馬清伍

基于偏差反饋的視覺系統(tǒng)在自動涂膠工藝中的應(yīng)用

馬清伍

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130001）

介紹了一汽-大眾汽車有限公司密封涂膠機(jī)器人涂膠過程中視覺系統(tǒng)的原理及應(yīng)用。首先針對視覺系統(tǒng)基本原理、涉及到的各種空間坐標(biāo)系進(jìn)行了簡要介紹，然后詳細(xì)闡述了涂膠機(jī)器人站從無到有的過程中，各個機(jī)器人以及相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定步驟和理論依據(jù)，同時概括地?cái)⑹隽嘶谄钛a(bǔ)償?shù)耐磕z軌跡校正的工作過程。實(shí)際生產(chǎn)情況表明，視覺系統(tǒng)在配合機(jī)器人涂膠中應(yīng)用良好。

視覺系統(tǒng)；偏差補(bǔ)償；坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

前言

涂膠工藝是汽車涂裝行業(yè)中的重要工藝之一，其目的是為了密封車身鈑金之間的間隙，達(dá)到密封和防腐的目的。隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，自動化涂膠技術(shù)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)人工噴涂，工業(yè)機(jī)器人以及視覺系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在眾多汽車生產(chǎn)線?；谝曈X系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)耐磕z機(jī)器人，能夠準(zhǔn)確的識別車身工作區(qū)域，并進(jìn)行全自動化的涂膠工作，極大地提高了生產(chǎn)效率。

本文從視覺系統(tǒng)工作原理出發(fā)，對工業(yè)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)進(jìn)行了分析，并對此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵問題和解決辦法進(jìn)行了闡述。

1 3D視覺系統(tǒng)原理簡介

1.1 引入視覺系統(tǒng)的目的

涂膠工藝是汽車在涂裝車間的重要工藝，為保證車身的防腐性能，需要在必要的焊縫連接處涂抹PVC膠。此類工作早期全部由操作員手持噴槍完成，隨著自動化領(lǐng)域的發(fā)展，此工作已基本被機(jī)器人工作代替。涂膠機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，配備涂膠工藝設(shè)施，達(dá)到自動涂膠的目的。其本質(zhì)上來講，工業(yè)機(jī)器人仍然屬于固定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其缺乏對實(shí)時環(huán)境的判斷，只能沿用固定的程序進(jìn)行作業(yè)。

在此種情況下，三維視覺應(yīng)運(yùn)而生。通過精準(zhǔn)的視覺識別，確認(rèn)車身的位置信息后，將誤差反饋給機(jī)器人，從而使機(jī)器人能夠精準(zhǔn)作業(yè)。

1.2 視覺系統(tǒng)原理

視覺系統(tǒng)的本質(zhì)作用就是獲取當(dāng)前車身的位置，計(jì)算出與標(biāo)準(zhǔn)車身的位置差異。將誤差值反饋給機(jī)器人，從而使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行涂膠工藝。

圖1 相機(jī)布置方式

視覺系統(tǒng)的布置方式如圖1所示。通常在車身周圍布置4個相機(jī)，每臺相機(jī)識別車身的2-3個特征點(diǎn)。通過與模板中的點(diǎn)位置對比，得到每個點(diǎn)的位置變化，綜合各個特征位置的改變，得到車身位置的偏差。

1.3 各坐標(biāo)系介紹

基于視覺系統(tǒng)的自動涂膠機(jī)器人系統(tǒng)涉及多個坐標(biāo)基準(zhǔn)，為了能更便于計(jì)算和理解，以下會簡要介紹常用的幾種坐標(biāo)系。

室體坐標(biāo)系，也可稱為世界坐標(biāo)系，一般作為所有坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)，一旦確定后就不會產(chǎn)生變動。原點(diǎn)位于機(jī)器人室體的中心點(diǎn)，X向同車身前進(jìn)方向一致，Z向?yàn)樨Q直向上。

機(jī)器人基坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于機(jī)器人底座平面上與一軸的中心交點(diǎn)，X向?yàn)闄C(jī)器人底座后側(cè)垂直向前方向，Z軸向上。機(jī)器人基坐標(biāo)系是機(jī)器人的基本坐標(biāo)系，在無其他特殊配置的時候，可以用來控制單臺機(jī)器人的所有運(yùn)動。

