巴和平

（沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)制造有限公司，沈陽110141）

0 引 言

氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)上重要的部件，用于控制氣缸的進(jìn)氣和排氣。大型往復(fù)壓縮機(jī)的氣閥通常需要人工裝配，由于氣閥裝配工藝復(fù)雜，通常需要多人合作才能完成裝配工作，耗時耗力，且工作效率底下。為節(jié)約勞動力成本，提高生產(chǎn)效率，應(yīng)用具有視覺系統(tǒng)的裝配機(jī)器人完成氣閥裝配工作是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)研究的重要方向。國外科研機(jī)構(gòu)的研究主要針對 實(shí)現(xiàn)裝配功能，采用視覺系統(tǒng)來對提高零部件安裝的精度，同時力控組態(tài)軟件可以讓裝配機(jī)器人模仿人的觸覺，改善安裝零件時的安裝力度，確保安裝的合理性[1-3]。機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于航空航天、微觀識別、自動駕駛等多個先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，通過大批量的智能化生產(chǎn)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。我國目前對裝配機(jī)器人的研究還處于初級階段，技術(shù)還不成熟，主要表現(xiàn)為在精度工藝和控制算法上還不能與國外技術(shù)相比，大部分應(yīng)用仍處于半自動化的低端產(chǎn)業(yè)。但隨著機(jī)器視覺在工業(yè)制造及商業(yè)、安全等各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對機(jī)器視覺的研究已成為目前的研究熱點(diǎn)，主要集中在視覺識別算法的改進(jìn)與應(yīng)用[4-6]和傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[7-8]。

本文基于OpenCV和Visual C技術(shù)對氣閥裝配機(jī)器人系統(tǒng)的手眼標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了研究，目的是使裝配機(jī)器人在視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成對氣閥進(jìn)行識別、抓取、安裝一系列的操作，并達(dá)到一定的定位精度。所采用的機(jī)器人系統(tǒng)為埃斯頓6R串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人，研究機(jī)器人的視覺開發(fā)，用于對氣閥進(jìn)行識別、抓取，使得工廠車間的工作效率得到提高，降低生產(chǎn)的人力成本，在工業(yè)裝配與搬運(yùn)應(yīng)用方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 視覺裝配系統(tǒng)構(gòu)成

在本項(xiàng)目中用于裝配的氣閥是2D80組合壓縮機(jī)設(shè)備的網(wǎng)狀氣閥組件，是用于控制氣缸進(jìn)出氣體的關(guān)鍵部件。氣閥質(zhì)量約為2.5 kg, 整體高度為45 mm，直徑為125 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣閥外圍左右兩側(cè)各分布一個直徑為5 mm的掛銷，用于裝配時的定向和定位，使氣閥與閥孔按正確的位置關(guān)系緊固。然后固定壓閥罩，使氣閥全部進(jìn)入閥孔，然后旋轉(zhuǎn)一定角度固定。裝配機(jī)器人的任務(wù)就是代替人工完成上述工作。為了實(shí)現(xiàn)裝配機(jī)器人的全自動精確識別氣閥位置，采用埃斯頓六軸串聯(lián)機(jī)器人配合機(jī)器視覺的方法來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器視覺通過識別采集氣閥的形狀和位置，反饋到機(jī)器人控制系統(tǒng)，引導(dǎo)機(jī)械臂末端執(zhí)行器至準(zhǔn)確的目標(biāo)位置，對氣閥進(jìn)行抓取。

圖1 氣閥結(jié)構(gòu)圖

裝配機(jī)器人的定位精度取決于機(jī)械系統(tǒng)精度、控制系統(tǒng)特性及傳感器精度等因素，其中機(jī)械系統(tǒng)精度主要與機(jī)構(gòu)的幾何誤差、裝配誤差等有關(guān)，控制系統(tǒng)精度由控制器動態(tài)響應(yīng)能力和控制算法誤差決定[9]。視覺傳感器被用于測量機(jī)器人末端位置，其反饋信息的準(zhǔn)確性對機(jī)器人完成裝配作業(yè)任務(wù)至關(guān)重要。對裝配機(jī)器人進(jìn)行手眼標(biāo)定是改善裝配機(jī)器人的定位精度的必要步驟之一。機(jī)器人搭建視覺定位平臺模型，如圖2所示。工作臺位于機(jī)器人工作空間內(nèi)，且與機(jī)器人本體處于同一工作平面，機(jī)器人末端執(zhí)行器上安裝CCD相機(jī)，工作空間內(nèi)安裝有環(huán)形環(huán)境光源。由于氣閥只需要在加工面定位，因此采用單目相機(jī)識別系統(tǒng)。

2 視覺系統(tǒng)標(biāo)定

視覺系統(tǒng)標(biāo)定包括兩方面內(nèi)容，一方面需要對相機(jī)本身的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，另一方面需要對相機(jī)相對于機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，這樣才能保證整個視覺系統(tǒng)對目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性，為后續(xù)控制機(jī)器人抓取裝配打下基礎(chǔ)。

2.1 相機(jī)標(biāo)定

機(jī)器視覺系統(tǒng)對真實(shí)事物的還原存在誤差，造成誤差一部分原因與相機(jī)自身相關(guān)，主要來源于傳感器制造誤差與鏡頭制造和安裝誤差。對相機(jī)本身參數(shù)的標(biāo)定包括相機(jī)自標(biāo)定法、傳統(tǒng)標(biāo)定法、主動視覺標(biāo)定。本文采用主動視覺標(biāo)定法。

