馮聯(lián)會(huì) 武彬強(qiáng) 叢立國(guó) 李余

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)春130012）

1 前言

汽車(chē)制造領(lǐng)域在制造業(yè)中屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，隨著人工成本的不斷增加、機(jī)器人成本不斷下降，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始普及應(yīng)用對(duì)汽車(chē)制造自動(dòng)化起到了重要的推動(dòng)作用，目前沖壓、焊裝、涂裝3大工藝都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，自動(dòng)化率都達(dá)到70%以上。

唯有總裝自動(dòng)化水平相對(duì)較低，行業(yè)水平在10%左右。究其原因主要有總裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配零件種類(lèi)多、差異性大、裝配工藝多樣等，如擰緊、卡接、涂膠、打刻、粘粘等，共計(jì)有80多種作業(yè)類(lèi)型。由于生產(chǎn)線(xiàn)多為高產(chǎn)能流水生產(chǎn)線(xiàn)，在此條件下很難大面積普及自動(dòng)化裝配，需針對(duì)不同作業(yè)類(lèi)型開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)自動(dòng)化裝備。

不同于汽車(chē)其它制造領(lǐng)域，總裝工藝最大的難題是整車(chē)?yán)塾?jì)誤差大，這里所說(shuō)的累計(jì)誤差是基于裝配和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)而言，這種前提下很難像沖壓、焊裝、涂裝那樣直接采用機(jī)器人進(jìn)行裝配，即便采用也無(wú)法滿(mǎn)足裝配要求?？傃b最早采用的自動(dòng)裝配作業(yè)是玻璃涂膠，也是基于玻璃完全靜止?fàn)顟B(tài)下的自動(dòng)作業(yè)，其七軸方案也是基于軌跡固定下的相對(duì)靜止裝配。要真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)裝配，就要解決裝配累計(jì)誤差問(wèn)題，而視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)能完美解決這一問(wèn)題，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)的識(shí)別和信息傳遞，可實(shí)時(shí)計(jì)算與裝配基準(zhǔn)或特征點(diǎn)的偏差并進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)裝配。目前“視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)+機(jī)器人”模式已成為實(shí)現(xiàn)總裝自動(dòng)化的核心，隨著算法的不斷突破這種模式也越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。

2 工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展和構(gòu)成

2.1 工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展

視覺(jué)系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代起步，到90年代中期獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展也大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。

工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)就是利用機(jī)器代替人眼來(lái)做各種測(cè)量和判斷。在汽車(chē)行業(yè)隨著企業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和對(duì)質(zhì)量更加嚴(yán)格的控制要求，也隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)正從依賴(lài)廉價(jià)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)向更高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)，迫切需要機(jī)器視覺(jué)來(lái)代替人工檢測(cè)。另外，國(guó)內(nèi)早期的工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度普遍較低，大量的更新?lián)Q代都加快了對(duì)包括機(jī)器視覺(jué)在內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備的迫切需求。

視覺(jué)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下。

a.非接觸測(cè)量；

b.具有較寬的光譜響應(yīng)范圍；

c.長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；

d.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

2.2 工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)的主要構(gòu)成

工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)一般包括照明系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)等。對(duì)于每個(gè)應(yīng)用工況，都需考慮系統(tǒng)運(yùn)行速度、圖像處理速度、使用彩色或黑白工業(yè)攝像機(jī)、檢測(cè)目標(biāo)尺寸、分辨率和對(duì)比度等。需要識(shí)別的維度較多，從功能上來(lái)看，典型的工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)可以分為圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分，如圖1所示。

圖1 視覺(jué)系統(tǒng)主要構(gòu)成

工業(yè)視覺(jué)硬件主要包括圖像獲取和視覺(jué)處理2部分，而圖像獲取由照明系統(tǒng)、視覺(jué)傳感器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和幀存儲(chǔ)器等組成。機(jī)器視覺(jué)通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過(guò)視覺(jué)處理器進(jìn)行分析和解釋?zhuān)M(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號(hào)，讓機(jī)器能夠辨識(shí)物體并確定其位置。

