余舒帆

（上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，上海 201206）

1980年，日本工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)開始普及，經(jīng)歷了30年的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人搬運(yùn)的高速化、柔性化、高精度技術(shù)要求越來(lái)越高。針對(duì)這樣的情況，F(xiàn)ANUC公司在2010年推出了Robot M－3iA機(jī)器人，配合獲得“日本國(guó)2007經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣獎(jiǎng)”的FANUC智能機(jī)器人超高速視覺(jué)線跟蹤功能，組合成無(wú)定位不停線高速傳送系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全能適應(yīng)現(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)短距離傳送帶間的高速搬運(yùn)、高速拾取作業(yè)和復(fù)雜裝配作業(yè)。

2008年，我國(guó)實(shí)施新《勞動(dòng)法》后，勞動(dòng)力成本大幅提升，經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生了變化，使得某些制造商將勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到勞動(dòng)力成本更加低廉的東南亞各國(guó)；另一方面也促使本土企業(yè)更加重視提升工廠自動(dòng)化水平。另外，由于越來(lái)越多的國(guó)際汽車廠商登陸中國(guó)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)刺激了中國(guó)本土汽車廠商對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。隨著中國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、勞動(dòng)力成本的上升、人口結(jié)構(gòu)的變化，未來(lái)國(guó)內(nèi)將迎來(lái)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的爆發(fā)性增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2011年，我國(guó)將新安裝各類工業(yè)機(jī)器人9500臺(tái)，市場(chǎng)保有量將達(dá)到48600臺(tái)［1］。本文介紹FANUC機(jī)器人的視覺(jué)跟蹤和傳送帶跟蹤技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)布局

本系統(tǒng)的總體布置圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)布置圖

FANUC Robot M－3iA系統(tǒng)布置為2條并排的傳送帶，機(jī)器人只需要將一條傳送帶上的、隨意倒放的工件整齊地豎立在另一條傳送帶上，兩帶距離僅300mm左右。當(dāng)目標(biāo)拾取點(diǎn)至目標(biāo)放置點(diǎn)的距離減少時(shí)，機(jī)器人可以做較短的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)停線高速傳送。

對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的距離，高速機(jī)器人［2］能在單位時(shí)間內(nèi)做更多的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，處理大量傳送目標(biāo)。一般而言，這種機(jī)器人的負(fù)載和活動(dòng)范圍均較小，如M－1iA負(fù)重1kg，活動(dòng)范圍為φ280mm。當(dāng)使用一個(gè)可以同時(shí)抓取多目標(biāo)的手爪時(shí)，放置目標(biāo)需要的往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)將減少，使得一個(gè)機(jī)器人可以處理大量的傳送目標(biāo)。但另一方面，此手爪會(huì)比較重，可能超過(guò)1kg；因此，需要注意手爪加上工件的累計(jì)質(zhì)量是否超過(guò)機(jī)器人的傳送負(fù)荷。一般而言，較大的手爪也可能會(huì)導(dǎo)致與周邊設(shè)備及機(jī)器人的干涉。由于展示系統(tǒng)主要強(qiáng)調(diào)的是FANUC Robot M－3iA型機(jī)器人的高速性能，故本文采用1個(gè)抓取單一目標(biāo)的手爪，在單位時(shí)間內(nèi)做更多的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，處理大量傳送目標(biāo)。FANUC Robot M－3iA型機(jī)器人不僅高速，而且拾取質(zhì)量可以達(dá)到6kg，根據(jù)工件要求可以設(shè)計(jì)出合理的手爪，充分發(fā)揮出其速度優(yōu)勢(shì)。

1.2 功能簡(jiǎn)介

1.2.1 FANUC Robot M－3iA

M－3iA型機(jī)器人能進(jìn)行高速動(dòng)作，機(jī)械軸J4，J5，J6最大速度達(dá)34.88rad／s手臂前端質(zhì)量輕，可實(shí)現(xiàn)提高加速度，加快運(yùn)動(dòng)頻率；構(gòu)造簡(jiǎn)單的連桿的組合，使各個(gè)連桿的長(zhǎng)度誤差被平均化，重復(fù)位置精度高達(dá)0.1mm；所有接合部位與關(guān)節(jié)部位采用密封構(gòu)造，密閉等級(jí)為IP67，即使在粉塵、油霧漂浮環(huán)境下也可安心作業(yè)；電機(jī)等重要驅(qū)動(dòng)裝置未安置在連桿前端部位，以確保在惡劣環(huán)境下以及高加速度的作業(yè)環(huán)境下具有可靠性；表面處理可耐受日常殺菌清洗用的酸或堿性的清洗液。M－3iA機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)家用電器、機(jī)械部件裝配、食品搬運(yùn)等多用途作業(yè)能力。

