0 引言
隨著時代科技的不斷發(fā)展，人工智能已逐步取代人工，走進(jìn)人們的生活與工作中。智能識別已不再陌生，在我國，以往現(xiàn)金支付的傳統(tǒng)消費(fèi)方式已逐步被手機(jī)支付所取代，只需打開手機(jī)掃一下二維碼即可輕松支付。而對于汽車制造業(yè)來說也是如此，不同的車型不同的結(jié)構(gòu)，不再需要通過人工來識別從而進(jìn)行工作，工業(yè)機(jī)器人的普及取代了人工的繁雜沉重的工作，機(jī)器人的智能視覺系統(tǒng)則相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛，來規(guī)范機(jī)器人的動作，因而對于機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用普及已廣泛被汽車制造業(yè)所重視。
上汽大通汽車有限公司無錫分公司涂裝車間2016年UBC底板膠自動段投入使用，成功地引進(jìn)了發(fā)那科機(jī)器人iRvision視覺系統(tǒng)，用于補(bǔ)償機(jī)器人的軌跡偏差，偏差值定位精準(zhǔn)，確保機(jī)器人高品質(zhì)完成噴膠作業(yè)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，已處于國內(nèi)外高水準(zhǔn)行列。本文將以上汽大通汽車公司底板膠噴涂自動段工位為背景，結(jié)合涂裝現(xiàn)場新車型的模型輸入、視覺調(diào)試，分析發(fā)那科機(jī)器人iRvision視覺系統(tǒng)的組成和工作原理。
1 機(jī)器人引入視覺系統(tǒng)的目的
UBC底板膠噴涂是車身在涂裝生產(chǎn)線工藝鏈中比較重要的工藝，它直接決定了一個成品車底板的防腐性能，此前UBC工位由操作工使用PVC噴槍進(jìn)行手工噴涂。伴隨上汽大通引進(jìn)全新車型平臺，且車型眾多底板愈來愈復(fù)雜，手工噴涂已經(jīng)難以保證節(jié)拍和噴涂質(zhì)量，因而涂裝車間于2016年新車間建立時引入發(fā)那科UBC機(jī)器人來噴涂底板膠。由于車身上底涂抱具后相對位置不一，而底涂機(jī)器人位置固定，需要糾正機(jī)器人噴涂軌跡來修正車身不同位置帶來的偏差量。因而需要安裝發(fā)那科iRvision視覺系統(tǒng)來充當(dāng)機(jī)器人的眼睛，補(bǔ)償噴涂軌跡偏差。
2 iRvision視覺系統(tǒng)的基本原理
iRvision視覺系統(tǒng)由如下設(shè)備組成：相機(jī)、鏡頭、相機(jī)電纜、照明裝置以及機(jī)器人控制裝置。其基本工作原理是由若干臺相機(jī)在不同位置抓取工件的不同點位以獲得工件的相對位置從而來修正機(jī)器人的路徑偏差。因而iRvision視覺系統(tǒng)*主要的作用就是機(jī)器人偏差補(bǔ)正。
利用傳感器補(bǔ)正機(jī)器人的方法有兩種：絕對位置補(bǔ)正和相對位置補(bǔ)正。所謂絕對位置補(bǔ)正，就是傳感器識別工件的絕對位置后通知機(jī)器人，機(jī)器人移動傳感器所通知的位置。而所謂相對位置補(bǔ)正，就是由傳感器識別工件從對機(jī)器人的程序進(jìn)行示教的時刻起偏離多少的偏差量（相對位置）后通知機(jī)器人，機(jī)器人加入了傳感器所通知的偏差量而移動到程序中所示教的位置。iRvision系統(tǒng)就是用相對位置補(bǔ)正的方式進(jìn)行補(bǔ)償差量。
工件的偏差量是為進(jìn)行機(jī)器人位置的補(bǔ)正而被使用的，所以將其叫做“補(bǔ)正量”或者“補(bǔ)償數(shù)據(jù)”。補(bǔ)償數(shù)據(jù)根據(jù)進(jìn)行機(jī)器人的程序示教時工件位置和現(xiàn)在的工件位置而計算出。我們將進(jìn)行機(jī)器人程序示教時的工件位置叫做基準(zhǔn)位置，將現(xiàn)在的工件位置叫做實測位置。基準(zhǔn)位置與實測位置之差就是補(bǔ)償數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)位置在進(jìn)行機(jī)器人程序示教時由iRvision進(jìn)行測量，并存儲在iRvision的內(nèi)部。我們將基準(zhǔn)為止給iRvision的操作叫做基準(zhǔn)位置設(shè)定。
