萬(wàn)國(guó)揚(yáng)，王國(guó)峰，李福東，朱文俊

(1.大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.揚(yáng)州大學(xué) 信息學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.南京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的普及，結(jié)合視覺技術(shù)的機(jī)器人工作站應(yīng)用案例已經(jīng)越來越多出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中。如何在鑄件打磨這個(gè)高污染、高危險(xiǎn)行業(yè)應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，一直是業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)。采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行打磨工作的方法，相較其他打磨設(shè)備，充分發(fā)揮了機(jī)器人靈活、高速及編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[1]，而基于視覺的打磨工作站則可實(shí)現(xiàn)打磨工作自動(dòng)化，減少勞動(dòng)力支出、提升打磨工件質(zhì)量一致性、優(yōu)化并縮短生產(chǎn)節(jié)拍[2-5]。本文設(shè)計(jì)了一種使用視覺技術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人上件，并進(jìn)行打磨軌跡規(guī)劃的機(jī)器人工作站，為提高打磨行業(yè)自動(dòng)化程度提供了一個(gè)新的思路。

近年來，已有很多研究人員做過將機(jī)器人或?qū)C(jī)設(shè)備與打磨拋光技術(shù)相結(jié)合的工作。Park等[6]將工業(yè)機(jī)器人用于金屬鑄件的切割，但切割前后必須進(jìn)行人工上下件，且機(jī)器人工作軌跡需人工示教;文獻(xiàn)[7]試圖將力控傳感器引入機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)，用以模仿人工打磨的過程，對(duì)比人工打磨，系統(tǒng)將單機(jī)設(shè)備的日產(chǎn)出量由原先300～400件提升至450件，且減少了打磨過程中耗材的損耗，但整個(gè)系統(tǒng)在使用過程中需進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)校準(zhǔn);Li等[8]提出一種打磨機(jī)器人的專機(jī)，以進(jìn)行復(fù)雜物體表面的打磨，但該專機(jī)只能針對(duì)特定產(chǎn)品，無(wú)法滿足不同形狀產(chǎn)品的切換。

將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與金屬鑄件的打磨拋光相結(jié)合，主要有以下難點(diǎn)：

(1)產(chǎn)品上料過程困難。通常，鑄件的上料工作由操作人員將工件搬運(yùn)并固定到特定的工裝夾具里，再由機(jī)器人運(yùn)行固定軌跡抓取，但很多鑄件形狀不規(guī)則，部分金屬鑄件的重量在20 KG以上，長(zhǎng)時(shí)間人工上料會(huì)導(dǎo)致人員工作疲勞而引發(fā)事故。

(2)產(chǎn)品定位困難。輔助設(shè)備在定位與抓取鑄件時(shí)，需每次以相同的姿態(tài)對(duì)工件表面相同的位置進(jìn)行定位抓取。為滿足以上要求，設(shè)計(jì)人員需為每種產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用的固定夾具，當(dāng)生產(chǎn)線需切換不同形狀與體積的工件時(shí)，固定夾具必需重新設(shè)計(jì)。該方法不僅耗費(fèi)人工，還增加了硬件開支[9]。

(3)機(jī)器人與專機(jī)設(shè)備打磨軌跡復(fù)雜[10]。打磨作業(yè)過程中，機(jī)器人與專機(jī)設(shè)備的打磨軌跡必須考慮鑄件產(chǎn)品本身的毛刺形狀與位置無(wú)法確定的情況。通常的做法是在打磨過程中，對(duì)工件表面可能出現(xiàn)毛刺的位置均進(jìn)行打磨，這增加了打磨工作時(shí)間與工作量。

(4)傳統(tǒng)打磨行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法主要依靠人工示教，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且示教過程中為保證精度，工作人員與設(shè)備必須近距離接接觸，工作過程存在極大的安全隱患。而打磨調(diào)試過程中易產(chǎn)生粉塵等對(duì)人體有害物質(zhì)，危害工作人員健康。

針對(duì)以上問題，Wang等[11]提出一種基于打磨機(jī)器人與打磨砂帶機(jī)的離線打磨工作站，可實(shí)現(xiàn)工件的打磨軌跡的離線編程工作，但它的軌跡只由產(chǎn)品3D數(shù)模決定，靈活性不高;張明德等[12]提出一種針對(duì)螺旋槳葉片型面的機(jī)器人砂帶拋磨方法，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人與一個(gè)浮動(dòng)壓力機(jī)構(gòu)組成的自適應(yīng)拋磨子系統(tǒng)，完成對(duì)工件表面的均勻拋磨，但其打磨軌跡只能依靠人工示教，無(wú)法結(jié)合工件形狀生成;文獻(xiàn)[13]使用3D傳感器與機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了一種基于逆向工程的機(jī)器人自動(dòng)磨削系統(tǒng)，但其軌跡只基于產(chǎn)品表面形狀，沒有考慮工件的毛刺情況。

