工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用淺析

謝楊春

(安徽電氣工程學(xué)校 安徽 合肥 230061)

0 引言

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在第三次科技革命后得到飛速的發(fā)展,對(duì)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了顯著助推作用,同時(shí)促使電氣自動(dòng)化技術(shù)得到了深度優(yōu)化?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)下制造業(yè)的優(yōu)化升級(jí)改造,我國(guó)出現(xiàn)以“互聯(lián)網(wǎng)+”為重點(diǎn)的新型制造模式,通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新生代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合,推動(dòng)制造業(yè)向自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化的“三級(jí)跳”轉(zhuǎn)型,加快工業(yè)機(jī)器人等智能裝備所在的智能制造產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,成功建構(gòu)智能制造專業(yè)群[1]。伴隨工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用,結(jié)合視覺檢測(cè)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、三角測(cè)量法的AI+3D視覺系統(tǒng),已經(jīng)被開發(fā)成為工業(yè)機(jī)器人的“眼睛”,在其被普遍使用的過(guò)程中,能夠充分結(jié)合現(xiàn)代電氣控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制、順序控制和智能化控制,能有效提升相關(guān)領(lǐng)域的電氣自動(dòng)化控制水平,可憑借智能人機(jī)交互突破單純重復(fù)既定程序軌跡的限制。還可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)變化適時(shí)規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人軌跡,從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低人工操作過(guò)程中產(chǎn)生的誤差大、準(zhǔn)確率低、實(shí)時(shí)性弱、效率低下等弊端與風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此,基于工業(yè)機(jī)器人的機(jī)器視覺應(yīng)用在電氣自動(dòng)化的工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)制造及其控制當(dāng)中,有著廣闊的發(fā)展前景。

1 工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)

1.1 工業(yè)機(jī)器人概述

現(xiàn)階段,越來(lái)越多基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被成功應(yīng)用于工業(yè)制造,尤其是在智能制造背景下,作為實(shí)現(xiàn)高端制造等的重要一環(huán),工業(yè)機(jī)器人擔(dān)任著越來(lái)越重要的角色。越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用“機(jī)器人+”技術(shù),其強(qiáng)大的適應(yīng)能力能夠按照電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)規(guī)模和產(chǎn)量進(jìn)行自適應(yīng)性組合,能夠適應(yīng)智能模式的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,產(chǎn)生事半功倍的作用,提升制造產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

面向工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人,主要是指多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置,其具有一定的自動(dòng)性,可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機(jī)器人的柔性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、可編程性好、通用性明顯,具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能,可以完成不同作業(yè)環(huán)境下的可編程操作。

傳感部分是機(jī)器的三大部分之一,感知系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)是其六個(gè)子系統(tǒng)的重要組成。工業(yè)機(jī)器人的主要組成框如圖1所示。感知系統(tǒng)是多個(gè)傳感器和控制系統(tǒng)組成主要實(shí)現(xiàn)感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機(jī)械量,如位移、速度和力等。視覺感知系統(tǒng)提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水平。

圖1 工業(yè)機(jī)器人的主要組成框圖

1.2 工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要通過(guò)替代“人眼”賦能工業(yè)生產(chǎn),在解決人眼無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別和檢測(cè)的生產(chǎn)任務(wù)過(guò)程中,能夠有效克服人眼標(biāo)準(zhǔn)的差異性,通過(guò)制定更高級(jí)別的品控?cái)?shù)智化標(biāo)準(zhǔn),以高速、高光譜、高分辨率、高靈敏度、高可靠性超越人眼標(biāo)準(zhǔn)極限。在視覺定位、尺寸測(cè)量和外觀識(shí)別與檢測(cè)過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)利用光源控制器、攝像頭和光學(xué)部件、視覺控制系統(tǒng)等進(jìn)行攝像和拍照,其中,光源控制器、攝像頭和光學(xué)部件負(fù)責(zé)獲取圖像信號(hào)后成像,信號(hào)成像傳送給圖像處理系統(tǒng)后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),視覺控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算結(jié)果獲取目標(biāo)特征,通過(guò)邏輯判斷運(yùn)算結(jié)果,輸出結(jié)果至執(zhí)行部件,精準(zhǔn)控制工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作。