三維補(bǔ)正包括兩大類即位置補(bǔ)正和抓取偏差補(bǔ)正。位置補(bǔ)正是用相機(jī)觀察放置在工作臺上的工件，測量工件偏離多少而被放置，以能夠?qū)ζx放置的工件正確進(jìn)行作業(yè)的方式補(bǔ)正機(jī)器人的動作。而抓取偏差補(bǔ)正則是利用相機(jī)觀察在機(jī)器人偏離的狀態(tài)下抓取的工件，測量偏離多少而抓取。在實際調(diào)試中，我們采用位置補(bǔ)正方式，利用相機(jī)拍照獲得車身位置的偏差從而進(jìn)行機(jī)器人動作補(bǔ)償。
現(xiàn)場采用3臺相機(jī)測量車身的3個孔位，計算車身的3維位置進(jìn)行機(jī)器人補(bǔ)正，檢測時，各相機(jī)測量自相機(jī)向檢測對象的3根視線，將事先已知形狀的三角形應(yīng)用到此3根視線，確定各檢測對象位于視線上的哪個位置，求出工件的3維位置和姿勢。如圖1所示。
3 iRvision視覺系統(tǒng)的安裝與標(biāo)定
3.1 iRvision視覺系統(tǒng)的安裝
將四臺CCD相機(jī)固定設(shè)置在架座上，架座分布在底涂機(jī)器人段室體的四個角落，四臺補(bǔ)光燈分別安裝在四臺相機(jī)旁邊，相機(jī)三用一備，根據(jù)車體情況選擇其中三個相機(jī)進(jìn)行拍照測量。當(dāng)車身到達(dá)機(jī)器人工位時，相機(jī)外殼通過汽缸收縮打開，補(bǔ)光燈打開，相機(jī)開始捕捉拍照，相機(jī)始終從相同距離觀察相同部位，可以與機(jī)器人進(jìn)行其他作業(yè)期間并行地進(jìn)行視覺的測量，因而具有縮短總體周期時間的優(yōu)點。相機(jī)通過網(wǎng)線連接到底涂機(jī)器人控制系統(tǒng)里。當(dāng)然還有一種固定相機(jī)的方式即將其固定于機(jī)器人上的手腕部，通過移動機(jī)器人利用一臺相機(jī)對不同場所進(jìn)行測量。此方法因未在涂裝生產(chǎn)線上運(yùn)用就不做過多闡述。
3.2 相機(jī)的標(biāo)定
iRvision利用相機(jī)從所拍攝的圖像檢測出對象物進(jìn)行機(jī)器人的補(bǔ)正，需要將iRvision檢測出的圖像上的位置數(shù)據(jù)變換為符合機(jī)器人動作基準(zhǔn)的坐標(biāo)系（用戶坐標(biāo)系或者工具坐標(biāo)系）上的位置數(shù)據(jù)。要進(jìn)行如此的數(shù)據(jù)變換，需要有相機(jī)觀察哪個機(jī)器人的坐標(biāo)系，如何進(jìn)行觀察的信息，設(shè)定該信息的作業(yè)叫做相機(jī)的標(biāo)定。要進(jìn)行機(jī)器人的補(bǔ)正需要先標(biāo)定相機(jī)。
相機(jī)采用點陣板標(biāo)定，首先設(shè)定要使用的點陣板夾具的格子間距，選擇1個標(biāo)定面進(jìn)行標(biāo)定。投影方法選擇透視投影，焦點距離設(shè)為自動計算，進(jìn)行點陣板的檢測時自動計算焦點距離。將點陣板固定好后，按下設(shè)定按鈕。根據(jù)所指定的用戶坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，iRvision計算將點陣板夾具放置在用戶坐標(biāo)系的何處，如何放置，并將結(jié)果記錄下來。此時按下F3拍照，攝入點陣板夾具的圖像。按下標(biāo)定面1的檢測按鈕，用所顯示的紫紅色的長方形窗口指定點的范圍。按下F4確定，當(dāng)檢測成功時，各個格子的中央會顯示+，如圖2所示，此時4個大格子中顯示有淡藍(lán)色的+，小格子中顯示有綠色的+，小格子即使有1~2個無法檢測出也不礙事。至此標(biāo)定結(jié)束。