針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化打磨的問題，本文提出一種基于視覺的自動(dòng)化打磨工作站系統(tǒng)。工作站首先針對(duì)多工件與復(fù)雜環(huán)境定位的難題，提出一種改進(jìn)的Line-MOD模板匹配算法并結(jié)合機(jī)器人拆垛功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯工件的穩(wěn)定拆垛抓取。隨后，提出基于網(wǎng)格法的機(jī)器人打磨路徑規(guī)劃方法，在通過視覺檢測(cè)技術(shù)識(shí)別毛坯工件毛刺位置與形狀的基礎(chǔ)上，離線生成機(jī)器人打磨軌跡。所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的工作站不僅解決毛坯鑄件上料過程中定位與抓取困難問題，還可根據(jù)每個(gè)工件毛刺的位置與形狀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨工作。在保證被打磨鑄件品質(zhì)的前提下，本文所提方法提高了打磨生產(chǎn)過程的工作效率，減少了調(diào)試與生產(chǎn)過程的人工干預(yù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

打磨拋光工作站系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由邏輯控制單元、顯示規(guī)劃單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元3個(gè)單元組成。

(1)邏輯控制單元由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)與傳感器等電氣元件組成，可完成工作站生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)邏輯控制。此單元是整個(gè)打磨工作站的主控單元，工作過程中的數(shù)據(jù)傳送、信號(hào)檢測(cè)、執(zhí)行信號(hào)的觸發(fā)均在此單元完成。

(2)顯示規(guī)劃單元主要包含工控機(jī)與相機(jī)、光源等視覺系統(tǒng)元件。上料過程中，視覺系統(tǒng)可精確定位待打磨工件，引導(dǎo)機(jī)器人抓取;打磨過程中，視覺系統(tǒng)還可檢測(cè)出工件表面毛刺的位置與形狀大小，并據(jù)此離線生成機(jī)器人打磨軌跡。同時(shí)，此部分還具有人機(jī)交互與數(shù)據(jù)追溯的功能。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元由1臺(tái)上料機(jī)器人、2臺(tái)打磨機(jī)器人、1臺(tái)下料機(jī)器人及4臺(tái)打磨機(jī)組成。根據(jù)邏輯控制單元提供的信號(hào)指令，上下料機(jī)器人分別完成工件的拆垛上件與碼垛下件工作，而打磨機(jī)器人則按系統(tǒng)規(guī)劃的打磨路徑完成打磨工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)與工作流程

機(jī)器人打磨工作站工作過程分為視覺上料、自動(dòng)打磨、自動(dòng)下料3個(gè)過程。工作站加工的工件為高鐵預(yù)埋座的毛坯鑄件，鑄件尺寸為290 mm×155 mm，重量7 KG，打磨要求為工件四周無(wú)毛刺，打磨誤差不超過±0.5 mm。待打磨工件如圖2所示，工作站布局圖如圖3所示。

2.1 工作站視覺技術(shù)

打磨工作站的視覺技術(shù)主要包括上料過程中的視覺引導(dǎo)與打磨過程中的毛刺檢測(cè)兩方面。

2.1.1 視覺引導(dǎo)

上料過程的視覺引導(dǎo)指的是將毛坯工件由上料托盤抓至上料中轉(zhuǎn)臺(tái)的過程，該過程需要視覺系統(tǒng)對(duì)毛坯工件進(jìn)行定位并引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓取。

視覺測(cè)量技術(shù)具有高效、靈活、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[14]，而模板匹配技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的視覺定位技術(shù)，常用的模板匹配方法包括基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法[15]?；诨叶鹊哪０迤ヅ浞椒ㄓ薪^對(duì)誤差和(Sum of Absolute Differences, SAD)、誤差平方和(Sum of Squared Differences, SSD)、歸一化積相關(guān)(Normalized Cross Correlation, NCC)等經(jīng)典算法[16-18]，這類方法根據(jù)圖像上灰度值進(jìn)行匹配，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、在穩(wěn)定光照條件下表現(xiàn)良好的優(yōu)點(diǎn)。但此類方法對(duì)圖像的質(zhì)量要求高，匹配的精度對(duì)干擾非常敏感。基于特征的匹配方法，常選擇圖像中被測(cè)物上的點(diǎn)、線、輪廓等特征進(jìn)行匹配工作，這類方法通常對(duì)環(huán)境光變化有更好的抵御性。而輪廓特征是一種在無(wú)紋理背景中可被穩(wěn)定識(shí)別的特征，具有對(duì)環(huán)境光變化不明顯等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中被測(cè)物的成像特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇基于輪廓特征的匹配方法定位工件。