機(jī)器人負(fù)載如圖2所示，距離腕部越近時(shí)，其負(fù)載可以越大。

圖2 腕部負(fù)載圖

1.2.2 視覺(jué)跟蹤

iRVision視覺(jué)跟蹤是一種視覺(jué)檢測(cè)多個(gè)工件流過(guò)傳送機(jī)、使機(jī)器人沿著工件傳送帶撿起工件的應(yīng)用。視覺(jué)跟蹤具有良好的隊(duì)列管理功能，使多個(gè)機(jī)器人能分擔(dān)傳送帶拾取工件的工作；其也支持多條傳送帶間的運(yùn)用，每個(gè)機(jī)器人拿起工件從一個(gè)傳送帶放到另一個(gè)傳送帶上，放工件的傳送帶只需要編碼器，不用攝像機(jī)就可以使用。如圖3所示。

圖3 視覺(jué)跟蹤圖

1.2.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)是運(yùn)用高速機(jī)器人，將上料傳送帶上的、隨意擺放的工件（化妝品）在不停傳送帶的情況下，取料并整齊地樹立起來(lái)，放置在下料傳送帶上，傳送數(shù)量為60pic／min。系統(tǒng)主要展示了FANUC機(jī)器人的視覺(jué)跟蹤和傳送帶跟蹤技術(shù)（Visual Tracking and Line Tracking）及M－3iA型機(jī)器人高速搬運(yùn)能力。

2 視覺(jué)跟蹤

圖4為視覺(jué)跟蹤應(yīng)用示意圖。

圖4 視覺(jué)跟蹤應(yīng)用示意圖

2.1 系統(tǒng)配置

圖5 相機(jī)

相機(jī)為XC－56型（見圖5），其電荷耦合器件尺寸為1／3″，網(wǎng)格尺寸為0.0074V，鏡頭選用的鏡頭焦距為12mm（見圖6）。

圖6 鏡頭

光纖電纜（Optical Fiber）、FANUC線跟蹤電路板、編碼器電纜和編碼器如圖7所示。

圖7 編碼器連接

相機(jī)電纜用于連接相機(jī)和視覺(jué)板，如圖8所示。

圖8 相機(jī)連接

2.2 應(yīng)用原理

圖9為視覺(jué)跟蹤功能原理示意圖。通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置和示教，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)跟蹤功能。白色和橙色區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人抓取工作區(qū)域，藍(lán)色為機(jī)器人識(shí)別工件區(qū)域，橙色區(qū)域?yàn)楣ぜypass區(qū)域。工件通過(guò)攝像機(jī)識(shí)別，機(jī)器人計(jì)算出工件位于輸送帶上的橫向坐標(biāo)和角度，通過(guò)編碼器的數(shù)據(jù)算出工件縱向坐標(biāo)；待進(jìn)入機(jī)器人抓取工作區(qū)域，就快速拾取。

圖9 視覺(jué)跟蹤功能原理示意圖

當(dāng)然，原理是通過(guò)實(shí)踐才能更加真實(shí)。在視覺(jué)跟蹤功能應(yīng)用中，需注意以下幾點(diǎn)。

（1）編碼器安裝位置遠(yuǎn)離機(jī)器人運(yùn)行范圍［3］。通常，將編碼器安裝在相對(duì)照相機(jī)視野范圍的上游位置并遠(yuǎn)離照相機(jī)視野。為更精確地測(cè)量傳送帶的移動(dòng)速度值，將一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤附加在編碼器的頂端，使圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)直接接觸于傳送皮帶上，而不是直接將編碼器附加在傳送帶主動(dòng)軸／從動(dòng)軸上。確認(rèn)在旋轉(zhuǎn)圓盤和傳送皮帶間沒(méi)有滑動(dòng)產(chǎn)生。如果產(chǎn)生滑動(dòng)，機(jī)器人處理的精確度將因此降低。

（2）傳送設(shè)備速度的設(shè)定。傳送數(shù)量取決于傳送帶速度和在傳送帶上的目標(biāo)密度。當(dāng)傳送速度為200mm／s，目標(biāo)定位為平均間距100mm，傳送數(shù)量為120pic／min。另外，當(dāng)傳送速度為100mm／s，目標(biāo)定位平均間距為50mm，傳送數(shù)量同樣為120pic／min。所以，當(dāng)傳送速度變慢時(shí)，機(jī)器人跟蹤精確度和視覺(jué)偵測(cè)精確度將提升。這意味著一個(gè)低速的傳送帶將帶來(lái)系統(tǒng)全面的高性能表現(xiàn)。

