高志成 文晨銳 楊歆豪 倪俊芳

摘 ?要：空調(diào)壓縮機(jī)的制造裝配作為空調(diào)工業(yè)生產(chǎn)中最普遍和基本的部分，一直以來(lái)因其人力成本高，自動(dòng)化程度低而又必不可少的特點(diǎn)飽受詬病。為了實(shí)現(xiàn)本環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)，文章介紹了一種依靠攝像頭視覺(jué)定位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確移動(dòng)壓縮機(jī)的控制方法。該方法可以有效的推進(jìn)壓縮機(jī)裝配全自動(dòng)化，提高壓縮機(jī)裝配的效率和抓取準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);坐標(biāo)轉(zhuǎn)化;工業(yè)自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP391.41 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0043-03

Abstract： As the most common and basic part of air conditioning production industry， the manufacture and assembly of air conditioning compressor has been criticized because of its high labor cost and low degree of automation. In order to realize the automatic and intelligent production of this link， this paper introduces a control method to realize the precise movement of the compressor by relying on the visual positioning of the camera. This method can effectively promote the full automation of compressor assembly and improve the efficiency and accuracy of compressor assembly.

Keywords： machine vision; coordinate transformation; industrial automation

引言

隨著國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)步，當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域越來(lái)越注重生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)電一體化行業(yè)的多年積累，空調(diào)裝配已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，特別是近年來(lái)計(jì)算機(jī)的高度集成化，大大加快了該技術(shù)發(fā)展。我國(guó)機(jī)電一體化制造企業(yè)中自動(dòng)化裝備少、水準(zhǔn)低，仍處于技術(shù)發(fā)展階段，不僅在數(shù)量上同世界先進(jìn)國(guó)家，如德國(guó)、日本，有較大差距，而且在產(chǎn)品種類、質(zhì)量、設(shè)備應(yīng)用上，同世界先進(jìn)水準(zhǔn)也存在階段性差距。為推進(jìn)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化，提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，本文提出了一種新的壓縮機(jī)裝配方法。壓縮機(jī)裝配作為空調(diào)工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)，最基礎(chǔ)的工序，因?yàn)槊總€(gè)壓縮機(jī)位置多變，注油孔位置也不固定，傳統(tǒng)方法通常為人力手工搬運(yùn)，自動(dòng)化程度不高，人力成本居高不下。為了進(jìn)一步提升空調(diào)產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，降低生產(chǎn)成本，壓縮機(jī)裝配自動(dòng)化問(wèn)題迫切需要得到解決。

本文介紹了一種動(dòng)態(tài)獲取壓縮機(jī)位置再施加控制信號(hào)的方法：以攝像頭采集視覺(jué)圖像，通過(guò)圖像處理理論（濾波，變換）得出壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)世界坐標(biāo)位置[2]，可以得到比較精確的機(jī)械手控制信號(hào)和路徑規(guī)劃，從而大幅度提升工作效率和工作質(zhì)量。傳統(tǒng)的固定位置抓取方法在壓縮機(jī)搬運(yùn)過(guò)程中，壓縮機(jī)和機(jī)械手的位置會(huì)有相對(duì)偏移，出錯(cuò)率較高;用機(jī)器視覺(jué)捕捉孔的位置，可以高精度、快速地定位到目標(biāo)位置并確定對(duì)應(yīng)的下級(jí)控制信號(hào)，配合RGV物流小車(chē)，大幅度提高工作效率。

目前主流的圖像處理方法有圖像變換，圖像增強(qiáng)和復(fù)原，圖像編碼與壓縮[3]等，本文的圖像處理方法主要為圖像灰度化處理，形態(tài)學(xué)濾波，提取特征元素，得到定位。

1 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)主要部分，即攝像頭定位系統(tǒng)和機(jī)械手搬運(yùn)壓縮機(jī)系統(tǒng)。協(xié)同工作，由攝像頭定位系統(tǒng)先確定壓縮機(jī)位置，得出控制信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)械手運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手操作移動(dòng)壓縮機(jī)，再反饋位置給攝像頭。系統(tǒng)如圖1所示。

定位系統(tǒng)硬件由用于圖像采集的攝像頭，用于坐標(biāo)變換和外部通信的MCU組成，采用eye-to-hand結(jié)構(gòu)[4]（即眼在手外）實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)，集成度較高的特點(diǎn)，可適用于多種場(chǎng)合。由于壓縮機(jī)構(gòu)造普通，在光源照射下，壓縮機(jī)和其他地方顏色差異顯著，所以選擇市場(chǎng)上常見(jiàn)的OV7725攝像頭芯片已經(jīng)夠用。黑白灰度圖像已經(jīng)可以穩(wěn)定區(qū)分出壓縮機(jī)和其他部分，同時(shí)與彩色圖像相比減少了運(yùn)算量，還能較方便地濾除噪點(diǎn)的干擾，所以選用灰度圖像進(jìn)行處理。在攝像頭安裝方面，用于圖像采集的攝像頭安裝盡量保證鏡頭的光軸與壓縮機(jī)平面保持垂直，以減小畸變。整個(gè)硬件系統(tǒng)安裝在工件流水線正上方，流水線下方用光源補(bǔ)光，保證壓縮機(jī)清晰可見(jiàn)，整個(gè)過(guò)程中，保持定位系統(tǒng)攝像頭和地面位置固定。整個(gè)壓縮機(jī)機(jī)械安裝如圖2所示。