常用的輪廓匹配方法有方向梯度直方圖(Histogram of Oriented Gradient, HOG)[19]、Line-Mod[20-22]等方法。其中，Hinterstoisser等[23]所提出的Line-MOD算法巧妙地設(shè)計(jì)了匹配相似度準(zhǔn)則，并在特征匹配階段使用了X86架構(gòu)CPU的SSE并行計(jì)算指令，有效地提高了模板匹配算法的實(shí)時(shí)性。 Line-MOD方法特征提取僅在輸入圖像的強(qiáng)邊緣處進(jìn)行，因此對(duì)象的內(nèi)部紋理特征不參與計(jì)算，從而有效地解決了無(wú)紋理對(duì)象的姿態(tài)估計(jì)問題。

本文使用Line-Mod算法中的2D方法line-2D對(duì)視覺系統(tǒng)所獲得的灰度圖像進(jìn)行定位,line-2D通過圖像的梯度信息獲取工件輪廓邊緣。但在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，直接使用Line-2D方法進(jìn)行匹配易出現(xiàn)匹配誤差過大或匹配失敗的問題。經(jīng)分析認(rèn)為,導(dǎo)致匹配誤差過大或失敗的因素有以下幾點(diǎn)：

(1)工件表面污染 此次所測(cè)試工件為未經(jīng)加工處理的毛坯鑄鐵件，工件表面粗糙，且工件在生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中易受到劃傷與污染。匹配過程中，此類問題會(huì)引入可造成誤匹配的梯度信息。

(2)背景干擾 工件在被抓取之前被放置于木質(zhì)隔板之上，隔板表面存在劃傷與污染。

(3)光照影響 實(shí)際應(yīng)用過程中，因機(jī)器人大運(yùn)動(dòng)范圍的特性，使得視覺系統(tǒng)中無(wú)法使用大面積光源。因此，當(dāng)工件不在視覺系統(tǒng)光源中心時(shí)，存在光照不均的問題。另外，工作站實(shí)際工作環(huán)境相對(duì)開放，視覺系統(tǒng)成像過程中存在外界環(huán)境光的干擾。

以上幾點(diǎn)導(dǎo)致line-2D算法在實(shí)際運(yùn)行過程中無(wú)法穩(wěn)定地提取工件輪廓。雖line-2D中使用了閾值濾波與鄰域剔除技術(shù)，但對(duì)本文所用工件效果并不理想。如圖4所示為直接使用line-2D的梯度方法對(duì)工件圖片進(jìn)行處理結(jié)果。可以看出，因工件表面凹凸不平，且反光不一致，使得工件圖像仍存在大量干擾，這些干擾是造成誤匹配與匹配失敗的主要原因。

為解決以上問題，本文在line-2D算法中加入了鄰域篩選與模板選擇功能。

(1)鄰域篩選 在使用line-2D方法創(chuàng)建匹配模板的過程中，使用3×3的鄰域?qū)D像進(jìn)行了濾波。本文將該過程改為范圍可調(diào)的N×N鄰域,N的數(shù)值根據(jù)實(shí)際濾波效果決定。濾波之后，使用8鄰域算法計(jì)算所有梯度像素連通區(qū)域的面積，隨后對(duì)區(qū)域面積使用閾值剔除，當(dāng)連通面積小于Tmin或大于Tmax時(shí)，剔除該區(qū)域。經(jīng)鄰域篩選之后的模板圖片效果如圖5所示。

經(jīng)鄰域篩選后的梯度圖像干擾信息量大為減少，但仍有部分干擾信息存在，故本文采用模板選擇的方法，進(jìn)一步優(yōu)化匹配模板。

(2)模板選擇 模板選擇是在鄰域篩選后的圖像基礎(chǔ)之上，根據(jù)工件實(shí)際輪廓特點(diǎn)，選擇合適的感興趣區(qū)域(Region of Interest, ROI)作為模板區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)的梯度特征創(chuàng)建匹配模板。模板區(qū)域的梯度特征需滿足以下4個(gè)條件:

1)輪廓線條清晰；

2)具備可用于區(qū)分被檢測(cè)工件旋轉(zhuǎn)角度的特征，不論ROI區(qū)域如何旋轉(zhuǎn)，在被測(cè)工件圖片中此特征只能匹配唯一；

3)隨ROI區(qū)域尺寸放大縮小變化后，在被測(cè)工件的圖片中，仍具有唯一識(shí)別性；

4)避免長(zhǎng)直線段，部分方形對(duì)像的邊緣直線在實(shí)際匹配計(jì)算過程中，易受背景中相似直線邊緣干擾，因此選擇模板區(qū)域時(shí)需盡可能避開單一長(zhǎng)直線段。

