人沿物料框放件方向直線運動（目標點設置在料箱最后一個零件后方），同時機器人實時讀取測距儀數(shù)值，即料箱中最前面零件的位置； 

5.當機器人讀出距離值為1m（機器人程序設置）時，機器人運動速度降低至50%； 

6.當機器人讀出距離值為0.8m（機器人程序設置）時，機器人運動速度降低至20%；

7.當機器人讀出距離值為0.65m（機器人程序設置）時，機器人運動停止；

8.視覺系統(tǒng)控制相機對零件拍照； 

9.視覺系統(tǒng)計算零件偏差； 

10.機器人根據(jù)計算結果修正取件軌跡； 

11.機器人按修正后的軌跡進行取件。 

技術特點：機器人通過模塊實時讀取測距儀數(shù)值，即可實時感知零件位置，又可控制機器人前進運動速度；簡化機器人程序。

 拍照式視覺引導簡單，但對于精密裝配要求不能滿足尺寸要求，需要更激光3D視覺系統(tǒng)解決。即實現(xiàn)零部件最佳匹配安裝視覺引導解決方案。

利用3D激光傳感器測量零件特征，實時構建零件坐標系，精確定位待裝配零件及車身相對于初始狀態(tài)的6自由度偏差（3方向位置及3方向旋轉角度）。同時考慮被裝配件與車體的偏差，3D引導，x, y, z位置偏移及角度偏轉；移動式/固定式，安裝于機器人6軸或通過固定支架安裝

激光測量式3D定位技術 

利用多個（至少3個）激光傳感器測量零件特征3D坐標，根據(jù)特征測量結果構建零件坐標系，實現(xiàn)零件在參考坐標系下的3D定位（在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉）。

?利用激光傳感器測量至少3個基準特征的3D坐標，根據(jù)測量結果和3-2-1定位原則重建零件坐標系； 

?為實現(xiàn)機器人引導，需要對比實際零件坐標系和理論位置（示教位置），因此要求實際零件相對于示教零件的變形量盡可能??； 

?可實現(xiàn)零件的3D定位，允許零件x/y/z三方向±25mm位置偏差； 

?主要用于機器人四門兩蓋、頂蓋最佳匹配安裝。 

?車身頂蓋自動引導裝載系統(tǒng)中 

?目標姿態(tài)定位方法： 

?4點確定Z平面 

?4點的中點確定Y方向 

?2點的中點確定X位置

車身頂蓋引導裝配測量流程： 

（1）車身進入工位后，傳感器檢測車身位置及車頂開檔； 

（2）抓手抓取頂蓋后，裝配前，傳感器檢測頂蓋位置狀態(tài)； 

（3）根據(jù)測量結果計算出車頂需要糾正的偏差，實現(xiàn)精確裝載； 

（4）放置后，傳感器檢測頂蓋和車身匹配狀態(tài)； 

（5）如果位置偏差較大，需重新引導機器人二次精確裝載。 

4  視覺裝配引導的應用心得 

對比兩種視覺引導的技術特點，在表2中進行了詳細對比分析，方便在實際應用選擇.

相機拍照式3D引導 激光測量式3D引導

特征測量 2D測量，獲取每個特征的2D圖像坐標 3D測量，測量每個特征的3D坐標

測量方法 相機拍照，特征匹配 激光三角法測量

引導結果 3D引導，根據(jù)特征的2D圖像坐標和特征之間的相對位置關系，獲取零件在參考坐標系下的3D姿態(tài) 3D引導，根據(jù)特征的3D測量結果和3-2-1定位原則，獲取零件在參考坐標系下的姿態(tài)

系統(tǒng)容差范圍 容差范圍大，x/y/z方向位置偏差可達0mm，角度偏差可達±5° 容差范圍相對更小，x/y/z方向位置偏差可達±25mm，角度偏差較小

傳感器數(shù)量 最少1個，大型零件3個左右 最少3個，大型零件6個左右 

傳感器特點 傳感器尺寸?。↖SV傳感器光源一體式結構） 單個傳感器尺寸較大（工作距越大尺寸越大）

傳感器景深大（傳感器景深500~1000mm） 傳感器景深小（景深通常150mm左右）

測量特征 孔（圓孔/方孔/異型孔），角點 孔（圓孔/方孔/異型孔），棱邊，面點

零件變形影響 3D定位利用了零件上特征之間的相對位置關系，因此要求零件變形盡可能小。 3D引導需要將實際零件的零件坐標系與理論零件（示教零件）進行對比，因此要求零件變形盡可能小。

應用范圍 料箱自動上下件，EMS自動下件，，整車車身定位 四門兩蓋最佳匹配安裝，車頂自動裝載，沖孔引導，焊接引導，整車車身定位

核心優(yōu)勢 系統(tǒng)容差范圍大； 可以實現(xiàn)表面沒有孔特征零件的引導； 

對于沖壓件定位精度高。 可以實現(xiàn)外覆蓋件最佳匹配安裝。

表2  引導方式對比表

在工廠實踐視覺引導應用以來，綜合考慮人工成本，設備生命周期成本等因素，采用視覺引導帶來的實際效益在門蓋工位就能實現(xiàn)三年節(jié)約70多萬元，值得在更多領域推廣使用，另外激光3D引導能夠更柔性的滿足裝配最佳匹配的要求，保證產品質量的穩(wěn)定。隨著生產線更多元化的要求，視覺系統(tǒng)技術應用將越來越廣越來越深入。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://00559.cn/w/qk/21223.html