視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以用3個(gè)既獨(dú)立又相互聯(lián)系的模塊來(lái)概括，即目標(biāo)物圖像采集、圖像處理和指令發(fā)出。而視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又可分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)2大部分。

2.3 2D工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

上述機(jī)器視覺(jué)通常是指2D視覺(jué)系統(tǒng)，即通過(guò)攝像頭拍到1個(gè)平面的照片，然后通過(guò)圖像分析或比對(duì)來(lái)識(shí)別物體，物體平面特征可用于缺失/存在檢測(cè)、離散對(duì)象分析、以及基于邊緣檢測(cè)的各種二維幾何分析等。

由于2D視覺(jué)無(wú)法獲得物體的空間坐標(biāo)信息，所以不支持與形狀相關(guān)的測(cè)量，如物體平面度、表面角度、體積或者區(qū)分相同顏色的物體之類(lèi)的特征等，而且2D視覺(jué)測(cè)量物體特別依賴(lài)于光照和顏色/灰度變化，精度易受照明條件等變量的影響。但隨著測(cè)量精度要求越來(lái)越高，被測(cè)物體條件越來(lái)越復(fù)雜，2D視覺(jué)雖為主流，但同時(shí)2D系統(tǒng)的缺陷也愈發(fā)突出，為解決這些問(wèn)題，3D視覺(jué)系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，在提高檢測(cè)精度的同時(shí)能較好解決2D中不易解決的復(fù)雜問(wèn)題。

2.4 3D工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展及特點(diǎn)

3D工業(yè)視覺(jué)的出現(xiàn)，可在許多2D應(yīng)用有缺陷場(chǎng)景中大顯身手，如從黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、靜態(tài)圖像到動(dòng)態(tài)影像，同時(shí)行業(yè)也認(rèn)同3D視覺(jué)將是人工智能開(kāi)啟的提供者，相比2D，其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a.能在線(xiàn)檢測(cè)快速移動(dòng)的目標(biāo)物，獲取形狀和對(duì)比度；

b.消除手動(dòng)檢查帶來(lái)的錯(cuò)誤；

c.實(shí)現(xiàn)部件和裝配100%在線(xiàn)質(zhì)量控制；

d.最大限度地縮短檢測(cè)周期；

e.最大限度地提高質(zhì)量和產(chǎn)量；

f.易于檢查低對(duì)比度物體；

g.對(duì)較小的照明變化或環(huán)境光不敏感；

h.對(duì)于大物檢測(cè)的多傳感器設(shè)置更簡(jiǎn)便。

3 3D工業(yè)視覺(jué)分類(lèi)及特點(diǎn)

想真正了解3D視覺(jué)首先需要了解3D視覺(jué)的測(cè)量原理，目前市場(chǎng)上主流的有4種3D視覺(jué)技術(shù)，雙目視覺(jué)、TOF（飛行時(shí)間法成像技術(shù)）、結(jié)構(gòu)光和激光三角測(cè)量。

3.1 雙目視覺(jué)系統(tǒng)

雙目技術(shù)是目前較為廣泛的3D視覺(jué)系統(tǒng)，它的原理就像人的2只眼睛，用2個(gè)視點(diǎn)觀(guān)察同一景物以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像的視差來(lái)獲取景物的三維信息，如圖2所示。

圖2 雙目視覺(jué)基本工作原理

由于雙目技術(shù)原理簡(jiǎn)單，不需要使用特殊的發(fā)射器和接收器，只需要在自然光照下就能獲得三維信息，所以雙目技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)靈活和成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合于制造現(xiàn)場(chǎng)的在線(xiàn)產(chǎn)品檢測(cè)和質(zhì)量控制。不過(guò)雙目技術(shù)的劣勢(shì)是算法復(fù)雜，計(jì)算量大而且光照較暗或者過(guò)度曝光的情況下效果差。