通過分析被抓取毛坯工件可發(fā)現(xiàn)，工件為方形產(chǎn)品，周圍有明顯的長(zhǎng)直線段特征，該特征易受毛刺與周圍環(huán)境干擾。然而，工件中心圓孔區(qū)域受毛刺影響小，且具有良好的唯一識(shí)別性，本文以此為ROI，最后生成的匹配模板如圖6所示。

實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)器人移動(dòng)相機(jī)至工件上方獲取工件圖像，對(duì)獲取的圖像，同樣使用鄰域篩選功能后，用已生成匹配模板對(duì)處理后的圖像進(jìn)行匹配，定位工件。

經(jīng)鄰域篩選與模板選擇優(yōu)化后的模板只包含工件中心的孔型區(qū)域，去除了工件表面的毛刺及大量雜質(zhì)與劃痕干擾。實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的模板對(duì)工件表面污染、背景干擾及環(huán)境光的影響均有良好的抑制作用。實(shí)際運(yùn)行過程中，使用優(yōu)化后的模板可快速準(zhǔn)確地定位工件，結(jié)合機(jī)器人的自動(dòng)拆垛功能，工作站可高速穩(wěn)定地完成毛坯工件定位抓取。

2.1.2 待打磨工件的毛刺檢測(cè)

檢測(cè)工件毛刺包括由工件澆鑄口斷面形成的澆鑄口毛刺和澆鑄過程中因合模線溢料產(chǎn)生的飛邊毛刺兩種。從毛刺位置分析，工件由固定的幾個(gè)模具澆鑄而成，不同磨具可能有不同位置的澆鑄口，但澆鑄口只可能出在工件表面幾個(gè)特定的區(qū)域，故澆鑄口斷面的毛刺一般在工件輪廓邊緣的固定幾個(gè)位置；而飛邊毛刺則是因?yàn)槟＞呃匣仍?，使用工件在澆鑄過程中因合模線處溢料而產(chǎn)生毛刺，它可能出現(xiàn)在工件邊緣合模線上的任何位置。從打磨方法上分析，澆鑄口斷面的毛刺需反復(fù)打磨4～7次，工件才可達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，而飛邊毛刺只需1次打磨即可全部去除。

常用的機(jī)器人打磨方法按工件的固定方式，可分為工件固定和打磨機(jī)固定兩種。工作站采用機(jī)器人抓工件打磨的方法，首先對(duì)工件澆鑄口毛刺區(qū)域進(jìn)行打磨，完成此處毛刺清理后，再對(duì)整個(gè)工件四周進(jìn)行打磨，以去除飛邊毛刺。本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際需視覺系統(tǒng)檢測(cè)的是澆鑄口毛刺，澆鑄口毛刺外形與位置如圖7所示。

系統(tǒng)首先以sobel算子檢測(cè)工件邊緣點(diǎn)，結(jié)合隨機(jī)抽樣一致(Random Sample Consensus, RANSAC) 直線擬合法，可在工件表面存在隨機(jī)飛邊毛刺干擾的情況下，準(zhǔn)確提取出工件的矩形邊緣。隨后，在確定工件邊緣的基礎(chǔ)上，確認(rèn)澆鑄口毛刺區(qū)域位置。具體過程如下：

(1)上件機(jī)器人對(duì)托盤上的工件完成抓取后，將工件放置于配有背光光源的中轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行二次定位拍照。使用模板匹配算法定位工件中心，并根據(jù)工件的幾何尺寸估算工件邊緣位置，如圖8所示。具體估算關(guān)系如下：

工件識(shí)別模板中心位置為P1(X1,Y1)，模板邊緣中的一點(diǎn)位置為P2(X2,Y2)，由此可得模板中心到模板邊緣的距離D，θ為模板中心位置與模板邊緣點(diǎn)連線與垂直方向的夾角，有：

X1-X2=sinθ×D，

(1)

Y1-Y2=cosθ×D。

(2)

(2)在工件邊緣位置，使用長(zhǎng)為100(像素)的等長(zhǎng)測(cè)量線，均勻分布于產(chǎn)品邊緣，統(tǒng)計(jì)每根測(cè)量線上像素灰度梯度值，并得出工件中毛刺面標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域邊緣與澆鑄口毛刺區(qū)域大于一定閾值的梯度值。由此可得澆鑄口位于工件邊緣的實(shí)際區(qū)域。

(3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域邊緣灰度分布，提取輪廓線范圍內(nèi)的梯度值，使用結(jié)合RANSAC算法的直線擬合法，分段擬合出邊緣直線。

