劉海龍，張蕾，吳海波

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

在以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用為核心的制造生產(chǎn)線中，作業(yè)對象的快速定位和三維空間轉(zhuǎn)換是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的重要技術(shù)之一。在當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人定位應(yīng)用中，主要是以預(yù)先設(shè)定固定點(diǎn)位的方式來告知機(jī)器人作業(yè)程序，事先設(shè)定并達(dá)到預(yù)定位置和姿態(tài)的目的[1]。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)線作業(yè)效率的要求也日益嚴(yán)格，如自動化流水線常采用倍速鏈進(jìn)行輸送工裝板，當(dāng)機(jī)械振動導(dǎo)致工裝板位置發(fā)生細(xì)微變化時(shí)，工業(yè)機(jī)器人很可能無法實(shí)現(xiàn)工件的作業(yè)加工，或?qū)е虏涣计?，這在一定程度上影響了工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)效率和生產(chǎn)良品率，增加運(yùn)營成本[2]。在較簡單的機(jī)器人抓取作業(yè)中，有少數(shù)應(yīng)用單機(jī)器視覺技術(shù)對作業(yè)對象進(jìn)行垂直坐標(biāo)定位，轉(zhuǎn)換成X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人對其定位。但該技術(shù)也存在明顯缺陷，當(dāng)多種工件類型時(shí)需要采用不同的視覺定位方案，或者當(dāng)需要對工件的Z坐標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)無法實(shí)現(xiàn)，對于復(fù)雜工件的直接定位也有較大難度，難以實(shí)現(xiàn)抓取工具和工件在外形上的匹配，因此該解決方案具有較大局限性[3]。

針對以上問題，為增加視覺系統(tǒng)的通用性和作業(yè)效率，本文提出基于雙視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人三維立體定位系統(tǒng)，在工業(yè)機(jī)器人的法蘭盤末端安裝兩個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)來獲取作業(yè)對象的圖像，并通過兩個(gè)不同位置相機(jī)的差位圖像進(jìn)行圖片處理和三維空間坐標(biāo)換算，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對作業(yè)對象的立體空間定位，方便進(jìn)行抓取、加工、切割和噴涂等生產(chǎn)作業(yè)。在生產(chǎn)作業(yè)中，常需解決機(jī)器人工具與工件角度匹配問題，因此在設(shè)計(jì)工裝板中需要通過開奇數(shù)不對稱定位孔來確定工件的角度姿態(tài)，以增加系統(tǒng)的普適性。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)的硬件組成主要由機(jī)器視覺單元、工控機(jī)單元、機(jī)器人執(zhí)行單元和工件配套單元四部分組成。機(jī)器視覺單元是由安裝在工業(yè)機(jī)器人法蘭盤末端的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)組成，跟隨工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動軌跡，實(shí)時(shí)觸發(fā)獲取工業(yè)區(qū)域圖像，并將圖像信號通過以太網(wǎng)傳輸給工控機(jī)處理單元；工控機(jī)單元主要負(fù)責(zé)機(jī)器視覺信號的處理與分析，確定作業(yè)對象的空間角度姿態(tài)和三維立體位置定位，并向執(zhí)行單元和工件配套單元輸出控制信號；機(jī)器人執(zhí)行單元是工業(yè)機(jī)器人控制柜、本體和工具等動作執(zhí)行設(shè)備；工件配套單元主要是工作站周邊設(shè)備，如工件工裝、輸送鏈、變位機(jī)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等配套交互設(shè)備。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

工業(yè)機(jī)器人在其工作區(qū)域由程序啟動，安裝在前端法蘭上的工業(yè)相機(jī)跟隨移動至拍照位置，分別采集工件區(qū)域圖像，圖像基礎(chǔ)處理后通過以太網(wǎng)傳輸給工控機(jī)單元。工控機(jī)對圖像進(jìn)行處理與分析，包括工件在工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)、工件角度姿態(tài)、類型、顏色和形狀等參數(shù)，圖像處理完成后進(jìn)行MODBUS編碼將數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人控制柜和工件配套單元，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對工件的立體定位并按需求進(jìn)行加工作業(yè)。作業(yè)完成后工件配套單元通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將工件狀態(tài)信號發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人接收解析信號并判斷后續(xù)工作流程，如產(chǎn)品合格進(jìn)行下一步循環(huán)，不合格將重加工或丟棄處理等。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及原理