3.2 TOF視覺(jué)系統(tǒng)

飛行時(shí)間法成像技術(shù)（Time Of Flight，TOF）的原理是通過(guò)向目標(biāo)物連續(xù)發(fā)送光脈沖，傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。TOF的核心部件是光源和感光接收模塊，由于TOF是根據(jù)公式直接輸出深度信息，不需要用類(lèi)似雙目視覺(jué)的算法來(lái)計(jì)算，具有響應(yīng)快、軟件簡(jiǎn)單、識(shí)別距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，而且由于不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析，因此不受外界光源物體表面性質(zhì)影響，不過(guò)TOF技術(shù)的缺點(diǎn)是分辨率低、不能精密成像、而且成本高。

3.3 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)是通過(guò)1個(gè)光源投射出1束結(jié)構(gòu)光，這種結(jié)構(gòu)光不是普通的光而是具備一定結(jié)構(gòu)（如黑白相間）的光線(xiàn)，打到想要測(cè)量的物體表面，因?yàn)槲矬w有不同的形狀，會(huì)對(duì)這樣的一些條紋或斑點(diǎn)發(fā)生不同的變形，有這樣的變形之后通過(guò)算法可以計(jì)算出距離、形狀、尺寸等信息，從而獲得物體的三維圖像，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)基本原理

由于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)既不需要用很精準(zhǔn)的時(shí)間延時(shí)來(lái)測(cè)量，又可解決雙目中匹配算法的復(fù)雜度和魯棒性問(wèn)題，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于弱光環(huán)境、無(wú)明顯紋理和形狀變化的表面同樣都可進(jìn)行精密測(cè)量，所以越來(lái)越多的3D視覺(jué)高端應(yīng)用采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)。

3.4 激光三角測(cè)量法

此種方法與結(jié)構(gòu)光類(lèi)似，它基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測(cè)器三者之間的幾何成像關(guān)系來(lái)確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，具體原理見(jiàn)圖4。

圖4 激光三角測(cè)量法基本工作原理

通常用激光作為光源，用CCD（電荷耦合器件）相機(jī)作為檢測(cè)器，具有結(jié)構(gòu)光3D視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)，精準(zhǔn)、快速、成本低，不過(guò)由于根據(jù)三角原理計(jì)算被測(cè)物體越遠(yuǎn)，在CCD上的位置差別就越小，所以三角測(cè)量法在近距離下的精度很高，但是隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，其測(cè)量的精度會(huì)越來(lái)越差。

4種主流的3D視覺(jué)測(cè)量原理都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但在汽車(chē)總裝選用哪種最適合，又是如何解決可靠性和準(zhǔn)確性的，都需要進(jìn)行測(cè)試后再判定，下面結(jié)合總裝裝配應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析說(shuō)明。

4 視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

工業(yè)視覺(jué)難點(diǎn)在于精度和速度，要求基本都在毫米級(jí)或更高級(jí)，且總裝領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器抓手的變動(dòng)是在三維空間內(nèi)。根據(jù)功能不同，工業(yè)視覺(jué)可分為視覺(jué)檢驗(yàn)和視覺(jué)引導(dǎo)2種。

工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用工業(yè)視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)。

4.1 視覺(jué)系統(tǒng)在總裝裝配應(yīng)用實(shí)例

4.1.1 視覺(jué)在風(fēng)擋涂膠裝配中的應(yīng)用

在總裝的前后風(fēng)擋玻璃、側(cè)風(fēng)窗玻璃、部分全景天幕玻璃需要涂膠，而且在前后擋底涂工位也需要涂底膠。目前玻璃全自動(dòng)涂膠已經(jīng)成為行業(yè)主流，在采用全自動(dòng)涂膠作業(yè)時(shí)，就需要使用視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行精定位。圖5是裝配前后風(fēng)擋玻璃時(shí)車(chē)身的精定位方式。