基于RANSAC算法的直線擬合法如下：

步驟1將工件某條矩形邊緣上，非澆鑄口邊緣的點(diǎn)全部提取，建立點(diǎn)集P1{p1,p2,…,pn}，并用最小二乘法進(jìn)行直線擬合。

步驟2分別計(jì)算每個(gè)用于擬合直線的點(diǎn)到被擬合直線的距離，剔除距離過大于一定閾值d的點(diǎn),用未被剔除的點(diǎn)建立新點(diǎn)集P2，對(duì)P2中的點(diǎn)進(jìn)行直線擬合。

步驟3重復(fù)步驟2，直到剩下所有點(diǎn)到直線的距離滿足設(shè)定閾值d或重次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)直k。

步驟4這些點(diǎn)所生成的直線即為工件邊緣的直線。

采用上文方法分別對(duì)工件的4條矩形邊進(jìn)行擬合，可計(jì)算出工件擬合后邊緣的矩形輪廓與邊緣交點(diǎn)，得工件的4個(gè)邊界點(diǎn)P3、P4、P5、P6，而直線P3P4、P4P5、P5P6、P6P3即工件擬合后的邊緣。

對(duì)產(chǎn)品邊緣分段使用基于RANSAC的直線擬合法，可以在濾除工件毛刺干擾的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確求得方形工件的矩形輪廓。

(4)完成工件邊緣直線提取后，需進(jìn)一步確定澆鑄口毛刺實(shí)際所在區(qū)域，如圖9所示。系統(tǒng)設(shè)置了兩條檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：①在圖像坐標(biāo)系下，提取毛刺可能區(qū)域邊緣點(diǎn)，對(duì)比當(dāng)Y軸值相同時(shí)，擬合后邊緣直線X值與毛刺邊緣點(diǎn)X值之差ds，該差值ds即為毛刺邊緣點(diǎn)到擬合后邊緣的距離，設(shè)閾值k1與k2，判斷毛刺可能區(qū)域邊緣點(diǎn)ds之和是否大于k1；②設(shè)集合為DE，當(dāng)毛刺邊緣點(diǎn)的ds>k2時(shí)，此邊緣點(diǎn)歸入DE，統(tǒng)計(jì)DE中點(diǎn)個(gè)數(shù)，如大于定值k3，則認(rèn)定此區(qū)域?yàn)闈茶T口毛刺所在區(qū)域。

以上兩個(gè)條件可準(zhǔn)確判斷澆鑄口毛刺可能區(qū)域是否真有毛刺。

2.2 機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃

本文提出一種基于視覺的機(jī)器人打磨軌跡離線生成系統(tǒng)，在保證工件打磨質(zhì)量的前提下，使用視覺技術(shù)，根據(jù)每個(gè)工件待打磨毛刺的形狀進(jìn)行機(jī)器人的離線軌跡規(guī)劃。

工作站主要使用兩種方法保證工件打磨效率與質(zhì)量：①使用專用電機(jī)帶動(dòng)打磨砂輪以高于1 400 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，保證打磨過程中的打磨切削量；②在關(guān)鍵區(qū)域的打磨過程中，選取合適的打磨進(jìn)給量M與進(jìn)給速度V。

根據(jù)打磨進(jìn)給量與進(jìn)給速度是否恒定，打磨方法可分恒速恒量進(jìn)給方式與變速變量進(jìn)給方式。通常，針對(duì)被打磨對(duì)像與打磨工具的不同材質(zhì)，技術(shù)人員需先進(jìn)行試打。本文將試打過程分為人工試打和機(jī)器人試打，試打可確定具體的打磨方法與打磨過程中的進(jìn)給量M與進(jìn)給速度V。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的工件特性與試打結(jié)果，系統(tǒng)選擇恒速恒量方式作為打磨進(jìn)給方式。

2.2.1 打磨設(shè)備說明

打磨砂輪機(jī)以恒力氣缸支撐，當(dāng)機(jī)器人與之接觸力過大時(shí)，氣缸將帶動(dòng)打磨機(jī)構(gòu)后退，如氣缸后退超一定行程，限位傳感器被觸發(fā)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，此機(jī)構(gòu)為機(jī)器人與砂輪機(jī)均提供了保護(hù)，使得機(jī)器人與打磨機(jī)構(gòu)剛性接觸過程中，保證打磨力在可控范圍之內(nèi)。

打磨機(jī)所選砂輪對(duì)工件有良好的打磨效果，且砂輪在打磨過程中自身消耗微小，故本文不考慮打磨過程中打磨耗材的損耗。打磨砂輪機(jī)如圖10所示。

2.2.2 工件毛刺打磨位置確定

系統(tǒng)首先以網(wǎng)格法確認(rèn)視覺坐標(biāo)系下，機(jī)器人打磨軌跡的起始與結(jié)束點(diǎn)位置，再通過示教與坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的方法，生成可被機(jī)器人執(zhí)行的打磨軌跡。為確定機(jī)器人打磨軌跡起始與結(jié)束點(diǎn)位置，提出網(wǎng)格法進(jìn)行毛刺定位。

