基于視覺的裝配機器人精確定位研究

郭 瑞，劉振國，曹云翔，劉曉楠，唐海林

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

基于視覺的裝配機器人精確定位研究

郭 瑞，劉振國，曹云翔，劉曉楠，唐海林

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

裝配機器人在制造業(yè)中占有越來越重要的地位，傳統(tǒng)的裝配機器人在自動化生產(chǎn)線上，只能執(zhí)行固定的示教位置，機器人的抓取點固定，對定位工裝精度要求就很高，同時需要精心設(shè)計手爪及特殊輔助機構(gòu)[1]。但在實際應(yīng)用中，因工裝材料（如泡沫等）、加工工藝、工件本身精度以及為機器人手爪抓取工件預(yù)留的公差裕量等原因，使得抓取精度無法滿足精密裝配要求，視覺的引入可以使機器人根據(jù)工件的實際位置動態(tài)調(diào)整抓取點，實現(xiàn)裝配機器人精確定位和智能抓取[2]。

1 系統(tǒng)組成及通信方式

本文構(gòu)建了一套以視覺為引導(dǎo)的機器人精密裝配系統(tǒng)，本系統(tǒng)由輸送線體、定位工裝、四軸機器人、專用電缸手爪和視覺系統(tǒng)等組成。相機采用移動式安裝，固定在機器人手爪上跟隨手爪移動，機器人手爪結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩臺相機平行安裝并且垂直于水平面，只用其中一臺相機定位。

圖1 機器人手爪結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)通過PLC進行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)系統(tǒng)控制，不同設(shè)備支持的通信協(xié)議（工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS等）不同，具體的通信方式需要根據(jù)實際情況選擇。對于機器人與視覺系統(tǒng)的交互方式，主要有以下兩種：

1）機器人與視覺系統(tǒng)直接通信。機器人與視覺系統(tǒng)構(gòu)建一個子系統(tǒng)，機器人直接獲取視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，PLC只與機器人通信，不再與視覺系統(tǒng)通信，當(dāng)PLC需要視覺信息時，可經(jīng)由機器人反饋獲取。該方式的優(yōu)點是減少通信中間環(huán)節(jié)，使通信更加直接可靠。

2）機器人通過PLC與視覺系統(tǒng)間接通信。首先PLC把視覺系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)信息進行分析，然后把機器人需要的信息轉(zhuǎn)發(fā)給機器人。該方式的優(yōu)點是便于PLC分析視覺信息做出整體的控制調(diào)配。

本系統(tǒng)因需要進行工件定位、判斷有無、正反以及檢測等大量數(shù)據(jù)分析，所以選擇了第2種通信方式。

2 系統(tǒng)定位工作流程

系統(tǒng)定位工作流程如圖2所示。

3 精確定位關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖像處理

原始圖像質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著圖像數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，進而影響定位精度。在保證環(huán)境光源穩(wěn)定、背光[3]調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)那闆r下，充分利用曝光調(diào)整、圖像預(yù)處理、圖像二值化處理、模型區(qū)域識別和特征點尋找等方法分析圖像信息。本例中工件為深棕色，嵌在泡沫工裝中，圖3為圖像二值化處理的效果。

圖2 系統(tǒng)定位工作流程圖

3.2 坐標(biāo)系標(biāo)定

視覺系統(tǒng)從拍攝的圖片中提取出來的信息為像素點信息，在保證相機視野和機器人法蘭都在水平面的前提下，視覺系統(tǒng)的二維坐標(biāo)系需要轉(zhuǎn)換成機器人的二維坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換的過程即為坐標(biāo)系標(biāo)定。視覺系統(tǒng)的像素點坐標(biāo)為當(dāng)前物距下的坐標(biāo)，而機器人坐標(biāo)為機器人法蘭中心點的坐標(biāo)。

圖3 圖像二值化處理效果圖

從上推理可知，將任意兩組視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系和機器人坐標(biāo)系的坐標(biāo)值帶入式（1）即可求出Aj，然后采集n組Aj得到A，理論上n越大，得到的A越精確。

至此，視覺系統(tǒng)中任意像素點坐標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為機器人X、Y軸坐標(biāo)。

圖4 機器人手爪中心軸頂針對點

3.3 機器人抓取點獲取

坐標(biāo)系標(biāo)定完成后，相機視野內(nèi)尋找的工裝或工件上的特征點均可以在機器人坐標(biāo)系下給出坐標(biāo)值，根據(jù)視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系下特征點的坐標(biāo)值，進行抓取點x、y軸坐標(biāo)值和角度補償計算，然后再轉(zhuǎn)換為機器人坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，模型如圖5所示。

圖5 抓取點坐標(biāo)值及角度補償計算示意圖

對于機器人手爪角度補償，因相機固定在手爪上且視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系x軸方向與手爪夾取方向平行，所以兩特征點連線與x軸方向的夾角即為機器人抓取角度的偏移量補償，設(shè)拍照點機器人R軸（機器人法蘭旋轉(zhuǎn)軸）角度坐標(biāo)值為φ，機器人抓取點角度值為λ。則有：

4 結(jié)論

通過視覺系統(tǒng)對工件的精確定位，引導(dǎo)機器人智能抓取，較好的解決了定位工裝達不到精度要求的問題，提高了設(shè)備的智能化水平和容錯性能力。經(jīng)過視覺算法的反復(fù)驗證，視覺系統(tǒng)與機器人之間的坐標(biāo)系標(biāo)定和抓取點坐標(biāo)值計算可靠有效，工件的抓取精度和穩(wěn)定性可以保證。

[1]張建中,何永義,李軍.機器人裝配視覺定位研究[J].機電工程,2011,28(8):934-937.

[2]王修巖,程婷婷.基于單目視覺的工業(yè)機器人智能抓取研究[J].機械設(shè)計與制造,2011,5:135-136.

[3]顧寄南,樊帆,關(guān)號兵,陳艷,沈巍.上下料機器人視覺控制系統(tǒng)的研究[J].機械設(shè)計與制造,2013,8:150.

Research on assembly robot accurate positioningbased on vision

GUO Rui, LIU Zhen-guo, CAO Yun-xiang, LIU Xiao-nan, TANG Hai-lin

為適應(yīng)越來越高的自動化裝配精度要求，以視覺為引導(dǎo)的機器人裝配系統(tǒng)更多的被應(yīng)用，本文闡述了機器人精密裝配系統(tǒng)的系統(tǒng)集成、設(shè)備通信的實現(xiàn)方式，介紹了圖像處理一般方法，設(shè)計了視覺系統(tǒng)到機器人的坐標(biāo)系標(biāo)定及坐標(biāo)值計算，實現(xiàn)了視覺系統(tǒng)對機器人精確定位的智能引導(dǎo)。

視覺；裝配機器人；精確定位；圖像處理；坐標(biāo)系標(biāo)定

郭瑞（1988 -），男，山東臨沂人，碩士，研究方向為工業(yè)自動化系統(tǒng)集成。

TQ116.2

A

1009-0134(2014)05(下)-0154-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).44

2014-04-21