郭阿敏,習(xí)俊通,于津偉

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引言

在機(jī)械零件的加工過程中，毛刺的存在會對零件的質(zhì)量、加工精度、裝配精度和再加工定位等很多方面產(chǎn)生不良的影響[1]。傳統(tǒng)的去毛刺方法是由工人手持銼刀、刮刀和鐵刷子[2]等去毛刺工具對零件進(jìn)行去毛刺處理，工作效率低、勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，并且操作穩(wěn)定性差，嚴(yán)重依賴工人的經(jīng)驗，容易造成產(chǎn)品不一致的問題。近年來，隨著工業(yè)機(jī)器人在焊接、搬運(yùn)、裝配等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，將具有低成本、高效率和高柔性的機(jī)器人應(yīng)用于去毛刺領(lǐng)域是一種新的發(fā)展趨勢。

目前工業(yè)機(jī)器人在去毛刺領(lǐng)域的應(yīng)用以示教再現(xiàn)模式為主。首先，由機(jī)器人操作員提前手動示教去毛刺軌跡，然后再讓機(jī)器人沿著預(yù)定的示教軌跡操作工件或去毛刺工具重復(fù)再現(xiàn)原來的軌跡，以實現(xiàn)機(jī)器人自動化去毛刺。這種方法極其簡單，沒有考慮外部環(huán)境的變化，在作業(yè)過程中不具有柔性，是目前自動化去毛刺的主力軍。然而，由于示教再現(xiàn)，機(jī)器人缺乏對外界環(huán)境的感知，一旦工件的位姿或工件類型發(fā)生了變化，機(jī)器人就需要重新進(jìn)行示教，這增加了停機(jī)時間，浪費了機(jī)器人的加工時長，甚至有可能出現(xiàn)欠切或者過切的現(xiàn)象，造成零件產(chǎn)品的報廢。

傳統(tǒng)上，上述問題要么通過設(shè)計特殊的夾具來解決，要么通過測量工件關(guān)鍵特征的位置和方向[3]。當(dāng)批量較大時，后一種方法更合適。研究者開發(fā)了一些系統(tǒng)來糾正這些偏差，應(yīng)用于機(jī)器人去毛刺或其他機(jī)器人自動化加工領(lǐng)域。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于CAD模型生成刀具軌跡的方法，該方法將示教點與生成的刀具軌跡相匹配，從而獲得修改后的刀具軌跡。文獻(xiàn)[5]注冊了一項專利，公開了一種基于3D激光掃描儀的機(jī)器人去毛刺方法。文獻(xiàn)[6]提出了一個系統(tǒng)，掃描和定位三維工件，以進(jìn)行裝配和拾取放置操作。

本文提出了一種基于激光視覺傳感器的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺方法。該方法保留了機(jī)器人在參考工件上的示教步驟，通過激光視覺傳感器，獲取參考工件和當(dāng)前工件的點云數(shù)據(jù)，然后利用ICP點云配準(zhǔn)算法計算參考工件和當(dāng)前工件的變換矩陣，根據(jù)變換矩陣調(diào)整示教軌跡，從而獲得匹配當(dāng)前工件的去毛刺軌跡。這種方法對系統(tǒng)進(jìn)行了最小程度的調(diào)整，只需要附加一個激光視覺傳感器模塊及相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)處理便可獲得工件位姿發(fā)生變化時的去毛刺軌跡，實現(xiàn)機(jī)器人的自動化去毛刺。

1 系統(tǒng)概述

本文提出的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺系統(tǒng)其硬件由六自由度工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、示教編程器、PC機(jī)、激光視覺傳感器和去毛刺工具等組成。按照功能，可分為4個模塊，分別是機(jī)器人模塊、視覺傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和去毛刺模塊。

其中，機(jī)器人模塊中的機(jī)器人是系統(tǒng)的主要載體，其通過運(yùn)動帶動安裝在機(jī)器人末端的激光視覺傳感器對工件進(jìn)行掃描，獲取掃描數(shù)據(jù)，獲取掃描數(shù)據(jù)后可通過數(shù)據(jù)處理模塊得到當(dāng)前工件的機(jī)器人去毛刺軌跡，將其下發(fā)至機(jī)器人控制柜，便可控制機(jī)器人帶動同樣安裝在機(jī)器人末端的去毛刺工具對工件進(jìn)行去毛刺處理。整個系統(tǒng)的運(yùn)作流程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人去毛刺系統(tǒng)流程圖

具體步驟為：

(1)進(jìn)行機(jī)器人手眼標(biāo)定，獲取傳感器坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的關(guān)系；