圖5 車(chē)身的精定位方式

在整車(chē)自動(dòng)涂膠過(guò)程中視覺(jué)系統(tǒng)一般采用5個(gè)視覺(jué)裝置進(jìn)行定位，其中四角采用4個(gè)2D相機(jī)進(jìn)行粗定位，檢測(cè)機(jī)器人采用3D視覺(jué)進(jìn)行精定位[1]。另外還有視覺(jué)3D檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)在線(xiàn)膠型進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和視覺(jué)跟蹤控制。

a.車(chē)身的粗定位，用于檢測(cè)整個(gè)車(chē)身相對(duì)于地面的位置，并將實(shí)際位置與理論位置的偏差值補(bǔ)償給視覺(jué)機(jī)器人，用于后續(xù)風(fēng)擋框定位。

b.車(chē)身風(fēng)擋框的精定位，使用激光掃描識(shí)別風(fēng)窗框處4～6個(gè)特征點(diǎn)，并將結(jié)果傳遞給裝配機(jī)器人，從而使風(fēng)擋玻璃準(zhǔn)確地安裝到車(chē)身窗框上，裝配精度可達(dá)±0.2 mm。

這里需要特殊說(shuō)明的是為保證自動(dòng)裝配精度，前后風(fēng)擋玻璃需建立各自的測(cè)量基準(zhǔn)零位，即1個(gè)車(chē)型需建立2個(gè)測(cè)量零位，當(dāng)然共線(xiàn)車(chē)型增多，測(cè)量零位也隨之增加。

4.1.2 視覺(jué)在風(fēng)擋底膠裝配中的應(yīng)用

當(dāng)前風(fēng)擋底涂也逐步采用自動(dòng)底涂，在底涂中一般采用3D視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行底涂引導(dǎo)。具體方案見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 帶視覺(jué)的自動(dòng)底涂

圖7 采用視覺(jué)的角窗底涂

另外對(duì)于底涂質(zhì)量狀態(tài)，也可以采用底涂自動(dòng)檢測(cè)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖8。

圖8 底涂結(jié)果自動(dòng)檢測(cè)

對(duì)于角窗裝配涂膠過(guò)程采用自動(dòng)涂膠方案，其常規(guī)視覺(jué)系統(tǒng)原理與前后風(fēng)擋基本相同，這些不再贅述，后面會(huì)介紹1種全新算法角窗視覺(jué)系統(tǒng)。

4.1.3 輪胎自動(dòng)裝配中的應(yīng)用

在輪胎自動(dòng)裝配過(guò)程中分為2種情況，1種是隨動(dòng)裝配，1種是靜止裝配，2種形式基本都是工業(yè)機(jī)器人+3D視覺(jué)系統(tǒng)完成，其3D系統(tǒng)安裝在機(jī)器人的抓手上，通過(guò)拍照識(shí)別車(chē)身輪轂螺栓或輪轂螺紋孔位，通過(guò)后臺(tái)算法自動(dòng)調(diào)整輪胎的孔位與車(chē)身安裝孔位對(duì)正，方案如圖9所示。

圖9 輪胎裝配的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

在輪胎裝配視覺(jué)中最重要是識(shí)別特征點(diǎn)，識(shí)別特征點(diǎn)方法如圖10所示。

圖10 帶雙目3D的特征點(diǎn)識(shí)別

以五孔輪胎為例，其特征點(diǎn)只選取2個(gè)孔，通過(guò)相鄰2孔視覺(jué)識(shí)別就可精確計(jì)算安裝孔的位置，完全能保證自動(dòng)裝配精度。

輪胎裝配采用視覺(jué)特點(diǎn)如下。

7.2.5 成功解除嵌塞 定義為直腸穹窿空虛或者只有少量糞便。在腹部檢查發(fā)現(xiàn)存在糞便嵌塞的病人中，則定義為左下腹腫塊的清除及直腸穹窿空虛［14］。

a.雙目視覺(jué)；

b.特征點(diǎn)選取輪轂上螺柱或安裝螺紋孔；

c.隨行和靜止裝配視覺(jué)識(shí)別算法相同。

在輪胎自動(dòng)線(xiàn)，還有1個(gè)視覺(jué)識(shí)別即上料識(shí)別，用于輪胎自動(dòng)上料前的防錯(cuò)識(shí)別，在輪胎輸送線(xiàn)對(duì)接口增加2D視覺(jué)，通過(guò)對(duì)輪轂拍照識(shí)別車(chē)型，與MES系統(tǒng)車(chē)序信息進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行防錯(cuò)確認(rèn)。如果所送輪胎與MES系統(tǒng)車(chē)型信息不符，系統(tǒng)將報(bào)警提醒，保證輪胎上料準(zhǔn)確。

