機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在傳動(dòng)箱自動(dòng)化裝配中的應(yīng)用

張 磊， 馬 濤， 趙 寧， 梁思文， 裴雨霞

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 車(chē)輛及其傳動(dòng)系統(tǒng)智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程，如材料檢驗(yàn)、物體識(shí)別、模式識(shí)別、電子元件分析等，機(jī)器視覺(jué)定位是指在機(jī)器人進(jìn)行裝配、搬運(yùn)等工作時(shí)，利用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)一組需裝配的零部件逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別， 并確定它在空間的位置和方向， 引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確地抓取所需的零件， 并放到指定位置，完成分類(lèi)、搬運(yùn)和裝配任務(wù)[1]。本文針對(duì)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)集成進(jìn)行上下料進(jìn)行探討，搭建了視覺(jué)試驗(yàn)系統(tǒng)，利用不同的視覺(jué)系統(tǒng)配置進(jìn)行零件外形識(shí)別試驗(yàn)， 通過(guò)結(jié)果對(duì)比明確視覺(jué)系統(tǒng)關(guān)鍵組件配置。同時(shí)，針對(duì)典型箱體基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)組成進(jìn)行了探討，明確了上下料系統(tǒng)組成及各組成部件的功能。

1 機(jī)器視覺(jué)試驗(yàn)

1.1 光源選擇

光源是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用效果的重要因素，視覺(jué)系統(tǒng)與其它傳感器的工作情況不同， 對(duì)光線的依賴(lài)性很大，往往需要很好的照明條件，使物體形成的圖像最為清晰、復(fù)雜程度最低，進(jìn)而得到更多的有用信息，消除不必要的陰影、低反差和鏡面反射等不利因素[2]。 一個(gè)穩(wěn)定的、 可靠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不能僅僅局限于在試驗(yàn)室條件下應(yīng)用，而應(yīng)該在真正的工業(yè)制造環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用，面對(duì)不斷變化的環(huán)境，對(duì)于不同的材料、不同的機(jī)器都可以實(shí)時(shí)獲取到高質(zhì)量、高對(duì)比度的圖像，而選擇合適的光源非常重要[3]，因此，有必要對(duì)不同的光源進(jìn)行對(duì)比，以選擇合適的光源。

常用的光源有三種類(lèi)型：熒光燈、鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管、LED 燈源。三種燈源的特性對(duì)比如表1 所示，熒光燈指的是日常使用的熒光燈； 鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管由一個(gè)鹵素?zé)襞荩?在燈箱中發(fā)光， 再由光纖導(dǎo)管將鹵素?zé)羲a(chǎn)生的強(qiáng)光， 轉(zhuǎn)向被測(cè)物進(jìn)行照明；LED 光源由多個(gè)LED 發(fā)光二極管組成，以某種特定的形狀對(duì)被測(cè)物進(jìn)行照明。

表1 燈源特性對(duì)照表

通過(guò)表1 可知，LED 光源具有形狀自由、 使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比較高，因此，采用LED 光源作為視覺(jué)試驗(yàn)光源。

1.2 相機(jī)選擇

目前最常用的工業(yè)相機(jī)根據(jù)所用芯片不同分為CCD與CMOS 兩種[4]。CCD（Charge Coupled Device）相機(jī)采用的是CCD 感光芯片的相機(jī)，集光電轉(zhuǎn)換、電荷儲(chǔ)存、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取為一體，是典型的固體成像器件。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 相 機(jī) 采 用 的 是CMOS 感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)，將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上， 具有局部像素的編程隨機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。 下面從噪聲、耗電量、分辨率、靈敏度、數(shù)據(jù)處理模式、成本幾個(gè)方面對(duì)二者進(jìn)行比較。