(2)將工件置于標(biāo)準(zhǔn)位置，操作員對處于標(biāo)準(zhǔn)位置的參考工件進(jìn)行手動示教，獲取去毛刺示教軌跡，同時，操作員還對激光視覺傳感器的掃描軌跡進(jìn)行示教，根據(jù)掃描示教軌跡帶動激光傳感器對參考工件進(jìn)行掃描，獲取參考工件的三維點云數(shù)據(jù)；

(3)機(jī)器人采用步驟(2)預(yù)設(shè)的掃描示教軌跡，帶動激光傳感器對處于視野范圍內(nèi)的實際位置處的工件進(jìn)行掃描，獲取當(dāng)前工件的三維點云數(shù)據(jù)；

(4)根據(jù)手眼標(biāo)定結(jié)果，將參考工件和當(dāng)前工件的三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至機(jī)器人基坐標(biāo)系下，并對轉(zhuǎn)換后的兩個點云數(shù)據(jù)進(jìn)行ICP配準(zhǔn)，以計算當(dāng)前工件相對于參考工件的位姿變換矩陣；

(5)利用變換矩陣對參考工件上的機(jī)器人去毛刺示教軌跡進(jìn)行修正，得到匹配當(dāng)前加工工件的機(jī)器人去毛刺軌跡，將其下發(fā)至機(jī)器人控制柜，控制機(jī)器人按照修正的軌跡帶動去毛刺工具對當(dāng)前工件進(jìn)行去毛刺處理，實現(xiàn)機(jī)器人自適應(yīng)自動化去毛刺。

2 核心算法

由上述分析可知，為了實現(xiàn)機(jī)器人自適應(yīng)自動化去毛刺，需要進(jìn)行機(jī)器人手眼標(biāo)定、點云配準(zhǔn)和示教軌跡修正等處理，下面分別對其進(jìn)行介紹。

2.1 機(jī)器人手眼標(biāo)定

機(jī)器人手眼標(biāo)定的本質(zhì)是建立測量設(shè)備和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而將測量數(shù)據(jù)由測量設(shè)備轉(zhuǎn)換至機(jī)器人。在實際應(yīng)用中,根據(jù)測量設(shè)備與機(jī)器人安裝位置的不同，可將手眼系統(tǒng)分為兩類[7]：眼在手上(Eye-In-Hand)和眼在手外(Eye-To-Hand)。Eye-In-Hand手眼系統(tǒng)將測量設(shè)備安裝在機(jī)械人末端,相對機(jī)械人末端不變，而Eye-To-Hand手眼系統(tǒng)將測量設(shè)備安裝在機(jī)器人外的某個固定位置，在機(jī)器人基坐標(biāo)系下固定不變。本文采用Eye-In-Hand手眼系統(tǒng)，將激光視覺傳感器安裝在機(jī)器人末端，機(jī)器人按照預(yù)設(shè)掃描軌跡運(yùn)動帶動激光傳感器掃描測量工件。

圖2 手眼標(biāo)定示意圖

(1)

如圖3所示，根據(jù)幾何關(guān)系可求出圓心位置在視覺測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

圖3 擬合圓弧和球心幾何關(guān)系示意圖

(2)

這里，(xs,ys)為擬合圓的圓心坐標(biāo)。

(3)

在實驗過程中，保持標(biāo)定球位置不變，改變機(jī)器人姿態(tài)，由式(1)可得：

(4)

2.2 ICP點云配準(zhǔn)

點云配準(zhǔn)算法是指利用一定的算法或者統(tǒng)計學(xué)規(guī)律計算兩片點云之間的錯位關(guān)系。目前最為常用的點云配準(zhǔn)算法是文獻(xiàn)[9]提出的迭代最近點(ICP，iterative closest point)算法。它的核心是一個優(yōu)化的貪心過程，通過尋找對應(yīng)點、RT優(yōu)化和迭代這3個過程來實現(xiàn)點云之間的配準(zhǔn)。除此之外，很多學(xué)者還在ICP算法的基礎(chǔ)上提出了一些改進(jìn)算法[10-11]。

基于本文設(shè)計系統(tǒng)所獲取的點云數(shù)據(jù)的特點，本文直接使用傳統(tǒng)的ICP算法對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，下面簡要介紹一下它的原理。

首先用{pi|pi∈P,i=1,2,…,n}表示在參考工件下獲取到的點云集合P，用{qi|qi∈Q,i=1,2,…,n}表示在實際環(huán)境即當(dāng)前工件下所獲取的點云集合Q，ICP算法的目的就是找到一組剛體變換矩陣R和T，使P坐標(biāo)系下的點云能夠轉(zhuǎn)換到Q坐標(biāo)系下并且轉(zhuǎn)換后P坐標(biāo)中的點與Q坐標(biāo)中的點的距離平方和最小，即使下面的目標(biāo)函數(shù)的值最?。?/p>

(5)