網(wǎng)格法是通過網(wǎng)格覆蓋有毛刺的區(qū)域，并通過網(wǎng)格內(nèi)區(qū)域像素的灰度值判斷毛刺具體位置，具體過程如下：

(1)網(wǎng)格劃分 標(biāo)定相機(jī)，獲得像素與實(shí)際距離的轉(zhuǎn)化關(guān)系。在工件邊緣，生成多行長(zhǎng)寬等距的平行網(wǎng)格覆蓋澆鑄口，網(wǎng)格的邊長(zhǎng)L等于機(jī)器人打磨軌跡的進(jìn)給量M。當(dāng)網(wǎng)格生成后，系統(tǒng)檢測(cè)每行網(wǎng)格灰度值之和W(x,y)，進(jìn)而判斷網(wǎng)格區(qū)域中是否包含毛刺。判斷依據(jù)為：

當(dāng)W(x,y)

當(dāng)V1

當(dāng)W(x,y)>V2時(shí)，網(wǎng)格為無(wú)毛刺區(qū)域。

其中V1,V2為網(wǎng)格灰度值的閾值。

(2)毛刺位置分析 系統(tǒng)對(duì)生成的網(wǎng)格以行為單位進(jìn)行分析，將每行網(wǎng)格分為需打磨和不需打磨兩類，如每行網(wǎng)格均為無(wú)毛刺區(qū)則為無(wú)需打磨區(qū)，反之則為需打磨區(qū)。每行網(wǎng)格打磨區(qū)均有打磨起始位置與打磨終止位置，起始位置為機(jī)器人打磨方向的每行首個(gè)網(wǎng)格毛刺邊界區(qū)的前一網(wǎng)格無(wú)毛刺區(qū)域網(wǎng)格右下角坐標(biāo);終止位置為每行最后一個(gè)網(wǎng)格毛刺邊界區(qū)的后一網(wǎng)格無(wú)毛刺區(qū)域左下角的坐標(biāo)，如圖11所示。

打磨起始位置與終止位置均為工件待打磨區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)。由此可得出工件表面待打磨區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)P{p1,p2,…,pn}在圖像坐標(biāo)系下的值。

2.2.3 視覺坐標(biāo)與機(jī)器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

結(jié)合標(biāo)定結(jié)果，可獲得視覺坐標(biāo)系{C}。使用結(jié)合RANSAC直線擬合法，可準(zhǔn)確獲得工件相鄰兩個(gè)邊緣的直線，求其交點(diǎn)并以交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立工件對(duì)象坐標(biāo)系{O}，如圖12所示。

可將視覺坐標(biāo)系{C}下打磨區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)P{p1,p2,…,p2}及邊界點(diǎn)P3,P4,P5,P6的像素值轉(zhuǎn)化為{O}坐標(biāo)系下的實(shí)際值，轉(zhuǎn)化過程如下：

在機(jī)器人末端法蘭安裝標(biāo)定針，建立機(jī)器人工具坐標(biāo)系{T1}。以{T1}在打磨砂輪的表面打磨位置P建立一用戶坐標(biāo)系{U}，得到P在機(jī)器人基坐標(biāo)系{B}下的位置，即BTP，如圖13所示。

移動(dòng)機(jī)器人抓取工件，將工件的角點(diǎn)C(即工件坐標(biāo)系{O}原點(diǎn))水平放置在P點(diǎn)處,示教并記錄{T00}坐標(biāo)系下值BTF。有

(3)

BTP=BTF×FTC。

(4)

其中：C為對(duì)于工件表面任意一需打磨的點(diǎn)，F(xiàn)TC為C點(diǎn)在機(jī)器人法蘭末端坐標(biāo)系上的值;結(jié)合視覺工件坐標(biāo)系{O}，OTC為視覺工件坐標(biāo)系下C點(diǎn)的位置。當(dāng)機(jī)器人以固定位姿抓取工件時(shí)，F(xiàn)TO為Obj坐標(biāo)系到機(jī)器人法蘭末端坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為定值。對(duì)于C點(diǎn)，有

FTC=FTO×OTC。

(5)

故

(6)

FTO=[BTF]-1×BTP×[OTC]-1。

(7)

可求得定值FTO。

當(dāng)打磨點(diǎn)C位置發(fā)生變化，可得下一打磨點(diǎn)C1在Obj下的位姿。有

(8)

代入式(5)，得

BTF=BTP×[FTO×OTC1]-1。

(9)

式中OTC1可由視覺工件坐標(biāo)系直接求得。由此可求得BTF，即機(jī)器人抓取工件的下C1點(diǎn)的打磨位置。

通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可將工件打磨關(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)系下可被機(jī)器人執(zhí)行的位姿。