大部分工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)主要經(jīng)由光源控制器、多個(gè)攝像頭和鏡頭、部件傳感器、視頻捕捉卡(video capture card)、PC平臺(tái)、檢測(cè)軟件、高速數(shù)字I/O板卡和中繼器、集線器、交換機(jī)和路由器等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備共同組成,在視覺系統(tǒng)讀取、傳輸和處理信息過(guò)程中,與人眼的運(yùn)動(dòng)機(jī)制一一對(duì)應(yīng),成為人眼視覺在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)延伸[3]。工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通過(guò)源控制器、多個(gè)攝像頭和鏡頭感應(yīng)機(jī)械臂可以接觸的范圍,進(jìn)而保證機(jī)械臂正常運(yùn)行,系統(tǒng)主要由視覺系統(tǒng)(單目、雙目、多目、RGB-D)、控制器、控制系統(tǒng)組成,經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí),單目視覺系統(tǒng)運(yùn)行的方式,更加適合電氣自動(dòng)化。

工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)(圖像采集設(shè)備、CMOS傳感器&CCD電荷耦合元件)主要涉及高精度二維視覺定位技術(shù)和3D視覺定位技術(shù)兩類,其中,應(yīng)用最為廣泛的是高精度、高準(zhǔn)確率的二維視覺定位技術(shù),這是工業(yè)機(jī)器人代替人眼最為基礎(chǔ)的機(jī)器視覺定位技術(shù),具有顯著且絕對(duì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。其能夠24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下,將采集到的物體轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào),根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息,利用圖像處理系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成為適應(yīng)性、可靠性和重復(fù)性較高的數(shù)字信號(hào),通過(guò)各種運(yùn)算方法提取主要特征,根據(jù)判斷結(jié)果控制工業(yè)機(jī)器人在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的動(dòng)作,不僅能夠提升工業(yè)生產(chǎn)良品率,同時(shí)能夠加快產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)效率,屬于成熟系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),其軟件系統(tǒng)主要組成如圖2所示。

圖2 工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)軟件

智能制造把工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺緊密結(jié)合起來(lái),機(jī)器視覺將是人工智能未來(lái)的方向和趨勢(shì)。機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能由最差的部分決定,精度則由它能獲取的信息決定。合理進(jìn)行配置就可以建立一個(gè)零故障、有彈性的工業(yè)機(jī)器人視覺檢測(cè)系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)運(yùn)行,首先需要根據(jù)目標(biāo)確定位置,通過(guò)二維視覺定位技術(shù)和3D視覺定位技術(shù)成功鎖定目標(biāo),其次需要提前進(jìn)行信息識(shí)別明確目標(biāo)位置,或通過(guò)邊緣檢測(cè)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成動(dòng)作任務(wù)。

2 工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

2.1 識(shí)別

工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的識(shí)別應(yīng)用,可以在無(wú)接觸的前提下,精準(zhǔn)甄別目標(biāo)物理特征,通過(guò)視覺處理和運(yùn)算功能,幫助工業(yè)機(jī)器人對(duì)識(shí)別目標(biāo)的外形、顏色、尺寸、條碼等特征做出高準(zhǔn)確度識(shí)別,進(jìn)而通過(guò)對(duì)比、處理場(chǎng)景生成操作指令。在外形識(shí)別過(guò)程中,為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線檢測(cè),工業(yè)機(jī)器人主要發(fā)揮引導(dǎo)抓取和放置操作功能,視覺系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化過(guò)程中做出準(zhǔn)確定位,引導(dǎo)機(jī)械臂準(zhǔn)確動(dòng)作[4]。在顏色檢測(cè)過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)外觀存在的缺陷、污染物及其他異常情況,保證大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的不同目標(biāo)適配性。在尺寸測(cè)量過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)能夠憑借自動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)外觀尺寸的測(cè)量,例如表面積、長(zhǎng)和寬度等,同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行確定,工業(yè)機(jī)器人可以從測(cè)量數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)幾何尺寸。在光學(xué)字符閱讀識(shí)別過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解識(shí)別不同模式的目標(biāo)。例如,針對(duì)二維碼的識(shí)別,工業(yè)機(jī)器人可以通過(guò)視覺系統(tǒng)對(duì)不同二維碼進(jìn)行讀取,準(zhǔn)確跟蹤、溯源管理目標(biāo),在此過(guò)程中,識(shí)別速度是衡量視覺系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。