2 雙視覺系統(tǒng)立體定位

2.1 機(jī)器視覺標(biāo)定

對機(jī)器視覺的標(biāo)定是為了給雙目視覺相機(jī)提供一個(gè)參考系和圖像畸變矯正參數(shù)，也是影響視覺系統(tǒng)判定目標(biāo)精度的關(guān)鍵性步驟[4]。標(biāo)定方法和實(shí)施過程包括機(jī)器視覺標(biāo)定、雙目標(biāo)定和手眼標(biāo)定[5]。機(jī)器視覺標(biāo)定的原理是建立機(jī)器視覺像素坐標(biāo)和目標(biāo)參考點(diǎn)位置之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即根據(jù)目標(biāo)參考點(diǎn)的位置像素坐標(biāo)和大地坐標(biāo)計(jì)算出機(jī)器視覺系統(tǒng)的模型參數(shù)[6]。由孔位圖像模型可知，工件目標(biāo)參考點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(Xl,Yl,Zl)與其圖像投影點(diǎn)p′的二維投影坐標(biāo)(u,v)的關(guān)系表達(dá)式為：

(1)

式中：s為比例因子;M1為常量;dX、dY分別為機(jī)器視覺每個(gè)像素在X、Y軸上的物理尺寸；(u0,v0)為圖像重心點(diǎn)坐標(biāo);f為相機(jī)焦距;R1為機(jī)器視覺坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣式;T1為機(jī)器視覺坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系的平移矩陣參數(shù)。根據(jù)式(1)的投影模型，本方案采用2D平面視覺標(biāo)靶標(biāo)定法，該方法操作相對簡單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺的視覺標(biāo)定[7]。操作過程中雙目相機(jī)從不同角度拍攝8張工裝目標(biāo)板圖像，運(yùn)用該標(biāo)定方法求解(1)中的數(shù)值完成標(biāo)定。

2.2 雙目標(biāo)定

雙目標(biāo)定主要通過兩個(gè)相機(jī)的圖像坐標(biāo)和大地坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系來求解兩個(gè)工業(yè)相機(jī)的空間組合參數(shù)R2、T2。由工業(yè)相機(jī)標(biāo)定求出兩個(gè)相機(jī)的與大地坐標(biāo)系的相對位置，分別為左右相機(jī)，參數(shù)為RlTl/RrTr，對于參考目標(biāo)點(diǎn)，假設(shè)該點(diǎn)在大地坐標(biāo)系、左右相機(jī)坐標(biāo)系的非齊次坐標(biāo)分別為xw/xl/xr，則可求得：

(2)

因此得到兩個(gè)工業(yè)相機(jī)的空間組合參數(shù)R2、T2可表示為：

R2=Rr/Rl
T2=Tr-RrTl/Rl

(3)

2.3 手眼標(biāo)定

手眼標(biāo)定是立體定位的最后一步，目的是求解相機(jī)坐標(biāo)系與工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系。操作步驟為手動編程工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動軌跡程序，控制機(jī)器人法蘭盤末端上的雙目相機(jī)在工件上方不同的角度和位置，對已測量尺寸的工裝參考板進(jìn)行拍照并將圖像傳送給工控機(jī)，工控機(jī)通過不同角度方位的外參數(shù)與機(jī)器人工件坐標(biāo)系參數(shù)得出其相對于關(guān)系[8]。原理公式為：

RX=XT

(4)

式中：X為待求參數(shù)；R、X、T均為4×4矩陣。因此由式(4)可知，工業(yè)相機(jī)的空間位置改變?nèi)闻恼毡憧汕蟮肵矩陣。在實(shí)際的應(yīng)用中考慮到誤差和精度，綜合作業(yè)效率多方面考量，采用拍攝8組圖像進(jìn)行求解，最后應(yīng)用最小二乘法取精度最優(yōu)的一組作為最終X值[9]。

2.4 立體定位坐標(biāo)的計(jì)算

工業(yè)機(jī)器人的引導(dǎo)原理主要是通過工件坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系，基于大地坐標(biāo)系選取最佳的中心原點(diǎn)而創(chuàng)建的，在對變化的工件進(jìn)行立體定位時(shí)一般是通過創(chuàng)建工件坐標(biāo)系引導(dǎo)[10]。在雙機(jī)器視覺下工件對象中的一個(gè)點(diǎn)(孔)在兩個(gè)相機(jī)中可以確定各自的三維空間坐標(biāo)，在本文的作業(yè)對象工裝中，工裝中設(shè)計(jì)有6個(gè)定位孔位，這樣在雙目相機(jī)視覺下將得到6組點(diǎn)位空間位置，由于兩相機(jī)空間位置的不同，每組數(shù)據(jù)的兩個(gè)相機(jī)點(diǎn)位空間坐標(biāo)將呈規(guī)律性差異[11]。通過式(5)可以計(jì)算出該點(diǎn)位相對于機(jī)器人大地坐標(biāo)系的立體定位坐標(biāo)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為工業(yè)機(jī)器人的工件坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值，引導(dǎo)機(jī)器人加工作業(yè)。

x=zXl/fl
y=zYl/fl
z=fl(frtx-Xrtz)[XR(r1X1+r2Yl+flr3)]-1

(5)

