多目視覺(jué)系統(tǒng)在電芯自動(dòng)上料設(shè)備中的應(yīng)用*

王行洲,秦立宇,陳亮宏,尹東海,王 浩,陳春來(lái),陳 亮

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213100)

0 引 言

隨著碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的推進(jìn)與實(shí)施,各類電芯制造商及PACK集成商快速興起,儲(chǔ)能電池將迎來(lái)高速發(fā)展的機(jī)遇期。電芯是電池PACK的核心部件,但其電氣參數(shù)測(cè)試及掃碼需逐一完成,行業(yè)內(nèi)通用的電芯包裝方式為多層碼垛[1]。目前,電芯自動(dòng)上料設(shè)備通用的實(shí)現(xiàn)方式為為工業(yè)機(jī)器人搭配1臺(tái)平視相機(jī),此方式存在捕捉視野小、相鄰電芯間距無(wú)法檢測(cè)、電芯位置高度無(wú)法檢測(cè)、來(lái)料偏轉(zhuǎn)角度無(wú)法檢測(cè)等問(wèn)題,而且在使用過(guò)程中對(duì)來(lái)料的一致性和上料的精度要求也很高。因此,如何讓機(jī)器人適應(yīng)不同電芯商來(lái)料即降低對(duì)來(lái)料一致性和上料精度的要求,成為諸多PACK產(chǎn)線制造商及電池PACK集成商急需解決的問(wèn)題。

電芯來(lái)料問(wèn)題:①各電芯廠底托高度存在差異;②各電芯廠電芯碼垛方式不一致,交替碼垛及單向碼垛并存;③同廠家不同料拖電芯極柱朝向隨機(jī);④各電芯廠電芯間隔板尺寸材質(zhì)不一,相鄰電芯間距不一。

多目視覺(jué)系統(tǒng)采用多個(gè)相機(jī)進(jìn)行工作,相機(jī)成組布置,每組相機(jī)負(fù)責(zé)完成不同的功能;不同組間相機(jī)組合應(yīng)用,通過(guò)軟件系統(tǒng)的控制,引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

筆者針對(duì)液冷電池模塊(PACK)及風(fēng)冷電池模塊生產(chǎn)過(guò)程中存在的電芯來(lái)料形式不統(tǒng)一的問(wèn)題,從視覺(jué)識(shí)別技術(shù)研究出發(fā),將視覺(jué)識(shí)別技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行集成,設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案來(lái)解決生產(chǎn)產(chǎn)線中電芯上料的準(zhǔn)確性和快速性問(wèn)題。通過(guò)多目視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在電芯搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人夾爪狀態(tài)的自調(diào)整功能;該系統(tǒng)適應(yīng)各規(guī)格及各種擺放方式的電芯,解決了工業(yè)機(jī)器人在抓取過(guò)程中存在的定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題,保證電芯上料的準(zhǔn)確性和快速性,提高了生產(chǎn)率。

1 多目視覺(jué)系統(tǒng)原理

一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等[2]。

雙目視覺(jué)的工作原理來(lái)源于人類的雙目視覺(jué)系統(tǒng),也就是說(shuō)從不同的視角以兩個(gè)相同的相機(jī)捕獲同一個(gè)位置下的左右兩側(cè)圖像,然后再利用三角測(cè)量原理獲取物體的深度信息并重建出物體的三維模型[3]。多目視覺(jué)是雙目視覺(jué)的一種延伸,它是在雙目視覺(jué)的基礎(chǔ)上增加一臺(tái)或者多臺(tái)攝像機(jī)作為輔助進(jìn)行測(cè)量,從而獲得不同角度下同一物體的多對(duì)圖像[4]。

多目視覺(jué)法不需要人為地對(duì)相關(guān)輻射源進(jìn)行設(shè)置,它能夠在不接觸的情況下進(jìn)行自動(dòng)在線檢測(cè)[5]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少測(cè)量中的盲區(qū),獲得更大的視野范圍以及更高的識(shí)別精度;此外,該方法還能解決雙目視覺(jué)中的誤匹配現(xiàn)象,能夠適應(yīng)各種場(chǎng)景及多種工況。目前,多目視覺(jué)法在車(chē)輛自主駕駛、機(jī)器人視覺(jué)、多自由度機(jī)械裝置控制等很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

