王鈺

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

工業(yè)機(jī)器人綜合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制以及傳感等多門學(xué)科，是現(xiàn)代自動(dòng)化控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。隨著新技術(shù)的不斷完善，工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)控制上取得了飛速發(fā)展，在運(yùn)行準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性上得到了極大的提高。相比人力而言，機(jī)器人擁有可重復(fù)勞動(dòng)、抓舉力量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在多種工業(yè)領(lǐng)域中，其中利用ABB 機(jī)器人進(jìn)行工料抓取就是一種常見技術(shù)。操縱ABB 機(jī)器人目標(biāo)定位與抓取實(shí)現(xiàn)一般是通過機(jī)器視覺引導(dǎo)和編程控制2 種方法實(shí)現(xiàn)[1]。編程控制方法操作簡單，但是缺點(diǎn)也十分明顯，當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，需要重新校對(duì)，嚴(yán)重降低了工作的靈活性和適應(yīng)性[2]。采用機(jī)器視覺引導(dǎo)方法可以通過視覺引導(dǎo)獲得工料中心坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換成機(jī)器人坐標(biāo)以指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位抓取。

機(jī)器視覺的應(yīng)用主要包括引導(dǎo)、識(shí)別、測量和檢查4 類。機(jī)器視覺引導(dǎo)是在工業(yè)環(huán)境中引導(dǎo)機(jī)器人。在任何機(jī)器視覺引導(dǎo)中，第一步都是使用模式匹配技術(shù)在相機(jī)的視野內(nèi)定位特征物體，而特征物體的定位通常決定機(jī)器視覺引導(dǎo)的成功或失敗[3-5]。機(jī)器視覺引導(dǎo)是使用機(jī)器視覺來報(bào)告特征物體的位置和方向。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以定位組件的位置和方向，將組件與指定的公差進(jìn)行比較，并確保特征物體處于正確的角度，機(jī)器視覺引導(dǎo)將特征物體的位置和方向報(bào)告給機(jī)器控制器，使機(jī)器人能夠定位特征物體[6]。

機(jī)器視覺引導(dǎo)方法的本質(zhì)是通過選擇的相機(jī)獲取工料的圖像，并將相機(jī)視域進(jìn)行劃分形成固定坐標(biāo)系，通過相關(guān)校準(zhǔn)方法和轉(zhuǎn)換公式，將由相機(jī)獲取到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成工料的真實(shí)坐標(biāo)。相機(jī)獲取視域的坐標(biāo)系通過像素進(jìn)行劃分，即獲得相機(jī)中工料的像素坐標(biāo)，在確定工料像素坐標(biāo)和現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)的坐標(biāo)軸平行的前提下，通過選擇數(shù)個(gè)標(biāo)的物進(jìn)行檢測校準(zhǔn)，獲得其分別對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)和現(xiàn)實(shí)長度，進(jìn)而建立兩者之間的聯(lián)系。

由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)過程中存在部分誤差，可結(jié)合相機(jī)安裝位置相對(duì)關(guān)系通過多參照物標(biāo)定實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運(yùn)算，達(dá)到將相機(jī)獲得位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位抓取的目的。采用這種方法可以大大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究也具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的主要組成部分包括?？低晹z像頭、瑞士ABB IRB 120 機(jī)器人型六軸工業(yè)機(jī)器人、控制器和電腦。其中采用的?？低晹z像頭生產(chǎn)于杭州?？禉C(jī)器人技術(shù)有限公司，其是面向全球的移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器視覺產(chǎn)品提供商。

公司依托近千人專家級(jí)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，布局移動(dòng)機(jī)器人、機(jī)器視覺等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，通過對(duì)軟硬件產(chǎn)品及平臺(tái)的研發(fā)創(chuàng)新，致力于持續(xù)推動(dòng)智能化，引領(lǐng)智能制造進(jìn)程。其研制的工業(yè)相機(jī)搭載了優(yōu)異的圖像傳感器，動(dòng)態(tài)范圍高、信噪比好、圖像質(zhì)量優(yōu)異，具備出色的功耗設(shè)計(jì)，兼容機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和GenlCam 標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足多種工業(yè)需求。