工件坐標(biāo)系，為了保證機(jī)器人能夠按照我們需求的方向作為標(biāo)準(zhǔn)方向，通常需要根據(jù)工件的形狀或狀態(tài)設(shè)定工件坐標(biāo)系。進(jìn)行對機(jī)器人進(jìn)行編程時就是在工件坐標(biāo)中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑，重新定位工作站中的工件時，只需要更改工件坐標(biāo)的位置。這也為我們視覺系統(tǒng)提供的偏差能夠應(yīng)用到原有程序中提供了基礎(chǔ)。

車身坐標(biāo)系，原點(diǎn)在前輪轂的中心處，X向垂直于前輪罩的水平面，方向由前向后，Z軸垂直向上。車身坐標(biāo)系主要是作為后續(xù)的機(jī)器人工件坐標(biāo)使用。

相機(jī)坐標(biāo)系，相機(jī)作為測量工具，需要把測量結(jié)果反饋給機(jī)器人，相機(jī)的鏡面垂直向外方向?yàn)閆軸方向。

1.3 基本坐標(biāo)變換

任何兩坐標(biāo)系之間都可以通過平移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換獲得，即完全可以用 [R,T]來表示兩個坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。其中R為兩個坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，T為位置偏差。則任一點(diǎn)在兩個坐標(biāo)系中的位置關(guān)系如下：

若平移距離為X，Y，Z 旋轉(zhuǎn)角度為Rx=γ，Ry=β，Rz=α，旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆YX，則旋轉(zhuǎn)矩陣為：

其中α、α分別為α的余弦和正弦值。

2 各個坐標(biāo)系的建立

2.1 室體坐標(biāo)系建立

室體坐標(biāo)系是所有坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)，機(jī)器人、車身、相機(jī)坐標(biāo)系都需要與室體坐標(biāo)系建立關(guān)系。為了能夠準(zhǔn)確地建立個坐標(biāo)系的關(guān)系，在最初階段，需要借助于精準(zhǔn)的三維相機(jī)設(shè)備，通過測量來確定其他坐標(biāo)系位置。將此三維相機(jī)設(shè)備坐標(biāo)系命名為0號坐標(biāo)系。

對于涂膠機(jī)器人站來說，一般會以平移軸的基座平面作為XY平面，兩條導(dǎo)軌的中線作為X軸方向，Z軸方向豎直向上，根據(jù)兩個導(dǎo)軌的中心位置粗略定位原點(diǎn)位置。根據(jù)右手坐標(biāo)系原則定義Y軸方向。室體坐標(biāo)系命名為1號坐標(biāo)系。如圖2所示。通過此測量步驟后，我們可以得到0R1，以及0T1，此即1號坐標(biāo)系相對0號坐標(biāo)系的位置關(guān)系。

圖2 室體坐標(biāo)系

2.2 機(jī)器人位置標(biāo)定

通過控制機(jī)器人以不同的姿態(tài)到達(dá)不同的N個位置（要求位置變化程度較大），測量10個位置下機(jī)器人法蘭末端的位置。

圖3 機(jī)器人坐標(biāo)系

定義機(jī)器人坐標(biāo)系為2，如圖3所示，在此測量中，包含兩個輸出，法蘭末端在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的位置A，以及法蘭末端在測量設(shè)備中的位置B。

則有：

由于我們選擇的數(shù)據(jù)量為N一般較大，超出了未知數(shù)的數(shù)量。因此此方程一般為超定方程，對于超定方程的求解已經(jīng)具備成熟的計(jì)算方法。一般使用奇異值分解（SVD）的方法求解，其求解原理為最小二乘法。

對于空間內(nèi)任何一點(diǎn)P，此點(diǎn)在0號坐標(biāo)系以及1號坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下：