近些年,隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,多目視覺(jué)技術(shù)迅速發(fā)展,其應(yīng)用當(dāng)中的海量數(shù)據(jù)計(jì)算難題得以解決。多目視覺(jué)系統(tǒng)采用多個(gè)高像素相機(jī)+高亮度投影儀,具備了對(duì)視野范圍內(nèi)的三維坐標(biāo)的共建、構(gòu)建能力,可以在0.5 s內(nèi)識(shí)別工件位置、相對(duì)高度、間距、旋轉(zhuǎn)相位等關(guān)鍵信息,能夠精確引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自適應(yīng)抓取。

2 配置及部署方案

2.1 多目視覺(jué)硬件配置

完整的電芯全自動(dòng)上料系統(tǒng)應(yīng)包括上料AGV1臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人1臺(tái)、隨動(dòng)平視相機(jī)1臺(tái)、高空移動(dòng)相機(jī)組1套(不少于3目)、高亮投影儀1臺(tái)、電芯輸送線1條。

高空移動(dòng)相機(jī)組需采用不少于3個(gè)的相機(jī)進(jìn)行組合,同時(shí)需搭配一個(gè)高亮投影儀,高亮投影儀為藍(lán)光,可為相機(jī)的捕捉視野范圍內(nèi)的特征提供光源,避免環(huán)境強(qiáng)光對(duì)相機(jī)檢測(cè)的影響。此次方案選用了4個(gè)高清相機(jī)+1個(gè)高亮投影儀進(jìn)行組合,組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多目相機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 多目視覺(jué)布置方案

如圖2所示,整套電芯自動(dòng)上料設(shè)備采用高低錯(cuò)位布置方案。隨動(dòng)平視相機(jī)安裝于機(jī)械手第6軸上,可隨機(jī)械手自由任意較低移動(dòng),其主要作用是檢測(cè)電芯極柱的正負(fù)方向。高空移動(dòng)相機(jī)組與高亮投影儀進(jìn)行組合(或者選用已集成的成套相機(jī)),安裝于支撐架上,相機(jī)組可在支撐架上移動(dòng),往返掃描兩個(gè)上料工位。系統(tǒng)通過(guò)2D及3D相機(jī)的拍照取樣進(jìn)行圖樣分析,從而判斷電芯的碼垛方向、極柱朝向、電芯間距、旋轉(zhuǎn)相位和電芯高度,進(jìn)而反饋給PLC中控系統(tǒng),中控系統(tǒng)將反饋的信息進(jìn)行識(shí)別、讀取和分析判斷,然后輸出控制信號(hào),從而控制機(jī)器人對(duì)電芯進(jìn)行夾取上料。

圖2 電芯自動(dòng)上料設(shè)備中多目視覺(jué)的布置方案

工業(yè)機(jī)器人為六軸傳動(dòng)機(jī)器人,其A6腕部軸頂端安裝電芯夾具,可實(shí)現(xiàn)電芯夾取上料功能。

電芯夾具工裝主要包括安裝座和并排布置于安裝座底部且可變距的多個(gè)電芯夾爪。同時(shí),安裝座外圍裝有可上下移動(dòng)的泡沫夾爪,泡沫夾爪負(fù)責(zé)夾取空存放電芯的泡沫托盤(pán)。

安裝座的底部設(shè)置有與電芯夾爪排布方向同向的滾珠絲桿,滾珠絲桿的一端連接有電機(jī),電芯夾爪的上方設(shè)置有菱形收放架,滾珠絲桿的螺母與所述菱形收放架相連。電機(jī)驅(qū)動(dòng)菱形收放架收緊或展開(kāi)帶動(dòng)各個(gè)電芯夾爪收攏或散開(kāi),實(shí)現(xiàn)電芯的夾取和放置;同時(shí)電芯夾爪的內(nèi)壁上貼有海綿膠條,可起到保護(hù)電芯的作用。

支撐架為龍門(mén)式結(jié)構(gòu),伺服導(dǎo)軌(X軸)安裝在左右立柱上,相機(jī)組安裝于伺服導(dǎo)軌上,系統(tǒng)通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相機(jī)組左右精確移動(dòng)。若來(lái)料高度差異過(guò)大,可在X軸上下掛Z軸,使相機(jī)具備盲區(qū)自調(diào)節(jié)功能,以兼容不同層數(shù)、不同高度的電芯來(lái)料。