2.2.4 基于視覺的機(jī)器人打磨軌跡生成

機(jī)器人在獲得打磨關(guān)鍵點(diǎn)及邊界點(diǎn)的打磨位置BTF后，分別生成澆鑄口毛刺打磨軌跡和工件邊緣飛邊毛刺打磨軌跡。

針對(duì)澆鑄口毛刺，系統(tǒng)根據(jù)打磨關(guān)鍵點(diǎn)個(gè)數(shù)Num計(jì)算出打磨軌跡數(shù)量Snum，打磨關(guān)鍵點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)，所以Snum=Num/2。機(jī)器人以循環(huán)的方式，按從外到內(nèi)的順序，依次用直線軌跡運(yùn)行打磨起始點(diǎn)到打磨結(jié)束點(diǎn)的打磨進(jìn)給軌跡，以完成毛刺的打磨。循環(huán)的次數(shù)為打磨軌跡數(shù)量Snum。機(jī)器人打磨進(jìn)給軌跡代碼如下：

Movel p_GrindingStart,v100,z100,t_GrindingTool1WObj:=wobjGrinding;

FOR i FROM 0 TO Snum-1 DO

Movel p_GrindingStart{i},v100,z100,t_GrindingTool1WObj:=wobjGrinding;

Movel p_GrindingEnd{i},v100,z100,t_GrindingTool1WObj:=wobjGrinding;

Movel p_GrindingMid,v100,z100,t_GrindingTool1WObj:=wobjGrinding;

ENDFOR

Movel p_GrindingExit,v100,z100,t_GrindingTool1WObj:=wobjGrinding;

機(jī)器人運(yùn)行以上程序，可完成澆鑄口毛刺區(qū)域的打磨。

因工件相對(duì)尺寸固定，故本文結(jié)合人工示教軌跡與工件邊緣直線交點(diǎn)，可生成工件四周飛邊毛刺打磨軌跡，完成飛邊毛刺的打磨。

本文所提基于視覺的機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，通過網(wǎng)格法確定了打磨對(duì)象毛刺位置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人打磨軌跡的離線編程這一工作難點(diǎn)。在保障現(xiàn)場(chǎng)工作人員人身安全的情況下，極大地減輕了人員工作量。系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)工件毛刺形狀離線生成打磨軌跡，在減少人工示教時(shí)間的基礎(chǔ)上，避免了因被打磨毛刺形狀復(fù)雜而示教的無(wú)效軌跡，提高了工作站打磨效率與工作品質(zhì)。

2.3 工作站工作流程與控制邏輯

本文所提工作站實(shí)現(xiàn)了金屬鑄件拆垛上料、機(jī)器人打磨、下料碼垛過程的自動(dòng)化作業(yè)。工作中，待加工的毛坯件以一定順序碼放在托盤上，由人工用叉車將其放在指定位置。當(dāng)工作滿足啟動(dòng)條件時(shí)，上料機(jī)器人將利用視覺系統(tǒng)，并結(jié)合自身的碼垛功能，對(duì)放置于托盤上的工件依次進(jìn)行拍照定位與抓取;完成抓取后，機(jī)器人將工件放置在裝有背光光源的中轉(zhuǎn)臺(tái)上，抓取機(jī)器人會(huì)再次對(duì)工件進(jìn)行拍照，確定工件需打磨毛刺區(qū)域位置及毛刺的形狀，系統(tǒng)依據(jù)檢測(cè)出的毛刺形狀，規(guī)劃出打磨機(jī)器人的打磨軌跡，并將軌跡傳送給打磨機(jī)器人，由打磨機(jī)器人完成打磨工作。

上料中轉(zhuǎn)臺(tái)共有2個(gè)，每個(gè)可放置2個(gè)工件，上料機(jī)器人完成打磨中轉(zhuǎn)臺(tái)上機(jī)器人的拍照檢測(cè)后，打磨機(jī)器人會(huì)到上料中轉(zhuǎn)臺(tái)上抓取工件進(jìn)行打磨作業(yè)。工作站配有兩臺(tái)打磨機(jī)器人，它們可同時(shí)工作以提升生產(chǎn)效率。

打磨機(jī)器人完成作業(yè)后會(huì)將工件放置于下料中轉(zhuǎn)臺(tái)上，下料機(jī)器人會(huì)對(duì)放置好的工件進(jìn)行抓取并碼垛。當(dāng)堆垛上的工件碼放完成，工作站會(huì)給出下料聲光提示，提示操作人員將碼好的堆垛移出。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