IRB 120 機(jī)器人是ABB 第四代機(jī)器人系列的最新產(chǎn)品，僅重25 kg，荷重3 kg（垂直腕為4 kg），工作范圍達(dá)580 mm。在尺寸大幅縮小的情況下，IRB 120繼承了該系列機(jī)器人的所有功能和技術(shù)，為縮減機(jī)器人工作站占地面積創(chuàng)造了良好條件。緊湊的機(jī)型結(jié)合輕量化的設(shè)計(jì)，成就了IRB 120 卓越的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，具有低投資、高產(chǎn)出的優(yōu)勢(shì)。IRB 120 的最大工作行程為411 mm，底座下方拾取距離112 mm，廣泛適用于多種工業(yè)領(lǐng)域。綜合來看，IRB 120 具有敏捷、緊湊、輕量的特點(diǎn)，控制精度與路徑精度都較高，是物料搬運(yùn)與裝配應(yīng)用的理想選擇。

將通過攝像頭獲得的視域?qū)ζ溥M(jìn)行處理，通過軟件編程確定工料中心并將確定出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)傳達(dá)出去。為了完成視覺引導(dǎo)，利用多參照物標(biāo)定的方法將通過攝像頭獲得的像素坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)系，可以利用相關(guān)的計(jì)算公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將像素坐標(biāo)經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)后傳遞給ABB 機(jī)器人控制器，進(jìn)而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位抓取。

2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和標(biāo)定過程

在機(jī)器視覺引導(dǎo)之前，特征物體定位是最關(guān)鍵的第一步。如果圖案匹配軟件工具無法準(zhǔn)確定位圖像中的特征物體，則它將無法啟動(dòng)和識(shí)別特征物體。雖然特征物體定位聽起來很簡單，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中，組件外觀的差異可能會(huì)使這一步驟變得非常具有挑戰(zhàn)性。

由于照明或遮擋引起的外觀變化可能使特征物體定位困難，盡管視覺系統(tǒng)經(jīng)過培訓(xùn)，基于圖案識(shí)別組件，但即使是最嚴(yán)格控制的過程也允許組件外觀有一些變化。組件呈現(xiàn)或姿勢(shì)失真效應(yīng)也可能導(dǎo)致組件定位變得困難，為了獲得準(zhǔn)確、可靠、可重復(fù)的結(jié)果，視覺系統(tǒng)的特征物體定位工具必須足夠智能，以便快速將培訓(xùn)圖案與在生產(chǎn)線上移動(dòng)的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行比較[7-8]。

在攝像頭獲得工料視域后通過自帶后處理軟件對(duì)獲得的視域進(jìn)行處理，重點(diǎn)獲得工料中心的位置，采用兩分法對(duì)視域內(nèi)的圖像進(jìn)行處理并獲得工料中心的像素坐標(biāo)。為了將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，分別建立4 個(gè)坐標(biāo)系，即攝像頭坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系、現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系。

其中像素坐標(biāo)系以（0，0）的像素點(diǎn)為原點(diǎn)，記為Op，X軸記為u，Y軸記為v，坐標(biāo)系內(nèi)任一點(diǎn)的坐標(biāo)為（u，v），單位為像素?，F(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系以對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)系的點(diǎn)為原點(diǎn)，記為O，X軸記為x，Y軸記為y，坐標(biāo)系內(nèi)任一點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），單位為mm。

像素坐標(biāo)系與現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 像素坐標(biāo)系與現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系的關(guān)系

現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系在ABB 機(jī)器人底座坐標(biāo)點(diǎn)以O(shè)w為參照點(diǎn)建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系中任一點(diǎn)坐標(biāo)為（xw，yw，zw），單位為mm。在攝像頭坐標(biāo)系中，利用成像原理，攝像頭中心與光軸一致，即像素坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的水平軸和垂直軸與成像面的水平軸和垂直軸是平行的，任一點(diǎn)的坐標(biāo)為（xc，yc，zc），單位為mm。

現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系與攝像頭坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換一般都是聯(lián)立平移和旋轉(zhuǎn)來完成，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

式（1）中：R為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系和攝像頭坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；Pw為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中一坐標(biāo)；T為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系和攝像頭坐標(biāo)系之間原點(diǎn)的差值。

通過成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換將攝像頭系統(tǒng)變成像素系統(tǒng)，其模型關(guān)系是S/FOV=f/WD，其中S、FOV、f和WD分別代表傳感器尺寸、視域、焦距和物距。當(dāng)ABB 機(jī)器人工作時(shí)，它的工作距離zc就是工料據(jù)它的距離。工料中心的現(xiàn)實(shí)點(diǎn)與像素點(diǎn)的相對(duì)數(shù)學(xué)關(guān)系為：