（3）視覺(jué)系統(tǒng)啟動(dòng)間隔的設(shè)定［4］。為了使在傳送帶上的目標(biāo)不丟失，視覺(jué)系統(tǒng)需要每次在傳送帶移動(dòng)一個(gè)確定距離時(shí)至少成像一次；因此，視覺(jué)系統(tǒng)的高度受傳送速度影響。傳送帶移動(dòng)得快，要求成像頻率也要快，導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)的負(fù)載增加。相反地，如果在一次成像過(guò)程中傳送帶移動(dòng)得足夠慢以偵測(cè)多數(shù)目標(biāo)，即使不改變傳送數(shù)量，視覺(jué)系統(tǒng)的負(fù)載也將降低。視覺(jué)系統(tǒng)啟動(dòng)間隔計(jì)算如下：

盡管照相機(jī)視覺(jué)范圍放大會(huì)降低視覺(jué)系統(tǒng)確定的精確度，但是當(dāng)照相機(jī)視覺(jué)范圍被放大，視覺(jué)系統(tǒng)啟動(dòng)間隔將降低。

（4）曝光時(shí)間的確定。匹配傳送速度，照相機(jī)曝光時(shí)間將被確定。照相機(jī)曝光時(shí)間直接附加在成像過(guò)程時(shí)間中，所以，傳送帶移動(dòng)慢，相對(duì)短的曝光時(shí)間將被確認(rèn)。假定傳送帶水平移動(dòng)，匹配傳送速度的曝光時(shí)間為

式中，Ss為曝光時(shí)間（s）；Im為成像位移（像素）；Hf為視覺(jué)范圍水平尺寸（mm）；Is為水平成像尺寸（像素）；Cs為傳送帶速度（mm／s）。

若Im＝0.5像素，Hf＝512mm，Is＝512像素，Cs＝100mm／s，則

設(shè)定曝光時(shí)間低于5ms。為獲得短的曝光時(shí)間，強(qiáng)大的照明是必需的。根據(jù)上述計(jì)算的曝光時(shí)間，預(yù)備照明時(shí)應(yīng)使成像充分明亮。

（5）處理精確度［5］。處理精確度受系統(tǒng)曝光時(shí)間和傳送速度影響。誤差值計(jì)算如下：

曝光誤差（mm）＝傳送速度（mm／s）×曝光時(shí)間（ms）

同時(shí)，機(jī)器人處理精確度也受視覺(jué)系統(tǒng)精度因數(shù)、照相機(jī)精度校準(zhǔn)、示教點(diǎn)精度、控制器進(jìn)程變化的影響。此外，在實(shí)際系統(tǒng)中，傳送設(shè)備產(chǎn)生的震動(dòng)或大型沖壓件邊緣的擺動(dòng)等外部因素也會(huì)降低精確度。當(dāng)同時(shí)考慮這些因數(shù)時(shí)，處理誤差將遠(yuǎn)大于上述計(jì)算取得的曝光誤差值。

綜上所述，通過(guò)以下調(diào)節(jié)，處理誤差可以被降低：① 正確設(shè)置TCP；② 同一時(shí)刻確認(rèn)較多的目標(biāo)；③ 降低傳送速度；④ 縮短曝光時(shí)間；⑤ 調(diào)節(jié)跟蹤運(yùn)行過(guò)程；⑥ 跟蹤運(yùn)行調(diào)節(jié)。

2.3 應(yīng)用設(shè)置

步驟設(shè)置如圖10所示，詳細(xì)可參考FANUC的iRVision Visual Tracking START－UP GUIDANCE。本文就一些具體情況提出處理措施。

圖10 設(shè)置步驟

2.3.1 出現(xiàn)遺漏或不拾取工件情況

（1）當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行太慢時(shí)，禁用機(jī)器人熱啟動(dòng)。

（2）當(dāng)機(jī)器人動(dòng)作速度太慢時(shí)，可加入加速度指令或更改合適的手部負(fù)重。

（3）當(dāng)工作區(qū)域設(shè)置錯(cuò)誤或被禁用時(shí)，可更改合理的工作區(qū)域。

（4）當(dāng)視覺(jué)設(shè)置中未設(shè)置有效的工件特征時(shí)（如圖11設(shè)置畫面），可重新確認(rèn)工作特征。

（5）當(dāng)傳感器工作沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)，可在設(shè)置菜單中重新設(shè)置傳感器。