2.2 測(cè)量

工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)綜合光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、AI、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等不同領(lǐng)域。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)中的D-H正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和微分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,建立機(jī)器人視覺測(cè)量模型,通過(guò)高精度二維視覺定位技術(shù)和3D視覺定位技術(shù)將成功獲取的圖像像素信息,標(biāo)定成為電氣自動(dòng)化常用的度量衡標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的視覺手段測(cè)量目標(biāo)外觀尺寸,同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)輪廓、孔徑、高度、寬度、間距和面積的測(cè)量,通過(guò)測(cè)量完成工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)線需求,主要應(yīng)用于電氣自動(dòng)化的高精度、復(fù)雜形態(tài)測(cè)量[6]。例如,通過(guò)工業(yè)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)的科學(xué)結(jié)合,能夠完成更加精準(zhǔn)的焊接、加工、搬運(yùn)等工作。焊接機(jī)器人的應(yīng)用十分普遍,具備抗疲勞、高精準(zhǔn)、抗干擾特征,應(yīng)用焊接機(jī)器人可以取代人工焊接,確保焊接質(zhì)量一致性,提升焊接作業(yè)效率,直觀地反饋焊接作業(yè)質(zhì)量。加工機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境要求較低,具備持續(xù)加工能力,有能力完成高精度、大批量、高難度復(fù)雜加工任務(wù)。搬運(yùn)機(jī)器人可以適應(yīng)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)任務(wù),降低安全隱患的同時(shí),有效減小危險(xiǎn)品、輻射品產(chǎn)生的人體傷害。

2.3 定位

工業(yè)機(jī)器人融合綜合導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、避障、多傳感功能,主要借助視覺傳感器完成并獲取目標(biāo)的位置信息(二維或是三維),進(jìn)而借助視覺系統(tǒng)(單目、雙目、多目、RGB-D)、攝像頭或攝像機(jī)、視頻信號(hào)數(shù)字化設(shè)備、數(shù)字信號(hào)處理器等外部設(shè)備獲取目標(biāo)圖像,通過(guò)準(zhǔn)確分析進(jìn)行環(huán)境光學(xué)處理,壓縮成功采集的圖像信息后反饋至工業(yè)機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+統(tǒng)計(jì)學(xué)算法構(gòu)成的系統(tǒng),經(jīng)由關(guān)聯(lián)圖像信息與工業(yè)機(jī)器人實(shí)際位置完成定位應(yīng)用。在電氣自動(dòng)化中應(yīng)用定位操作,可以輔助工作機(jī)器人完成裝配和執(zhí)拾取任務(wù)等[7]。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)視覺系統(tǒng)進(jìn)行紅外線定位導(dǎo)航的工作原理,主要通過(guò)紅外線IR標(biāo)識(shí)發(fā)射帶有無(wú)線數(shù)據(jù)的紅外射線,通過(guò)安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器,接收來(lái)自不同移動(dòng)設(shè)備所發(fā)射的紅外射線,進(jìn)行精準(zhǔn)的目標(biāo)定位,總體造價(jià)相對(duì)高昂。例如,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地確定被測(cè)零部件目標(biāo)的位置,上、下料使用機(jī)器人視覺系統(tǒng)做出定位,引導(dǎo)機(jī)器人的機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取目標(biāo)。在一些半導(dǎo)體封裝作業(yè)中,封裝設(shè)備需要根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取芯片的位置信息,及時(shí)進(jìn)行拾取頭的方向調(diào)整,在準(zhǔn)確拾取芯片目標(biāo)后實(shí)施綁定操作,這就是工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)定位應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最基本的實(shí)際應(yīng)用。

