張建中，何永義，李 軍

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海機器人技術與機械自動化重點實驗室，上海 200072;2.合肥學院機械工程系，合肥 230022)

基于機器視覺的手機鏡頭機器人裝配應用研究*

張建中1，2，何永義1，李 軍1

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海機器人技術與機械自動化重點實驗室，上海 200072;2.合肥學院機械工程系，合肥 230022)

介紹了機器視覺在導引手機鏡頭(由LENS、BARREL部件構成)機器人裝配中的應用，采用直角坐標型機器人設計成手機鏡頭機器人裝配設備，進行手機鏡頭同一對位置下的鏡頭裝配實驗，獲取手機鏡頭LENS、BARREL部件在各個位置下的圖像，通過模板匹配的方法確定部件的坐標值，導引手機鏡頭機器人裝配。實驗表明：機器視覺方法具有實時、在線、非接觸、重復誤差小、精度高、自動化等特有的優(yōu)點，在機器人裝配中具有較好的應用前景;設計出手機鏡頭機器人裝配設備已經(jīng)成功運用于某公司，各項性能、效果良好，均滿足客戶要求。

機器人;機器視覺;手機鏡頭;裝配;圖像處理

0 引言

工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)已經(jīng)得到很好的應用，也是設計制造加工等過程的自動化的重要手段。

近年來，機器視覺技術不斷促進機器人在各行各業(yè)更好的應用。機器視覺是使用計算機實現(xiàn)對視覺信息的處理，在實現(xiàn)實時、在線、非接觸高精度測量、提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)過程的柔性和自動化程度方面具有獨有的優(yōu)勢。本文使用機器視覺技術為機器人提供裝配物與被裝配物的位置信息，使機器人實現(xiàn)更快、更便捷、更穩(wěn)定的裝配工作。

1 手機鏡頭機器人裝配系統(tǒng)

隨著電子技術的進步，手機是現(xiàn)代生活中不可缺少的通信工具，具有數(shù)量多、更新?lián)Q代快的特點。手機在生產(chǎn)過程中大多數(shù)部件的裝配都是手工來實現(xiàn)，效率低，勞動強度大，而且裝配質(zhì)量難以保證，隨著機器人技術的深入發(fā)展，這種現(xiàn)狀將不斷發(fā)生改變，未來的手機制成設備應該具備自動化程度高、制造品質(zhì)好、生產(chǎn)效率高的特點，本處使用機器視覺技術進行鏡頭零件(由LENS和BARREL構成)的定位，通過分析圖像獲得所需信息來控制直角坐標式三軸機械手進行手機鏡頭部件的移位、裝配。

1.1 直角坐標型ROBOT

直角坐標型機器人是機器人的一類，由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成，特點有:(1)便于增加視覺、測距傳感器等;(2)高速度、高精度、高可靠性;

(3)每個運動自由度之間的空間夾角為直角;

(4)靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同;

(5)便于操作維修。

直角坐標型機器人常用于裝配、焊接、搬運、包裝、上下料、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、貼標、噴碼、打碼、噴涂等工作，特別適用于多品種、多批量的自動化作業(yè)，直角坐標型機器人對于穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

1.2 實驗裝置

圖1是手機鏡頭機器人裝配實驗設備，由ROBOT、步進電機、視覺光源、鏡頭、工業(yè)相機、圖像信號采集單元、監(jiān)視器、通訊單元等部分構成。

圖1 手機鏡頭機器人組裝設備

工作原理:采用工業(yè)相機將鏡頭的LENS部件、BARREL部件轉(zhuǎn)換成圖像信號，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，傳送給計算機或控制器;利用軟件進行圖像去噪、圖像增強、目標匹配及尋找目標，擬合計算目標物體位置坐標，PC機向ROBOT發(fā)位移命令，實現(xiàn)X-Y-Z-R運動，進行運動-位置控制。

1.3 軟件算法

圖2是機器人組裝處理過程流程。機器視覺是通過相機獲取工件的二維圖像，并通過軟件進行分析和解釋，進而轉(zhuǎn)換為命令，讓機器人能夠辨識物體，并確定其位置。

圖2 機器人鏡頭組裝處理過程流程

圖像模板匹配目標分割算法公式［10］:

式中:ts、j—— 灰度閾值、實例數(shù);

t(ui，vi)—— 模板各點的灰度值;

f(r+ui，c+vi)—— 圖像各點的灰度值;

sad(r，c)——灰度差值絕對值的相似度度量。

手機鏡頭機器人裝配軟件包括圖像采集、圖像處理、運動控制、I/O控制、角度校正、標定、位移調(diào)整、串口通信等。

2 實驗

為驗證機器視覺在手機鏡頭機器人裝配中的精度和可靠性，現(xiàn)采用50次同一對LENS、BARREL到位情況做實驗，實驗情景見圖3，實測目標物體在圖像中位置坐標數(shù)據(jù)如下表1、表2。