2.3 多目視覺(jué)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)邏輯

集成設(shè)備通過(guò)使用相關(guān)品牌的PLC實(shí)現(xiàn)控制聯(lián)動(dòng)。通過(guò)控制器進(jìn)行連接相關(guān)的主令開(kāi)關(guān)、IO模塊、觸摸屏、變頻器、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、PN/PN耦合器以及光電傳感器等各類傳感器等電氣元件的指令輸送,使得整個(gè)系統(tǒng)中電信號(hào)得到輸出和反饋接收,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)與系統(tǒng)中其它子模塊的調(diào)配和協(xié)調(diào)。

整個(gè)系統(tǒng)采用PLC仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)的編程設(shè)計(jì),并使用對(duì)應(yīng)仿真軟件進(jìn)行程序的仿真,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯驗(yàn)證,保證程序執(zhí)行效果。設(shè)備執(zhí)行流程圖如圖3所示。

圖3 搬運(yùn)機(jī)器人邏輯執(zhí)行流程圖

3 多目視覺(jué)系統(tǒng)在電芯自動(dòng)上料設(shè)備中的應(yīng)用

3.1 上料位置檢測(cè)

上料是否到位直接影響工業(yè)機(jī)器人抓取,傳統(tǒng)做法采用2D平視相機(jī)進(jìn)行檢測(cè),2D平視相機(jī)一般安裝于機(jī)械手上。受機(jī)器人臂展影響,2D平視相機(jī)只能進(jìn)行局部拍照檢測(cè),一旦上料位置偏離機(jī)械手臂展范圍,則無(wú)法檢測(cè)。采用高空相機(jī)組,相機(jī)組自身視野范圍大且可在高空X、Y、Z三軸方向進(jìn)行移動(dòng),對(duì)上料精度要求降低至±80 mm(如圖4所示),現(xiàn)行各類自動(dòng)導(dǎo)航式的搬運(yùn)設(shè)備均可適配。

圖4 來(lái)料尺寸與多目視覺(jué)系統(tǒng)視野范圍

3.2 電芯極柱正負(fù)極識(shí)別

方殼電芯含有2個(gè)極柱,為滿足后端PACK集成測(cè)試需要,機(jī)器人上料時(shí)需保證電芯正極按照統(tǒng)一方向碼放到流水線上。行業(yè)內(nèi)目前有兩種解決方案:①依靠電芯廠碼垛時(shí)保證,但不同廠家方式較難統(tǒng)一;②由PACK集成商自行翻包,但存在浪費(fèi)人力的情況。采用多目視覺(jué)后,電芯位置檢測(cè)由高空相機(jī)組進(jìn)行,安裝于機(jī)械手上的隨動(dòng)平視相機(jī)可獨(dú)立用于極柱正負(fù)極識(shí)別,引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié),確保電芯上料方向的一致。

3.3 電芯間距檢測(cè)及報(bào)警

電芯由機(jī)械手上的夾爪抓取上料,夾爪具有一定的厚度,在抓取時(shí),相鄰電芯之間需保證一定的間距,以避免夾爪下行時(shí)破壞電芯。目前間距保證主要依賴電芯包裝中的泡沫隔板,無(wú)間距檢測(cè)及告警功能。由于電芯自身高度較大,電芯擺放于隔板當(dāng)中時(shí),不可避免會(huì)地出現(xiàn)因歪斜擺放而導(dǎo)致相對(duì)間距變小的情況。高空多目相機(jī)組在投影儀的輔助下,可對(duì)每塊電芯三維坐標(biāo)進(jìn)行識(shí)別建模并可測(cè)量電芯間距;然后軟件后臺(tái)與安全閾值進(jìn)行比對(duì),當(dāng)間距小于安全閾值時(shí),觸發(fā)機(jī)器人停止作業(yè)并告警,杜絕電芯的損壞。

3.4 電芯位置高度檢測(cè)

電芯位置高度決定了機(jī)械手夾爪的下行位移,電芯位置高度檢測(cè)影響著電芯上料的準(zhǔn)確性。目前行業(yè)內(nèi)通用做法為激光測(cè)距,即在機(jī)械手上部署一個(gè)激光測(cè)距傳感器,檢測(cè)每層電芯的高度,引導(dǎo)機(jī)械手適應(yīng)抓取。在面對(duì)來(lái)料托盤(pán)局部變形時(shí),該做法需要多次檢測(cè),對(duì)上料節(jié)拍存在一定影響。而高空多目相機(jī)組可全方位構(gòu)建電芯三位坐標(biāo)系,且由于其和機(jī)械手并行動(dòng)作,在機(jī)械手轉(zhuǎn)向上料時(shí)可同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),對(duì)上料節(jié)拍無(wú)影響。