在噪聲方面，CCD 的噪聲比CMOS 的噪聲要??；在耗電量方面：CMOS 相機(jī)與CCD 相機(jī)圖像采集方式不同，CCD 相機(jī)需要外加12～18V 電壓， 并且需要更精密的電源線路和耐壓強(qiáng)度，CCD 相機(jī)的耗電量約為CMOS 相機(jī)的8～10 倍；在分辨率方面，同尺寸的CMOS 相機(jī)比CCD相機(jī)分辨率低；在數(shù)據(jù)處理模式方面，CCD 相機(jī)是串行方式，CMOS 相機(jī)是并行模式；在集成度方面，CMOS 相機(jī)集成度明顯高于CCD 相機(jī)； 在響應(yīng)速度方面，CCD 相機(jī)取圖速度與幀率均低于CMOS 相機(jī)；在成本方面， CMOS 與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同， 可以一次將周邊設(shè)施整合到傳感器芯片中， 大大節(jié)省了外圍芯片的使用量，而CCD 的數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定了CCD 相機(jī)在傳輸過(guò)程中只要其中一個(gè)像素傳輸中出現(xiàn)故障， 會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸，因此CCD 的成品率比CMOS 困難許多，制造成本相對(duì)高很多。 通過(guò)對(duì)CCD 相機(jī)與CMOS 相機(jī)主要指標(biāo)對(duì)比， 在滿足使用環(huán)境與技術(shù)要求的前提下選擇CMOS 相機(jī)。

1.3 鏡頭選擇

分辨率、對(duì)比度、景深等參數(shù)是選擇鏡頭時(shí)主要考慮因素，下面對(duì)鏡頭分辨率相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行描述，便于選擇合適的鏡頭。

分辨率又稱(chēng)鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力。 分辨率越高，圖像越清晰。 分辨率的單位為“線對(duì)／毫米”（1p／mm），光圈越大則分辨率越高。對(duì)比度是指圖像中最亮和最暗部分的對(duì)比度， 在同樣的分辨率下，對(duì)比度高的成像清晰度相對(duì)較高。景深是指在景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結(jié)成相對(duì)清晰的影像， 能結(jié)成相對(duì)清晰影像的景物間的縱深距離，稱(chēng)為景深，焦距越小，景深越大，光圈越大，景深越小。最大相對(duì)孔徑與光圈系數(shù)是指相對(duì)孔徑是指該鏡頭的入射光孔直徑（D）與焦距（f0）之比，相對(duì)孔徑=D/f0相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱(chēng)為光圈系數(shù)，一般鏡頭的光圈系數(shù)是可以調(diào)節(jié)的， 其最大相對(duì)孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在鏡頭上，如果拍攝現(xiàn)場(chǎng)的光線較暗或曝光時(shí)間很短，則需要盡量選擇最大相對(duì)孔徑較大的鏡頭。

經(jīng)過(guò)綜合考慮， 分別選擇了130 萬(wàn)分辨率與500 萬(wàn)分辨率的CCTV 定焦鏡頭做實(shí)物成像試驗(yàn)。

2 視覺(jué)試驗(yàn)結(jié)果及討論

視覺(jué)試驗(yàn)系統(tǒng)由CMOS 相機(jī)、CCTV 鏡頭、 光源等硬件設(shè)備等組成，完成零件圖像拍攝采集，視覺(jué)試驗(yàn)分兩次進(jìn)行，第一次確定是否能夠清晰的分辨出輪廓線，第二次試驗(yàn)通過(guò)增加相機(jī)分辨率后，確定是否能夠準(zhǔn)確判斷出各個(gè)特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)。 兩次試驗(yàn)的硬件配置如表2 所示。

表2 試驗(yàn)硬件配置表

采用130 萬(wàn)分辨率工業(yè)相機(jī)、CCTV 鏡頭、 環(huán)形光源等硬件對(duì)花鍵、零件表面進(jìn)行圖像采集，硬件組成如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖1 視覺(jué)系統(tǒng)組成示意圖

圖2 第一次試驗(yàn)結(jié)果圖

通過(guò)第一次試驗(yàn)結(jié)果可知， 視覺(jué)試驗(yàn)系統(tǒng)能夠清晰的分辨出零件輪廓線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，采用500 萬(wàn)分辨率工業(yè)相機(jī)、CCTV 鏡頭、碗形光源對(duì)花鍵、零件表面進(jìn)行圖像采集，硬件組成如圖3 所示，區(qū)別于第一次試驗(yàn)， 第二次試驗(yàn)首先對(duì)一個(gè)水平面放置的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定， 然后將需要定位的零件與標(biāo)定過(guò)的水平面調(diào)節(jié)成一致，可以清晰的分析出花鍵軸上每一個(gè)齒，最后添加定位工具，模擬出一個(gè)圓，得到特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置。 試驗(yàn)效果如圖4 所示。