一般情況下求解上述函數(shù)R和T變換采用最小二乘法，最小二乘法的優(yōu)化過程主要有SVD(奇異值分解法)和非線性優(yōu)化，本文采用SVD來計算剛體變換矩陣R和T。

假設(shè)點云P和點云Q的質(zhì)心分別為μp和μq,由：

(6)

則目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(7)

假設(shè)R*和T*為最優(yōu)解，令pi′=pi-μp，qi′=qi-μq，SVD優(yōu)化可以分為兩步：

(8)

對于R*，可以展開為以下形式：

(9)

(10)

其對應(yīng)唯一的UV組合，對應(yīng)地：

R*=UVT,T*=μq-Rμp

(11)

上述過程所求得的變換矩陣是在一次迭代下所求得的最優(yōu)解，一次迭代完成后，應(yīng)用得到的最優(yōu)解將點云P變換到Q坐標(biāo)系下，更新其位置，計算此時的目標(biāo)函數(shù)，判斷目標(biāo)函數(shù)與給定閾值的大小，如果大于給定閾值，則繼續(xù)前面的迭代過程，直到目標(biāo)函數(shù)的值小于閾值或達(dá)到最大迭代次數(shù)為止。ICP算法流程如圖4所示。

圖4 ICP算法流程圖

2.3示教軌跡修正

圖5給出了工業(yè)機(jī)器人的示教軌跡修正模型圖，圖中的坐標(biāo)系和圖2中的類似，{B}為機(jī)器人基坐標(biāo)系，{E}為機(jī)器人末端法蘭盤坐標(biāo)系，{T}和{S}分別為去毛刺工具坐標(biāo)系和激光視覺測量坐標(biāo)系。A為參考工件的擺放位置，即工件處于標(biāo)準(zhǔn)位置時的標(biāo)準(zhǔn)擺放位置，B為生產(chǎn)作業(yè)過程中工件的實際擺放位置。

圖5 機(jī)器人示教軌跡修正模型

假設(shè){Pi,i=1,2,3,…,t}為參考工件上的機(jī)器人去毛刺示教軌跡，Pi為其中的一點，Pi′為軌跡修正后的機(jī)器人去毛刺軌跡點位姿坐標(biāo)。

由ICP點云配準(zhǔn)可計算得到當(dāng)前工件點云數(shù)據(jù)和參考工件點云數(shù)據(jù)之間的位姿偏差，也就是獲得了當(dāng)前工件和參考工件之間的位置偏差矩陣T和姿態(tài)偏差矩陣R，利用R、T可由下式求得當(dāng)前工件的機(jī)器人去毛刺軌跡點位姿坐標(biāo)：

Pi′=RPi+T

(12)

用三維坐標(biāo)表示為：

(13)

至此，可由工件處于標(biāo)準(zhǔn)位置時的示教去毛刺軌跡點得到工件處于實際位置時的去毛刺軌跡點坐標(biāo)，經(jīng)過一定的處理獲得機(jī)器人去毛刺程序，并將其下發(fā)至機(jī)器人控制柜，便可控制機(jī)器人沿著修正后的去毛刺軌跡對工件進(jìn)行去毛刺處理，從而實現(xiàn)機(jī)器人的自動化去毛刺。

3 實驗與結(jié)果分析

為了驗證所設(shè)計的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺系統(tǒng)的有效性，搭建了一套以ABB六自由度工業(yè)機(jī)器人和激光視覺傳感器為核心的實驗平臺。機(jī)器人的型號為ABB IRB6700-150/3.2，負(fù)載150 kg，重復(fù)定位精度0.06 mm，視覺傳感器采用實驗室自主研制的三維線激光視覺傳感器，它的測量距離范圍為-59～+63 mm，工控機(jī)使用個人PC機(jī)，具體實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置

由前述所介紹的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺系統(tǒng)流程，首先要進(jìn)行機(jī)器人的手眼標(biāo)定，采用2.1節(jié)介紹的機(jī)器人手眼標(biāo)定方案，實驗過程如圖7所示。

圖7 手眼標(biāo)定實驗過程

利用標(biāo)定球球心坐標(biāo)和機(jī)器人位置，通過使用Matlab軟件計算得到機(jī)器人手眼標(biāo)定結(jié)果為：

為保證可靠性，我們將得到的標(biāo)定結(jié)果利用機(jī)器人運(yùn)動帶動激光視覺傳感器在不同的機(jī)器人位姿下對半徑為30.013 mm的標(biāo)定球進(jìn)行掃描測量，通過得到的點云擬合獲取標(biāo)準(zhǔn)球半徑，由此驗證手眼標(biāo)定的精度。共進(jìn)行30組測量，各組測量得到的標(biāo)準(zhǔn)球半徑結(jié)果如圖8所示。