主動視覺標(biāo)定法應(yīng)用相機(jī)模型表示三維空間中的一點(diǎn)P到相機(jī)屏幕的投影關(guān)系，建立坐標(biāo)系如圖3所示。

如圖4 所示，圖像坐標(biāo)系OXYZ 和像素坐標(biāo)系OCXCYCZC都在成像平面上，并存在以下關(guān)系：

式中：f為攝像機(jī)焦距；x、y為點(diǎn)P在攝像機(jī)成像平面上的坐標(biāo)；XC、YC、ZC為點(diǎn)P在相機(jī)坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。

相機(jī)采用的光學(xué)鏡頭通過成像原理可將三維空間中的點(diǎn)轉(zhuǎn)換成二維圖像，由于光學(xué)透鏡制造精度及組裝工藝所造成的偏差引起成像后的二維圖像與實(shí)際圖像存在不同程度的幾何畸變，這種畸變表現(xiàn)為經(jīng)相機(jī)成像的圖像出現(xiàn)色彩和形狀的失真，會明顯影響視覺識別的效率和準(zhǔn)確性。

鏡頭的畸變分為徑向畸變和切向畸變兩類：

1）徑向畸變。因透鏡本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)光線照射到透鏡邊緣時，其曲率更大，導(dǎo)致光線沿透鏡在徑向彎曲程度變大，造成圖像發(fā)生枕形與桶形畸變。

2）切向畸變。由于相機(jī)組裝工藝偏差導(dǎo)致成像平面與透鏡平面平行度誤差過大，將導(dǎo)致圖像在某個角度出現(xiàn)偏斜或畸變，這種畸變?yōu)榍邢蚧儭?/p>

針對以上畸變，需要通過標(biāo)定對攝像機(jī)畸變進(jìn)行糾正，其具體方法如下：基于機(jī)器人視覺定位平臺，采用棋盤格標(biāo)定板，使相機(jī)以不同的角度拍攝標(biāo)定板，得到多組拍攝圖像，將拍攝的方格角點(diǎn)的像素標(biāo)號與標(biāo)定板坐標(biāo)系下的坐標(biāo)對應(yīng)，訓(xùn)練相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)和畸變參數(shù)如圖4所示。

圖4 多角度標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定圖

2.2 手眼標(biāo)定

手眼標(biāo)定是消除機(jī)器人系統(tǒng)因幾何誤差造成的精度不足的重要步驟，手眼標(biāo)定一般有Eye-in-hand和Eye-tohand兩種方式[10]，本文采用Eye-in-hand標(biāo)定方式，即將相機(jī)固定在機(jī)械手末端執(zhí)行器上，在這種情況下，標(biāo)定目標(biāo)坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

首先需要建立機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系，如圖5所示。其中Base是機(jī)器人基坐標(biāo)系，Cam為攝相機(jī)坐標(biāo)系，T為工具坐標(biāo)系（末端執(zhí)行器坐標(biāo)系），Cal為目標(biāo)坐標(biāo)系。標(biāo)定的方法是通過各坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換求取機(jī)器人未知參數(shù)變量信息，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)，目標(biāo)坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的關(guān)系可表示為

圖5 手眼系統(tǒng)坐標(biāo)系布置圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于本項(xiàng)目需要識別氣閥的XY平面內(nèi)的坐標(biāo)，且氣閥位置保持不變，所以將標(biāo)定參數(shù)簡化，操作機(jī)器人使其末端執(zhí)行器平移至指定位置，采集并記錄對應(yīng)的標(biāo)定板圖像和機(jī)器人末端的位置坐標(biāo)，改變機(jī)器人末端位置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟并記錄采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，基于Matlab工具箱對外參進(jìn)行標(biāo)定，并得到校正參數(shù)。將標(biāo)定參數(shù)作為誤差補(bǔ)償加入機(jī)器人控制系統(tǒng)，測得5組機(jī)器人末端位置坐標(biāo)，每組位置重復(fù)測量5次，取均值，見表1。由表1可知誤差在0.52 mm以內(nèi)，滿足氣閥的裝配精度要求。

表1 機(jī)器人末端位置及相應(yīng)的相機(jī)位置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)標(biāo)定后的裝配機(jī)器人位置誤差均值不超過0.52 mm，提高了機(jī)器人的裝配精度，滿足了氣閥裝配精度要求。

4 結(jié) 論

本文對用于裝配氣閥的機(jī)器人單目視覺eye-in-hand的視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定研究，根據(jù)氣閥裝配機(jī)器人的精度要求，對攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和畸變參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，然后對相機(jī)與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了手眼標(biāo)定方法的研究。得出結(jié)論如下：1）在裝配機(jī)器人工作之前，必須對其視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的視覺識別系統(tǒng)對氣閥的定位精度能夠滿足氣閥的裝配要求；2）在機(jī)器人工作前，需對視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果在機(jī)器人環(huán)境不改變的情況下一直有效，但機(jī)器人視覺系統(tǒng)維護(hù)后，還需要進(jìn)行重新標(biāo)定。