工作站選用2臺(tái)50 KG負(fù)載EFORT的ER50-C10型機(jī)器人進(jìn)行上料與下料工作，使用ABB I6700型210 KG負(fù)載機(jī)器人作為打磨機(jī)器人。系統(tǒng)在上料機(jī)器6軸法蘭末端安裝一套視覺成像系統(tǒng)，由Basler ace-3800系列相機(jī)組成，配合工控電腦，完成圖像處理與機(jī)器人打磨過程的關(guān)鍵軌跡規(guī)劃。工作站還配有兩套打磨機(jī)構(gòu)，配合打磨機(jī)器人完成工件打磨工作，如圖14所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 視覺引導(dǎo)數(shù)據(jù)

使用改進(jìn)的Line2d方法對(duì)工件進(jìn)行定位抓取，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試300件產(chǎn)品，只有一件未識(shí)別成功。

將托盤上按固定方式放滿工作，使用上料機(jī)器人依次拍照，得到工件相對(duì)于機(jī)器人末端相機(jī)數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，本文所使用視覺引導(dǎo)方法，可穩(wěn)定識(shí)別工件在視覺坐標(biāo)系下的X、Y方向的偏移及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。如果工件在A，B軸向沒有較大偏移，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的穩(wěn)定抓取。表1中0號(hào)圖片為模板圖片。

表1 上料機(jī)器人定位結(jié)果

續(xù)表1

4.2 打磨軌跡規(guī)劃數(shù)據(jù)

針對(duì)工件，系統(tǒng)用網(wǎng)格法檢測(cè)并生成的關(guān)鍵點(diǎn)位置如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)可穩(wěn)定地將圖像坐標(biāo)系下的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)系中,可被機(jī)器人執(zhí)行的打磨關(guān)鍵點(diǎn)。

表2 打磨關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)

4.3 打磨結(jié)果

實(shí)際測(cè)試過程中，工作站可達(dá)到每10 s產(chǎn)出一個(gè)工件,而此類工件原先在人工打磨的情況下，需30～40 s產(chǎn)出一個(gè)工件。因此，在時(shí)間相同的情況下，系統(tǒng)可穩(wěn)定替代3～4人的工作量。

打磨工作站結(jié)合了視覺系統(tǒng)的機(jī)器人毛刺檢測(cè)與路徑規(guī)劃功能，通過視覺定位、基于RANSAC直線擬合法及網(wǎng)格毛刺檢測(cè)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了打磨系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。一方面，工作站完成了復(fù)雜背景條件下，毛坯工件的機(jī)器人定位抓取工作；另一方面，系統(tǒng)在工件表面即有澆鑄口毛刺又有合模線飛邊毛刺的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)澆鑄口毛刺的精確在線檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果離線生成了機(jī)器人打磨軌跡，使得打磨過程實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，優(yōu)化了機(jī)器人打磨的工作效率，同時(shí)提高了工作站的安全系數(shù)。打磨工件對(duì)比效果如圖15所示。

由圖15可知，打磨前工件存在澆鑄口毛刺與飛邊毛刺，打磨后這兩種毛刺均被去除，工件表面平整良好。打磨工作站可準(zhǔn)確地去除工件表面的澆鑄口毛刺與飛邊毛刺。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于視覺的機(jī)器人抓取引導(dǎo)與打磨軌跡自動(dòng)規(guī)劃的機(jī)器人打磨工作站。工作站可完成從工件的自動(dòng)上料、打磨與下料的全過程自動(dòng)化生產(chǎn)。系統(tǒng)采用改進(jìn)的Line-2D算法中的模板建立方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)毛坯工件的精確定位，完成上料機(jī)器人抓件的視覺引導(dǎo)工作。本文還提出了基于網(wǎng)格法的機(jī)器人打磨軌跡規(guī)劃方法，通過對(duì)視覺采集待打磨工件的圖像，提取工件邊緣梯度并結(jié)合RANSAC直線擬合法獲得需要打磨毛刺的位置，根據(jù)毛刺位置生成機(jī)器人自動(dòng)打磨軌跡。結(jié)合機(jī)器人控制邏輯，工作站可完成毛坯工件從托盤抓取到打磨與放置全過程的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平與生產(chǎn)過程的安全性。

機(jī)器人打磨工作站具備上件抓取精度高，打磨工件質(zhì)量一致性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，單位工作時(shí)間內(nèi)，工作站可完成原先需3～4人工完成的工作，系統(tǒng)還減少了生產(chǎn)與調(diào)試過程中人工干預(yù)的時(shí)間，提升了工作人員的安全系數(shù)。下一步，筆者將偏重以下兩個(gè)方向進(jìn)行研究：①嘗試在視覺系統(tǒng)中融入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，提升識(shí)別算法的泛化性能；②嘗試在控制系統(tǒng)中加入力控傳感器，配合相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)打磨系統(tǒng)的閉環(huán)控制。