2 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)攝像頭定位系統(tǒng)工作分為圖像采集，圖像處理，位置標(biāo)定，壓縮機(jī)坐標(biāo)輸入輸出幾個(gè)部分，其定位流程如圖3所示。

定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的光線不夠均勻，攝像頭采集得到的圖像會(huì)包含較多噪點(diǎn)，所以對(duì)攝像頭采集的原始圖像做初步處理很有必要。具體處理方法如下：工件下方補(bǔ)光，攝像頭采集到原始圖像，依靠?jī)?nèi)置MCU對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度處理，增強(qiáng)圖像的高灰度級(jí)，僅保留黑色壓縮機(jī)輪廓和白色其他部分。然后用基本形態(tài)學(xué)濾波的腐蝕、膨脹濾波方法[5]濾去圖像的噪點(diǎn)，得到基本無(wú)噪點(diǎn)干擾信號(hào)的圖像。流程圖如圖4所示。

此時(shí)的圖像呈現(xiàn)出壓縮機(jī)處為黑色圓形，其他部分為白色的特征，處理完的圖像如圖5所示，此時(shí)圖像特征明顯，可以用來(lái)定位壓縮機(jī)。最后運(yùn)用霍夫變換[6]或者質(zhì)心法[7]可以求得黑色圓形區(qū)域（壓縮機(jī)）的圓心坐標(biāo)（u，v），至此，圖像處理結(jié)束。

由于上面圖像處理得到的圓形壓縮機(jī)圓心坐標(biāo)是像素坐標(biāo)，不能直接用于機(jī)械手的控制，需要先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。由于攝像頭安裝和工件不是完全垂直，攝像頭透鏡工藝和成像原理問(wèn)題，整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)存在一定的畸變。這種畸變主要分為徑向畸變和切向畸變，考慮用張正友標(biāo)定方法[8]對(duì)上述坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)參、外參和畸變參數(shù)。因?yàn)橄鄼C(jī)位置保持不變，所以得到的相機(jī)參數(shù)矩陣也不變，可以經(jīng)坐標(biāo)變換得到最終壓縮機(jī)的位置信息。綜上，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定，坐標(biāo)變換即可建立像素坐標(biāo)（u，v），圖像坐標(biāo)（x，y），攝像頭坐標(biāo)（Xc，Yc，Zc）和世界坐標(biāo)（Xw，Yw，Zw）之間的聯(lián)系，具體關(guān)系如下：

合并公式（1）（2）（3），得到像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)的方程：

整個(gè)流程如圖6所示。

圖像處理得到的壓縮機(jī)圓心像素坐標(biāo)經(jīng)相機(jī)標(biāo)定，坐標(biāo)變換后，得到與之成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的世界坐標(biāo)，世界坐標(biāo)可以作為下級(jí)控制器的輸入信號(hào)。通過(guò)與攝像頭相連的MCU與機(jī)械手系統(tǒng)通信，將攝像頭得出的壓縮機(jī)圓心坐標(biāo)（Xw，Yw，Zw）輸送給下級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手）作為輸入信號(hào)，機(jī)械手自身閉環(huán)系統(tǒng)控制機(jī)械手移動(dòng)到指定坐標(biāo)點(diǎn)處，拾取壓縮機(jī)。

綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：預(yù)先設(shè)定智能化RGV物流小車(chē)工件傳輸頻率，設(shè)定攝像頭采集圖像頻率與壓縮機(jī)運(yùn)輸頻率相匹配，每次壓縮機(jī)傳送到機(jī)械手位置后，通過(guò)攝像頭定位系統(tǒng)提取圖像，處理，找到壓縮機(jī)具體位置，位置信息通訊傳輸?shù)綑C(jī)械手系統(tǒng)，控制機(jī)械手裝配壓縮機(jī)，攝像頭負(fù)責(zé)監(jiān)督機(jī)械手是否正常抓取，然后進(jìn)入下一步工序。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以此方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，將物體放在攝像頭視角的不同位置，計(jì)算定位系統(tǒng)得到的壓縮機(jī)世界坐標(biāo)位置，和實(shí)際壓縮機(jī)位置做位置誤差比較，誤差[9]計(jì)算方法為：

經(jīng)計(jì)算，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平均誤差為0.205mm，由此得出結(jié)論，這種定位系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地定位出壓縮機(jī)的位置，位置誤差穩(wěn)定在0.5mm之內(nèi)，波動(dòng)在工業(yè)要求允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文用攝像頭定位系統(tǒng)配合壓縮機(jī)搬運(yùn)系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)時(shí)確定壓縮機(jī)位置，解決長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)機(jī)械作業(yè)定位粗糙的缺點(diǎn)，提高了整個(gè)壓縮機(jī)裝配系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，精度和速度，較大幅度提升了本環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，這種定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確快速地定位出壓縮機(jī)的位置，與傳統(tǒng)人力相比，工作效率提升近45%，比單獨(dú)壓縮機(jī)搬運(yùn)系統(tǒng)的精度提高60%，耗費(fèi)時(shí)間基本持平。本系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)在空調(diào)生產(chǎn)裝配領(lǐng)域，將人工作業(yè)升級(jí)為全自動(dòng)快速作業(yè)，大幅度提高工序間的效率，并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在空調(diào)精密組裝和性能檢驗(yàn)作業(yè)的自動(dòng)化方面的空白。

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