若此點(diǎn)為機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)2，則：

我們可以得到：

機(jī)器人坐標(biāo)系相對室體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系：

這樣，我們得到的機(jī)器人坐標(biāo)系相對于室體坐標(biāo)系的位置關(guān)系。

2.3 視覺相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)坐標(biāo)系的標(biāo)定與機(jī)器人標(biāo)定相比稍顯復(fù)雜，因?yàn)閷τ诳臻g任一點(diǎn)而言，可以輸出基于機(jī)器人坐標(biāo)系的三維位置，而相機(jī)輸出的只能是二維坐標(biāo)。假設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系為3號坐標(biāo)系。其成像示意圖見圖4。

圖4 相機(jī)成像原理

如圖所示，Q為空間內(nèi)任一點(diǎn)，圖像平面為相機(jī)的成像面，Q投影到圖像平面上，投影點(diǎn)為q，其中f為相機(jī)的焦距。根據(jù)相似三角形關(guān)系，有：

從而可以推得圖像坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系的關(guān)系：

為了標(biāo)定相機(jī)，我們需要選擇若干固定點(diǎn)，首先測量出這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)Q，再從相機(jī)中獲取相機(jī)坐標(biāo)q。

通過OpenCV中經(jīng)典的相機(jī)標(biāo)定計(jì)算方法，可以獲得相機(jī)坐標(biāo)系相對于測量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣0R3，以及0T3。同上原理，我們可以得到1R3，以及1T3。

2.4 零車身標(biāo)定及誤差反饋

零車身標(biāo)定，即確定相機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)車身位置，作為之后所有車身的一個參考標(biāo)準(zhǔn)。對于任何一款新的車型，在進(jìn)行生產(chǎn)前，都需要進(jìn)行零車身的標(biāo)定。零車身的標(biāo)定與機(jī)器人標(biāo)定類似，但需要在相機(jī)標(biāo)定完成之后進(jìn)行。選擇車身上的N個特征孔，這些特征孔的選擇應(yīng)滿足以下條件：應(yīng)盡量選擇焊裝的測量孔，即選擇定位精度較高且不容易產(chǎn)生波動的特征孔；所有測量點(diǎn)都在相機(jī)視野范圍之內(nèi)，且便于識別；在生產(chǎn)中不能存在其他物品遮擋或者污染特征點(diǎn)的可能性。

參考相機(jī)標(biāo)定的理論方法，假設(shè)車身坐標(biāo)系與室體的關(guān)系由[R,T]來表示。則對于i相機(jī)中選中的任意特征點(diǎn)集，在車身坐標(biāo)系中的位置也是屬于已知的（可以通過數(shù)模直接獲取，或者在3D測量間測?。?，還可以表示成在室體坐標(biāo)系下的值來表示，即。對于每一個相機(jī)來說，相機(jī)坐標(biāo)系與室體坐標(biāo)系的關(guān)系[J,K]1,2,3,4是已經(jīng)確認(rèn)的。通過這種轉(zhuǎn)換，四個相機(jī)所測量的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠共同一起形成針對,的線性方程。通過求解超定方程，求得了[R,T]，也就確定了零車身在室體坐標(biāo)系中的位置。

3 結(jié)論

本文從視覺系統(tǒng)原理出發(fā)，介紹了基于視覺系統(tǒng)誤差反饋的機(jī)器人站的構(gòu)成，安裝與標(biāo)定，以及與3D攝像系統(tǒng)的配合等，同時也對各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系進(jìn)行了簡要闡述。視覺系統(tǒng)的引入，使得涂膠機(jī)器人技術(shù)變得更加可靠和成熟，也使得機(jī)器人更加適應(yīng)可能發(fā)生的環(huán)境改變。實(shí)際的生產(chǎn)表明，視覺系統(tǒng)在配合機(jī)器人涂膠應(yīng)用領(lǐng)域取得了良好效果。

The Application of Visual System Based On Error Correction On Automatic Sealing

Ma Qingwu

( FAW-Volkswagen Automotive Company Ltd, Jilin Changchun 130001 )

Introducing the application of vision system in automaticsealing. First, introduce the basic measure principle for the visual system and involvedcoordinates. Then the steps of installation, calibration and theoretical basis are presented. At lastit introducesthecorrection progress of paint path based on error feedback. Actual producing shows that the visualsystem has a good performance in the application ofcoating sealing.

visual system; error correction; coordinate transformation

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馬清伍，就職于一汽-大眾汽車有限公司。

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