圖8 測量標(biāo)準(zhǔn)球半徑結(jié)果

如圖9a所示，給出了參考工件和當(dāng)前工件在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的三維點云數(shù)據(jù)。首先，機(jī)器人帶動激光視覺傳感器對處于標(biāo)準(zhǔn)位置下的參考工件進(jìn)行掃描測量，得到參考工件的三維點云數(shù)據(jù)(灰色)，然后人為改變工件的位姿，使其當(dāng)前所處位置與標(biāo)準(zhǔn)位置產(chǎn)生偏差，然后再對當(dāng)前位置下的工件進(jìn)行掃描測量，獲得當(dāng)前工件的三維點云數(shù)據(jù)(淺灰色)。設(shè)置ICP算法的最大迭代次數(shù)為100，其余參數(shù)均為默認(rèn)值，得到參考工件和當(dāng)前工件的點云配準(zhǔn)結(jié)果如圖9b所示，位姿偏差矩陣R和T為：

(a) 配準(zhǔn)前 (b) 配準(zhǔn)后

T=[0.034 546 2 -0.001 305 95 0.043 096 6]T

由R和T，根據(jù)2.3節(jié)介紹的示教軌跡修正原理，便可將適用于參考工件的示教去毛刺軌跡進(jìn)行修正，得到適用于當(dāng)前工件的去毛刺軌跡。為了驗證整個去毛刺示教軌跡修正系統(tǒng)的正確性，利用本文搭建的實驗平臺，在工件處于實際位置時，通過機(jī)器人示教器操作機(jī)器人使去毛刺工具坐標(biāo)系的TCP依次到達(dá)工件上示教去毛刺軌跡取點的位置，并記錄此時去毛刺工具TCP在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，將該值近似作為工件處于實際位置時其去毛刺軌跡點在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，部分坐標(biāo)值如表1所示。

表1 示教軌跡點修正后的坐標(biāo)值及實際坐標(biāo)值(部分)

對示教去毛刺軌跡點坐標(biāo)值，修正后的軌跡點坐標(biāo)值及通過TCP獲取的軌跡點實際坐標(biāo)值進(jìn)行分析，可以看出，當(dāng)工件改變其位姿時，如果再采用示教軌跡進(jìn)行機(jī)器人去毛刺，會出現(xiàn)較大的軌跡偏差，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蛇^切欠切的現(xiàn)象導(dǎo)致零件的報廢。因此，需要對示教軌跡進(jìn)行修正，而本文提出的基于激光視覺傳感器的機(jī)器人示教軌跡修正方法具有很高的正確性和精確性，其修正后得到的去毛刺軌跡與實際去毛刺軌跡的誤差基本處于±0.3 mm以內(nèi)，經(jīng)分析，實驗所得誤差主要有以下來源：

(1)借助于示教器操縱去毛刺工具機(jī)器人TCP人工進(jìn)行讀取去毛刺軌跡點在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)時，是通過人眼觀察去毛刺工具TCP使其盡可能接近工件打磨軌跡點的，存在著人為誤差；

(2) 人工通過示教器建立去毛刺工具坐標(biāo)系時也會存在誤差；

(3)系統(tǒng)自身帶來的誤差，包括：機(jī)器人運(yùn)動與定位精度、視覺傳感器測量精度、系統(tǒng)算法帶來的誤差等固有誤差。

可以推測，排除誤差(1)，系統(tǒng)對示教軌跡的實際修正誤差要小于本實驗得出的誤差，盡管這些誤差存在并疊加著，但±0.3 mm的軌跡修正誤差已經(jīng)能夠滿足機(jī)器人自動化去毛刺的需求，本文所提出的基于激光視覺傳感器的去毛刺示教軌跡修正系統(tǒng)，能夠解決實際加工過程中工件位姿發(fā)生變化造成的軌跡偏移問題，從而實現(xiàn)機(jī)器人的自動化去毛刺。

4 結(jié)論

本文針對機(jī)器人實際去毛刺過程中，工件位姿可能發(fā)生變化造成的軌跡偏移甚至是過切欠切等現(xiàn)象，提出了一種基于人工示教和激光視覺傳感器校正的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺系統(tǒng)，通過測量待去毛刺工件的三維表面形狀，經(jīng)過手眼標(biāo)定、ICP配準(zhǔn)和軌跡修正等算法來對原來的人工示教軌跡進(jìn)行修正，從而獲取適合當(dāng)前工件作業(yè)的去毛刺軌跡，實現(xiàn)大批量工件的機(jī)器人自適應(yīng)去毛刺系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：經(jīng)該系統(tǒng)修正后得到的去毛刺軌跡與當(dāng)前工件的實際去毛刺軌跡的軌跡修正誤差基本處于±0.3 mm，該系統(tǒng)具有很高的正確性和精確性，能夠解決工件位姿變化引起的軌跡偏移問題，實現(xiàn)機(jī)器人自動去毛刺。