4.2 裝配檢測(cè)

裝配檢測(cè)是指對(duì)裝配后的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行檢查，即外觀(guān)檢測(cè)，其視覺(jué)也較為簡(jiǎn)單，自動(dòng)檢測(cè)模式下一般在協(xié)作或工業(yè)機(jī)器人上帶2D視覺(jué)系統(tǒng)，采用與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)比對(duì)的方法進(jìn)行自動(dòng)判別，同時(shí)將識(shí)別狀態(tài)進(jìn)行拍照留存，達(dá)成可追溯[2]。

4.3 其他先進(jìn)3D視覺(jué)技術(shù)

隨著智能化的不斷發(fā)展，在現(xiàn)有2D或3D+機(jī)器人向AI+3D視覺(jué)+工業(yè)機(jī)器人方向發(fā)展，其發(fā)展方向包含有智能路徑規(guī)劃技術(shù)，幫助避免碰撞、奇異點(diǎn)等[3]。

圖11 用于物料分揀和上料的機(jī)器人

圖11機(jī)器人采用的原理為：計(jì)算機(jī)會(huì)通過(guò)傳感器（或人工輸入）來(lái)收集關(guān)于某個(gè)場(chǎng)景的信息，將此信息與已存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，以確定它的含義。計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)收集來(lái)的信息計(jì)算各種可能的動(dòng)作，然后預(yù)測(cè)哪種動(dòng)作的效果最好。采用AI算法的零件識(shí)別如圖12所示。

圖12 AI算法下零件識(shí)別

4.4 AI算法下的自動(dòng)涂膠

前面針對(duì)角窗涂膠過(guò)程要求三角窗固定在分裝臺(tái)上，如果在多車(chē)型混流上線(xiàn)時(shí)，其夾具結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，通過(guò)AI+3D視覺(jué)技術(shù)可對(duì)角窗任意定位，通過(guò)算法計(jì)算出涂膠軌跡，精確引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行涂膠作業(yè)，目前此項(xiàng)技術(shù)已趨于成熟，已開(kāi)始成功應(yīng)用。

另外通過(guò)AI的算法可實(shí)現(xiàn)零件正確上料，如圖13所示，在空中采用視覺(jué)系統(tǒng)，不用集成在機(jī)器人上也可指導(dǎo)零件正確裝配。如在輪胎全自動(dòng)擰緊生產(chǎn)線(xiàn)中，增加防盜螺栓工藝就可應(yīng)用此技術(shù)完成自動(dòng)裝配。

圖13 AI算法下零件識(shí)別

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)僅應(yīng)用于總裝重點(diǎn)工位，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程實(shí)時(shí)控制且起到良好的效果?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的總裝裝配中，機(jī)器視覺(jué)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，不僅用于設(shè)備裝配、還能廣泛用于零件上料防錯(cuò)、裝配防錯(cuò)等，通過(guò)AI軟件算法，還能應(yīng)用于總裝隨行裝配中，實(shí)現(xiàn)總裝隨行裝配。

同時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)也是容易被大眾接受和運(yùn)用的系統(tǒng)，在企業(yè)對(duì)外宣傳和企業(yè)識(shí)別上能產(chǎn)生最有效、最直接的作用。隨著視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)視覺(jué)系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越被人們所認(rèn)可并將進(jìn)一步取代人類(lèi)的操作，進(jìn)一步提升工作效率和裝配質(zhì)量，引領(lǐng)汽車(chē)總裝領(lǐng)域的大變革。