也就是說現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

根據(jù)工作臺(tái)安裝位置的固有因素，確定zc和zw為常數(shù)，保持不變。所以，可以進(jìn)一步得到：

通過選擇多個(gè)標(biāo)的物的參照點(diǎn)做對(duì)照，可以得到像素坐標(biāo)系和現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，利用Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算可得到轉(zhuǎn)換矩陣為：

3 數(shù)據(jù)傳輸和抓取實(shí)現(xiàn)

ABB 機(jī)器人傳輸實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的方式大致可以分為2種：①使用模擬量輸出信號(hào)傳輸實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)。由于模擬量信號(hào)自身抗干擾性能差，并且需要加裝模量信號(hào)擴(kuò)展模塊，因此，在傳輸大量的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的場合中，一般很少使用模擬量信號(hào)。②使用組輸出信號(hào)傳輸實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)。組輸出信號(hào)不僅可以通過加裝數(shù)字量I/O 信號(hào)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，也可以通過加裝現(xiàn)場通信模塊的方式實(shí)現(xiàn)。

利用編程軟件將攝像頭獲得的數(shù)據(jù)與ABB 機(jī)器人進(jìn)行交互。首先是攝像頭向處理器輸送出通過攝像頭獲得的工料中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)，處理器將收到的工料中心點(diǎn)像素坐標(biāo)通過數(shù)學(xué)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系的現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，并傳送到ABB 機(jī)器人進(jìn)而知道其抓取實(shí)現(xiàn)。通過ProfiBus 現(xiàn)場總線通信的形式來傳輸機(jī)器人當(dāng)前位置數(shù)據(jù)，首先，將讀取的機(jī)器人當(dāng)前位置數(shù)據(jù)使用PackRawBytes 指令按照Float 形式進(jìn)行打包；然后，將其存放到已經(jīng)聲明的rawbyte 類型容器變量的連續(xù)四個(gè)字節(jié)中；最后，使用FOR 指令進(jìn)行循環(huán)解包操作，即將打包好的數(shù)據(jù)使用UnpackRawBytes 指令解包到聲明的byte 類型四維數(shù)組變量中，每一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)數(shù)組變量中的一維byte 元素。

視覺引導(dǎo)對(duì)工作臺(tái)目標(biāo)工料持續(xù)關(guān)注，在收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)輸送給ABB 機(jī)器人目標(biāo)工料的現(xiàn)實(shí)位置坐標(biāo)，ABB 機(jī)器人根據(jù)獲得的抓取點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)工料的現(xiàn)實(shí)中心坐標(biāo)后，通過控制末端控制ABB 機(jī)器人對(duì)目標(biāo)工料進(jìn)行抓取實(shí)現(xiàn)，將目標(biāo)工料放置在放置處，完成一次工作流程。待本次抓取任務(wù)實(shí)現(xiàn)以后，會(huì)再等待進(jìn)行下次任務(wù)目標(biāo)工料信息，待收到目標(biāo)指令后，進(jìn)而完成新的一輪循環(huán)工作，直至任務(wù)結(jié)束。

4 運(yùn)行結(jié)果

抓取實(shí)現(xiàn)后，還要對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)度的驗(yàn)證，就是通過驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換確保目標(biāo)定位的精準(zhǔn)度，選擇新的標(biāo)的物坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。首先在現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中選擇一點(diǎn)取得其現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，再利用攝像頭獲取該點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)，通過數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換計(jì)算，可以得到該像素坐標(biāo)點(diǎn)的理論計(jì)算現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，將其與最初的現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其偏差大小，判斷是否在允許范圍內(nèi)。

對(duì)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同標(biāo)的點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)和定位坐標(biāo)以及其坐標(biāo)偏差，分別如表1和表2 所示。從表1 和表2 的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算結(jié)果可以看出，X和Y方向的偏差最大值為0.812 mm，均值為0.645 1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 01，基本滿足目標(biāo)抓取要求。

表1 多次模擬的坐標(biāo)結(jié)果

表2 不同標(biāo)的點(diǎn)的坐標(biāo)偏差

5 結(jié)論

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、搬運(yùn)等工業(yè)領(lǐng)域中。利用ABB 機(jī)器人結(jié)合機(jī)器視覺進(jìn)行定位和抓取，并通過多點(diǎn)標(biāo)定得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，設(shè)計(jì)出一種ABB 機(jī)器人的目標(biāo)定位與抓取實(shí)現(xiàn)。通過編寫軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互將標(biāo)定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工料抓取。并經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后確定定位誤差在允許范圍內(nèi)，實(shí)用性強(qiáng)。通過這種方法可以大大提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究也具有十分重要的指導(dǎo)意義。