圖3 手機鏡頭機器人組裝實驗描述

表1 LENS坐標值實測數(shù)據(jù)( 單位:pixel，1pixel=0.0085mm)

(續(xù)表)

表2 BARREL坐標值實測數(shù)據(jù)( 單位:pixel，1pixel=0.0085mm)

表3 LENS和BARREL坐標值均值

單次測量值的標準偏差計算:

表4 LENS和BARREL坐標值標準偏差

機器人鏡頭組裝實驗坐標數(shù)據(jù)分布曲線見圖4。

圖4 LENS和BARREL點位置分布曲線

機器人鏡頭組裝實驗偏差曲線見圖5。

圖5 LENS和BARREL點位置偏差曲線

圖4a中，測量精度可以達到0.002mm;在圖4b中，圖像成像質(zhì)量一般時，測量數(shù)據(jù)精度下降，精度仍可以達到0.004mm。圖5a中，圖像成像質(zhì)量好，測量圖像的相似程度高，測量數(shù)據(jù)精度高;在圖5b中，圖像成像質(zhì)量一般時，測量數(shù)據(jù)精度下降。比較圖5中a與b，實驗中手機鏡頭的BARREL圖像特征不夠明顯，使得實驗中的SCORE值不高，進而導致數(shù)據(jù)精度稍差，并且數(shù)據(jù)有分散的傾向。

3 結束語

通過手機鏡頭機器人裝配實驗可以得出以下結論:

(1)系統(tǒng)運動精度高，圖像測量數(shù)據(jù)精度高，重復性好，可靠性高，幾乎沒有粗大誤差;

(2)工件圖像成像質(zhì)量直接影響數(shù)據(jù)的準確性;

(3)SCORE值的高低直接影響數(shù)據(jù)的分散程度。

存在的不足與改進措施:

(1)圖像處理算法的占用時間，由于是120萬像素的圖片，系統(tǒng)的計算量大，處理時間較長，給系統(tǒng)運動帶來明顯的時滯現(xiàn)象。改進措施是采用高速相機、設計高速目標識別算法;

(2)精度仍有提升的空間。改進措施是分析各個裝配誤差源，盡量減少各個環(huán)節(jié)的誤差;尤其是改進成像系統(tǒng)，如調(diào)焦、光源選擇等;

(3)SCORE值較低，主要原因是環(huán)境光改變了這些光源照射到物體上的總光能，這種干擾使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲。改進措施是采用加防護屏的方法，減少環(huán)境光的影響。

總之，機器視覺在手機鏡頭機器人裝配中的應用特點:實時、在線、非接觸、精度高，可靠性好，具有較好的應用前景。作者設計出的手機鏡頭機器人裝配設備已經(jīng)成功運用于某公司，各項性能、效果良好，均滿足客戶要求。

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(編輯 趙蓉)

App lication Research on Machine Vision in Mobile-Phone Robotic Assembly Equipment

ZHANG Jian-zhong1，2，HE Yong-yi1，LIJun1
(1.School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai Key Laboratory of Mechanical Automation and Robotics，Shanghai 200072，China;2.Department of Mechanical Engineering，Hefei University，Hefei230022，China)

The paper introduced an important app lication research on machine vision in guiding mobilephone lens(include LENSand BARREL)robotic assembling process.A mobile-phone lens cartesian coordinate robotic assembly equipment was designed and experiments were conductedLet the assembling equipment work at the same coupleworkpiece’s positions for fifty times,acquire the image at every position,and calculate theworkpiece’s center coordinates w ith templatematching,so as to drive the robot to move to the right positions.Comparing w ith other typicalmethods,results show that the special advantage of the technology ofmachine vision is both characterized by automation,non-contact,high accuracy,low errors of replication on functions,It’s no doubt thatmachine vision is a good technology which w ill lead to good application future in guiding robotic assembling equipment.Themobile-phone lens robotic assembly equipment has been developed successfully for a corporation,and its good performancemeets all the demands of industry production.

robot;machine vision;mobile-phone lens;assembling;image processing

TP391

A

1001－2265(2011)06－0029－04

2010－03－17;

2011－04－11

安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2010B180)

張建中(1970—)，男，安徽巢湖人，合肥學院機械工程系講師，在讀博士，研究領域為機床加工、機電控制、圖像處理與檢測，(E－mail)zjzfirst@yahoo.com.cn;何永義(1965—)，男，浙江蘭溪人，上海大學機電工程與自動化學院教授，博士，博士生導師，研究領域為智能控制，機器人，機電一體化，(E －mail)heyongyi@mail.shu.edu.cn。