（6）若PC（VSTKGETQ）程序的工件號(hào)不匹配時(shí)，可檢驗(yàn)視覺(jué)設(shè)置的工件號(hào)。

（7）若視覺(jué)設(shè)置檢測(cè)太慢，未能跟上傳送帶速度，當(dāng)需要執(zhí)行拾取時(shí)，工件已經(jīng)出界。可以降低傳送帶速度或擴(kuò)大視野范圍，以及更改曝光時(shí)間。

圖11 視覺(jué)跟蹤工件識(shí)別拍照?qǐng)D

（8）若放棄抓取工件區(qū)域設(shè)置不合理，浪費(fèi)了太多可拾取空間時(shí)，可重新設(shè)置并放大抓取空間。

2.3.2 出現(xiàn)一個(gè)工件重復(fù)拾取情況

（1）若相機(jī)標(biāo)定設(shè)置不合理，可檢查相機(jī)標(biāo)定的工具坐標(biāo)原點(diǎn)（TCP）是否正確，相機(jī)焦距是否正確。

（2）分配區(qū)域設(shè)置不合理。該區(qū)域不能設(shè)置在視野范圍之內(nèi)。如果設(shè)置在內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人已經(jīng)被分配過(guò)一次拾取任務(wù)，然后進(jìn)入了分配區(qū)域，但工件在沒(méi)被拾取前，又被相機(jī)檢測(cè)到，再次被分配任務(wù)，即產(chǎn)生重復(fù)拾取。

（3）重復(fù)公差設(shè)置太小，一般為10。若設(shè)置太小，會(huì)被誤認(rèn)為是2個(gè)工件。

（4）錯(cuò)誤的工件被檢測(cè)到。檢查視覺(jué)設(shè)置的特征設(shè)置。

2.3.3 “Vision overrun”報(bào)警經(jīng)常出現(xiàn)

這項(xiàng)警告是由于視覺(jué)時(shí)間間隔比不合理。雖然這個(gè)警告不會(huì)停止系統(tǒng)，但當(dāng)前一個(gè)過(guò)程完成進(jìn)行下一個(gè)過(guò)程時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致某些工件在等待完成的過(guò)程時(shí)，通過(guò)了視野范圍。在這種情況下，必須提高系統(tǒng)配置。視覺(jué)系統(tǒng)啟動(dòng)間隔（mm）的延長(zhǎng)可以有效改變這種情況，或降低曝光時(shí)間。

2.3.4 視覺(jué)補(bǔ)償在傳送帶末端偏離較大

用于相機(jī)檢校的校準(zhǔn)板間距可能太小，鏡頭變形不能正確計(jì)算。如果鏡頭不能正確地計(jì)算相機(jī)檢校，在計(jì)算視野的邊緣時(shí)工件的位置也不會(huì)正確，此時(shí)，可使校準(zhǔn)板完全覆蓋視野，再校準(zhǔn)一遍便可。另外，正確的工件高度也會(huì)影響視覺(jué)補(bǔ)償，所以在跟蹤坐標(biāo)系下要設(shè)置正確的工件高度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文著重描述了無(wú)定位不停線高速傳送線M－3iA機(jī)器人系統(tǒng)3項(xiàng)新技術(shù)：①FANUC機(jī)器人的視覺(jué)跟蹤技術(shù)；② 直線跟蹤技術(shù)；③ M－3iA型機(jī)器人。它們組合應(yīng)用體現(xiàn)了無(wú)定位不停線高速傳送的優(yōu)點(diǎn)。

該系統(tǒng)的iRVision視覺(jué)跟蹤部分，還有存在以下不足：① 目前iRVision視覺(jué)跟蹤部分只支持進(jìn)行直線跟蹤，不支持曲線Rail跟蹤和環(huán)形Circular跟蹤；② 不支持對(duì)一個(gè)大型目標(biāo)使用復(fù)數(shù)照相機(jī)視野進(jìn)行視覺(jué)跟蹤。

相信在不久將來(lái)，運(yùn)用成熟之后，各種應(yīng)用也會(huì)被更多的新功能所完善。

［1］中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng).我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)空間EB／OL（2010－1－15）［2011－5－5］.http：／／www.ca800.com／news／html／2010－1－15／nl094680.html.

［2］白口井明，ロボット［M］.日本：共立出版，1983.4：13－14.

［3］波波夫E.操作機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與算法 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：167－169.

［4］錢新恩，夏朝猛.計(jì)算機(jī)視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2006，1（25）：114－116.

［5］吳振彪，王正家.工業(yè)機(jī)器人［M］.2版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006：125－147.