3.5 來(lái)料旋轉(zhuǎn)相位檢測(cè)

2D相機(jī)無(wú)旋轉(zhuǎn)相位檢測(cè)功能,在該情況下,程序一般默認(rèn)設(shè)定機(jī)械手來(lái)料為正向無(wú)偏角放置,若遇到上料角度偏轉(zhuǎn)時(shí),機(jī)械手按原位下行抓取,極大概率會(huì)出現(xiàn)夾爪碰撞電芯的情況,導(dǎo)致電芯損壞。而基于多目相機(jī)的無(wú)死角檢測(cè)可注冊(cè)目標(biāo)物的細(xì)微特征,能解決過(guò)去難以判別表面反面及旋轉(zhuǎn)相位的難題。

4 應(yīng)用場(chǎng)景及價(jià)值

此次基于行業(yè)內(nèi)普遍的多層碼垛式的電芯包裝進(jìn)行研究,通過(guò)多目視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用,有效降低了上料設(shè)備對(duì)來(lái)料包裝一致性的要求,采用所述方案后,上料精度可降低至±80 mm以下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電線來(lái)料的旋轉(zhuǎn)相位、高度、間距、正負(fù)極的檢測(cè)、識(shí)別和預(yù)警,具備防呆、防錯(cuò)、極性自適應(yīng)、偏角自適應(yīng)抓取功能。

實(shí)際應(yīng)用中,采用多目視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)引導(dǎo)上料機(jī)器人完成了150 000只電芯上料,未出現(xiàn)電芯損傷、來(lái)料無(wú)法識(shí)別等問(wèn)題,單電芯平均上料節(jié)拍5～10 s,滿足產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍需求。

結(jié)合結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行綜合評(píng)估,該多目視覺(jué)系統(tǒng)既能保證產(chǎn)品生產(chǎn)需求,也保證其造價(jià)成本在可控范圍內(nèi),性價(jià)比較高,具有較高的經(jīng)濟(jì)可行性。

隨著新能源市場(chǎng)的快速發(fā)展,各PACK集成商之間的競(jìng)爭(zhēng)逐步由核心工藝轉(zhuǎn)向生產(chǎn)制造效率、制造成本,采用多目視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)的電芯自動(dòng)上料設(shè)備將在電池PACK生產(chǎn)線中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

此次研究應(yīng)用提供了一種夾取過(guò)程中準(zhǔn)確度更高、故障率更低、通用性更強(qiáng)的設(shè)備,解決了現(xiàn)有的液冷電池模塊(PACK)及風(fēng)冷電池模塊生產(chǎn)過(guò)程中電芯上料設(shè)備上存在的缺陷及不足。通過(guò)該設(shè)備的各個(gè)機(jī)構(gòu)部件的協(xié)作生產(chǎn),能夠快速完成電池模組的電芯的上料作業(yè),以流水線的生產(chǎn)方式,降低人的疲勞程度,提高產(chǎn)品裝配的便捷性和效率,省時(shí)省力,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

同時(shí),根據(jù)產(chǎn)品特性,可在現(xiàn)有方案上進(jìn)行設(shè)備改造,可在需夾取、搬運(yùn)各類、各形狀及復(fù)雜工況的相關(guān)產(chǎn)品及其配件的生產(chǎn)場(chǎng)所進(jìn)行推廣應(yīng)用,具有一定的通用性。

隨著算法、芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步,多目視覺(jué)系統(tǒng)在無(wú)序分揀、機(jī)器視覺(jué)方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,各大視覺(jué)廠家也在逐步開(kāi)發(fā)視野范圍更大、檢測(cè)精度更高的多目視覺(jué)系統(tǒng);制約多目視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用的價(jià)格問(wèn)題將逐步得到解決,其在常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。同時(shí),需繼續(xù)針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備中存在的不足之處進(jìn)行改造升級(jí),加快人才隊(duì)伍的組建和培養(yǎng),以應(yīng)對(duì)更高精度要求和更復(fù)雜工況的生產(chǎn)需求所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。