式中:(x,y,z)為待求目標(biāo)點(diǎn)在工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo);Xl、Yl和Xr、Yr分別為待求目標(biāo)點(diǎn)在左右雙目相機(jī)相面點(diǎn)的坐標(biāo);fl、fr分別為雙目左右工業(yè)相機(jī)的焦距。在求出6個(gè)定位孔在機(jī)器人工件坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)后，根據(jù)最小二乘法求出最優(yōu)的工裝平面，并以6個(gè)點(diǎn)平面x、y的平均值確定機(jī)器人工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)確定后，待求工件相對于工業(yè)機(jī)器人的所有坐標(biāo)點(diǎn)為均可以很方便換算出，坐標(biāo)值可直接供機(jī)器人操縱編程人員使用，引導(dǎo)機(jī)器人精確的加工作業(yè)。

3 運(yùn)行與調(diào)試

工控機(jī)和機(jī)器人操縱編程人員按步驟及對應(yīng)的編程方式完成程序的設(shè)計(jì)，在禮品盒裝配包裝生產(chǎn)線上進(jìn)行可行性驗(yàn)證、精度及誤差分析，完成運(yùn)行與調(diào)試。裝配包裝工作站采用埃夫特HR20-1700-C10工業(yè)機(jī)器人、basler acA2500-14gm型號工業(yè)相機(jī)、理光FLHC1214-2M型號鏡頭、200 mm×200 mm背光光源、西門子S7-1200 PLC和研華AIIS-1240-00A1E工控機(jī)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需打開背光光源，采用透明工裝板，在機(jī)器人的法蘭盤末端設(shè)計(jì)有專用的多功能機(jī)械工具，用于安裝相機(jī)和夾爪工具，固定相機(jī)為左相機(jī)。工件隨工裝板在倍速鏈傳送帶運(yùn)動至光源位置，由左右工業(yè)相機(jī)對工件進(jìn)行拍照，并將圖像初步處理后通過以太網(wǎng)發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)接收并解析圖像數(shù)據(jù)后根據(jù)事先設(shè)計(jì)的程序算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出工件對象在機(jī)器人工件坐標(biāo)系下的三維旋轉(zhuǎn)角度和空間坐標(biāo)，然后將結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人控制柜，編程設(shè)計(jì)人員使用該數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)程序，完成工件的加工作業(yè)。本文的核心內(nèi)容是聚焦于雙視覺的工件立體定位。因此主要記錄視覺對工件的定位結(jié)果和工件的實(shí)際測量值的比較，計(jì)算系統(tǒng)的誤差值，測試結(jié)果如表1所示。

在表1中，為工件相對于機(jī)器人工件坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度。由多次試驗(yàn)可知，機(jī)器人被引導(dǎo)的定位計(jì)算數(shù)據(jù)誤差均在0.5 mm之內(nèi)，滿足課題設(shè)計(jì)要求和一般工業(yè)通用性要求。

表1 試驗(yàn)測試結(jié)果對比 mm

4 結(jié)束語

本文研究了基于雙機(jī)器視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人三維立體定位系統(tǒng)，核心內(nèi)容是對雙目工業(yè)相機(jī)下通過左右相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系推算工件坐標(biāo)系，確定目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確的立體定位及加工作業(yè)。為增加研究內(nèi)容的普適性，研究目標(biāo)識別的工裝板采用6對稱定位孔，利用最小二乘法取最優(yōu)化數(shù)據(jù)提高精度和通用性，工件對象和工裝板保持固定位置，則可通過雙目視覺方便的識別出該工件的是立體定位、類型數(shù)據(jù)和角度姿態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人控制器供編程人員使用。通過運(yùn)行和調(diào)試數(shù)據(jù)分析，工業(yè)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地對不同類型的工件進(jìn)行識別并實(shí)現(xiàn)精確立體定位，有較快的相應(yīng)速度，大大提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，增加了工作站的應(yīng)用廣度，具有良好的實(shí)用價(jià)值。