4 iRvision新程序的建立
4.1 車身的初始化測量
在對新車型進(jìn)行iRvision示教之前，需要對車身底部進(jìn)行選孔并標(biāo)注三個孔彼此的相對位置。在選取定位孔時應(yīng)盡量選擇易識別的孔位較正的圓孔，所選的孔周圍不能有干擾項，否則拍照時會因識別不了是哪個孔而報錯。選孔只需選擇三個即可，三個孔分布在車底板的三個角落，方便相機(jī)識別。在選擇好定位孔后利用CAD等繪圖軟件對三維建模進(jìn)行測距，得出三個定位孔德相對坐標(biāo)。如圖3所示。此坐標(biāo)值用于后面程序的示教。
4.2 視覺系統(tǒng)模型的示教
我們將iRvision的示教數(shù)據(jù)叫做視覺數(shù)據(jù)，對iRvision進(jìn)行示教就是創(chuàng)建視覺數(shù)據(jù)后進(jìn)行示教。視覺數(shù)據(jù)與機(jī)器人的程序以及I/O的設(shè)定一樣，被存儲在機(jī)器人控制裝置內(nèi)的FROM中。因此能夠存儲視覺數(shù)據(jù)的容量，隨用戶使用的控制裝置的FROM的可用容量而不同。制定的選項軟件越多，F(xiàn)ROM的可用容量就越小。用戶使用的控制裝置的FROM的可用容量可通過示教器的[STATUS]狀態(tài)你的[記憶體]進(jìn)行確認(rèn)。
模型示教時首先將示教樣車停在底涂機(jī)器人自動段，手動打開相機(jī)蓋板，打開補(bǔ)光燈，在上位機(jī)上進(jìn)行拍照，觀察所選取的三個孔是否在相機(jī)觀察范圍中心。在確定三個孔位置合格后接下來進(jìn)行孔的示教，分別選擇每個孔，并用卷尺測量出孔與相機(jī)的直線位置（不需要非常精準(zhǔn)），并輸入在視覺程序里的基準(zhǔn)位置上，然后將建模時測出的孔的相對位置輸入在孔德圖形位置里。然后拍照檢出并放大孔的形狀，對孔進(jìn)行模型示教，設(shè)置孔的檢索范圍以及中心原點，并對孔周圍的干擾項進(jìn)行遮蔽。然后設(shè)置孔的角度、大小和扁平率。以上工作結(jié)束后對此孔進(jìn)行對此拍照檢出，觀察檢出得分情況，并此前修改的參數(shù)以及對曝光時間進(jìn)行修改直至檢出合格。在所有工作結(jié)束后將此模型保存在iRvision程序里。
5 iRvision視覺系統(tǒng)的其他應(yīng)用
發(fā)那科機(jī)器人的iRvision視覺系統(tǒng)除了上述論文講述的用于補(bǔ)償機(jī)器人噴涂的偏差之外還有一個重要的功能即車型識別。每當(dāng)一個車型通過底涂室體機(jī)器人噴涂段時，可通過視覺拍照識別車型，從而避免了機(jī)器人因噴涂車型錯誤而發(fā)生碰撞的風(fēng)險，此功能多應(yīng)用于車型眾多且復(fù)雜的商用車企業(yè)。
6 結(jié)語
在如今科技快速發(fā)展的時代，人工智能取代人工已是社會主流趨勢，涂裝生產(chǎn)線機(jī)器人的開發(fā)與運(yùn)用將逐步解放人工，減少了油漆、防腐膠等物質(zhì)所形成的有毒環(huán)境對工人的影響，而發(fā)那科機(jī)器人的iRvision視覺拍照技術(shù)的引進(jìn)，則成功地修正了機(jī)器人的噴涂軌跡，彌補(bǔ)了由于車身上底涂抱具后相對位置不一以及車身本身所帶來的偏差量。此系統(tǒng)偏差值定位精準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠幫助機(jī)器人高品質(zhì)完成噴膠作業(yè)。與此同時，該視覺系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)也可用于其他工控領(lǐng)域。
（參考文獻(xiàn)略，詳情見《現(xiàn)代涂料與涂裝》2019-1）