圖3 視覺(jué)系統(tǒng)組成示意圖

圖4 第二次試驗(yàn)結(jié)果圖

通過(guò)以上兩次試驗(yàn)結(jié)果可知， 視覺(jué)系統(tǒng)能夠清晰的分辨出零件輪廓線，增加相機(jī)分辨率后，能夠準(zhǔn)確判斷出各個(gè)特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)，因此，視覺(jué)系統(tǒng)的視覺(jué)檢測(cè)可以作為輔助手段實(shí)現(xiàn)零件裝配時(shí)的定位要求， 同時(shí)可以對(duì)特征進(jìn)行識(shí)別。

3 典型應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成

視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)集成可以提高機(jī)器人的靈活性，針對(duì)多品種、小批量的生產(chǎn)模式更為適合，通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)，為機(jī)器人做一些輔助的決策，在上料、裝配過(guò)程中都會(huì)提高效率。 機(jī)器人系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)集成系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、攝像頭、示教器、控制柜、機(jī)器人等組成。其中，示教器用于將顯示操作過(guò)程及簡(jiǎn)單的機(jī)器人編程，智能攝像頭用于獲取零件外形， 計(jì)算機(jī)用于機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)集成的程序編制及運(yùn)行，如圖5 所示。

圖5 視覺(jué)系統(tǒng)組成示意圖

工作流程：當(dāng)零件定位檢測(cè)傳感器檢測(cè)到零件到達(dá)攝像頭的視野中心時(shí)，控制系統(tǒng)向照明系統(tǒng)、 攝像頭發(fā)出信號(hào)，攝像頭開(kāi)始掃描，掃描完成將信號(hào)傳輸至處理器，處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析、識(shí)別，獲取測(cè)量結(jié)果或邏輯判斷值，控制器根據(jù)結(jié)果對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令，機(jī)器人根據(jù)既定的程序進(jìn)行作業(yè)。

3.2 視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)組成：6 軸KUKA 機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、光源、控制系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)功能：通過(guò)攝像與圖像對(duì)比，為機(jī)器人的抓取提供反饋與判斷，同時(shí)能自動(dòng)判斷物料位置、特征明顯的品種類(lèi)別的防錯(cuò)等， 通過(guò)視覺(jué)識(shí)別結(jié)合二維碼識(shí)別進(jìn)行物料信息的獲取， 根據(jù)獲取的信息調(diào)用相應(yīng)的工裝夾具和機(jī)器人抓取程序，對(duì)物料進(jìn)行抓取、放置。

工作過(guò)程：對(duì)于箱體類(lèi)零件，選擇不低于30 萬(wàn)像素相機(jī)，對(duì)于軸承座/飛輪殼等回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，特征較為復(fù)雜，選擇不低于130 萬(wàn)像素相機(jī)，根據(jù)車(chē)間管理系統(tǒng)發(fā)出的物料配信息，物流系統(tǒng)通過(guò)AGV 將箱體、軸承座、飛輪殼等物料運(yùn)送至AGV 對(duì)接臺(tái)處，AGV 對(duì)接臺(tái)上傳感器接收物料到位信息，并將信號(hào)發(fā)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給視覺(jué)系統(tǒng)，視覺(jué)系統(tǒng)判定物料到位及物料位姿等信息，控制系統(tǒng)在發(fā)給機(jī)器人信號(hào)，調(diào)用相應(yīng)機(jī)器人程序，然后機(jī)器人抓取物料，放置在工作臺(tái)夾具上。對(duì)于錐齒輪上料工位，工作流程和上述流程類(lèi)似，控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、掃碼設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌控制，使各設(shè)備協(xié)作完成視覺(jué)捕捉、抓取、掃碼、上料、檢測(cè)等過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 視覺(jué)系統(tǒng)與自動(dòng)化系統(tǒng)集成應(yīng)用成為了提高自動(dòng)作業(yè)效率和質(zhì)量的重要手段，特別是在多品種、小批量的離散制造行業(yè)，視覺(jué)系統(tǒng)的作用更加顯著，通過(guò)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的組成進(jìn)行探索，明確能夠滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的主要配置，形成了可靠的方案，可以為基于視覺(jué)的自動(dòng)上下料提供參考， 具有一定的可借鑒意義。