2.4 檢測(cè)

工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的檢測(cè)應(yīng)用主要針對(duì)目標(biāo)表面狀態(tài),精準(zhǔn)判斷目標(biāo)是否存在缺陷。平板顯示器行業(yè)主要包括生產(chǎn)LCD拼接屏、LED顯示屏、OLED顯示屏等不同類型的顯示元器件,在工藝流程上較為復(fù)雜,其中,LCD拼接屏是主要的顯示技術(shù),行業(yè)對(duì)其生產(chǎn)質(zhì)量和品控要求極高,工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)作為0接觸、高精度、高速度的技術(shù)操作系統(tǒng),其檢測(cè)能力成為檢測(cè)LCD拼接屏的關(guān)鍵技術(shù)手段。從前端ITO導(dǎo)電玻璃檢測(cè)、液晶屏背光模組檢測(cè),In-Cell、On-Cell及OGS全貼合屏幕、COG設(shè)備、視覺對(duì)位全貼合、激光切割機(jī)、飛針測(cè)試機(jī)等,能夠顯著提升LCD拼接屏生產(chǎn)制造商的核心競(jìng)爭(zhēng)力[8]。

印制電路板是電子元器件電氣相互連接的載體,在行業(yè)發(fā)展已經(jīng)十分成熟的當(dāng)下,行業(yè)針對(duì)高性能印制電路板的工業(yè)制造要求逐漸提升制造標(biāo)準(zhǔn)。隨著撓性板、多層板、HDI 板及IC封裝基板等印制電路板制造技術(shù)的發(fā)展,對(duì)印制電路板生產(chǎn)工藝提出較高技術(shù)制造要求。在印制電路板制造過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的技術(shù)應(yīng)用,例如,在菲林AOI激光檢測(cè)機(jī)、PCB 電路板的AOI光學(xué)檢測(cè)設(shè)備、PCB板外觀檢查機(jī)AVI、印制電路板內(nèi)層板AXI測(cè)試、PCB板絲網(wǎng)印刷、激光全自動(dòng)曝光機(jī)、SPI串行外設(shè)接口設(shè)備、打孔機(jī)等設(shè)備中,工業(yè)機(jī)器人的視覺定位系統(tǒng)可以憑借應(yīng)用檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的目標(biāo)質(zhì)量檢測(cè)和品控過(guò)程,提高工業(yè)制造過(guò)程中的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率,是設(shè)備高性能提升的關(guān)鍵性保障。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)能夠在電氣自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)識(shí)別、測(cè)量、定位和檢測(cè)應(yīng)用,有效降低工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的誤差,大幅度降低人力資源成本的消耗,降低智能制造的生產(chǎn)成本。隨著智能制造對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求逐漸提高,工業(yè)機(jī)器人需要依托工業(yè)軟件技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息安全技術(shù)、可編程邏輯控制器技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、變頻伺服技術(shù)、啟動(dòng)液壓技術(shù)、電工電子技術(shù)、傳感技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)和視覺技術(shù)集成智能制造技術(shù)體系,解決由供料、輸送線體、加工單元、機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)、工控、人機(jī)交互、機(jī)器視覺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等硬件和CAD/CAM/CAE、計(jì)算機(jī)虛擬仿真、MES、PLM、工控、機(jī)器視覺等軟件構(gòu)成的智能制造生產(chǎn)示范線自動(dòng)化過(guò)程中存在的問(wèn)題,持續(xù)優(yōu)化電氣自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制、生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無(wú)紙化、生產(chǎn)過(guò)程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化等,最終提升我國(guó)電氣自動(dòng)化的發(fā)展水平以及中國(guó)制造水平。