中航工業(yè)北京航空制造工程研究所數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點實驗室 姚艷彬

北京航空航天大學 畢樹生

機器人制孔系統(tǒng)由于靈活性好，適應性強且效率高，在國外飛機裝配中已得到廣泛的研究和應用[1-3]。由于制造誤差等原因，實際加工的飛機零部件與三維數(shù)模之間存在偏差，僅根據(jù)數(shù)模難以保證機器人的制孔精度。機器人制孔系統(tǒng)工作時，需利用視覺系統(tǒng)對制孔位置精確定位，這是實現(xiàn)飛機零部件精確制孔的關(guān)鍵。目前，國外的機器人制孔系統(tǒng)均采用高精度的視覺系統(tǒng)，國內(nèi)用于機器人制孔的視覺系統(tǒng)的研發(fā)尚不成熟。

根據(jù)視覺傳感器不同，機器人視覺系統(tǒng)分為激光視覺系統(tǒng)以及攝像機視覺系統(tǒng)。激光視覺系統(tǒng)主要依靠激光跟蹤儀等設備進行機器人的導航，定位精度高，但系統(tǒng)設備昂貴且易受外部環(huán)境的干擾。攝像機視覺系統(tǒng)主要采用工業(yè)相機進行機器人的導航，具有靈活性高、成本低且不易受外界干擾等優(yōu)點。根據(jù)飛機平面壁板類組件的制孔需求以及機器人制孔系統(tǒng)的特點，本文開發(fā)了一套用于制孔位置精確定位的機器人手眼視覺系統(tǒng)。該視覺系統(tǒng)采用單個工業(yè)相機，且將相機安裝于制孔末端執(zhí)行器上。機器人制孔定位試驗表明，該視覺系統(tǒng)的定位精度高于0.3mm，且具有運算效率高、操作簡單等優(yōu)點，可以用于平面壁板類組件的精確制孔。

手眼標定算法

相機安裝在制孔末端執(zhí)行器上，末端執(zhí)行器安裝在機器人末端，因此需要標定出相機坐標系與機器人坐標系的相對位置關(guān)系。機器人制孔系統(tǒng)工作時，需保證刀具與工件表面垂直。此時在二維平面內(nèi)，通過機械安裝，也可保證相機光軸垂直于工件表面，因此只需要求得平面兩軸方向上相機相對于TCP（Tool Center Point，刀具中心點）的偏移量即可在工件表面進行二維視覺導航，圖1為二維平面內(nèi)機器人“手眼”關(guān)系的標定方法示意圖。

圖1中P點為末端執(zhí)行器上的TCP點也是工具坐標系的原點，xw，yw分別為在世界坐標系下以標定模板平面建立的工件坐標系兩軸方向。x′、o′、y′為相機成像坐標系，根據(jù)小孔成像原理以及弱透視模型可知在相機拍攝距離一定時，圖像所對應的拍攝區(qū)域的范圍也是固定的。因此，與相機成像坐標系x′、o′、y′相對應可以建立一個景物坐標系x、o、y。p1、p2分別為被拍攝平面內(nèi)景物坐標系x、o、y中的兩個景物點，可設其坐標分別為（x1，y1）與（x2，y2）。p′1與p′2分別是p1與p2在相機成像坐標系x′、o′、y′中的對應點，可以得到其坐標分別為（x′1，y′1）與 （x′2，y′2）。圖像中p1與p2連線與x′軸的夾角，由于相機成像坐標系與景物坐標系為比例放大關(guān)系，因此兩個坐標系相互平行，p1與p2連線與x所成夾角也為γ。標定時通過TCP分別與p1和p2進行示教對點，通過工具坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換可以從工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到p1與p2連線的距離以及連線與xw軸的夾角θ，由此可以算出景物坐標系相對于世界坐標系的轉(zhuǎn)角為，同時可以算出在此拍攝距離下的比例系數(shù)為成像坐標系內(nèi)兩點間聯(lián)線距離的像素值，為景物坐標系中兩點連線的實際距離）。于是有，也就求出了p1與p2在景物坐標系x、o、y中的具體坐標值。拍攝時TCP在世界坐標系中的位置以及對點時TCP的位置都可以從工業(yè)機器人的系統(tǒng)中得到，由此可以算出TCP從拍攝位置到對點時的距離‖pp1‖以及pp1與世界坐標系xw軸的夾角δ，由于景物坐標系相對于世界坐標系的轉(zhuǎn)角φ已經(jīng)由前面算出，因此可以得到pp1與景物坐標系x軸的夾角ω=δ-φ。將‖pp1‖在景物坐標系得兩軸方向上分解可以得到D=‖pp1‖cosω，H=‖pp1‖sinω。通過求出的p1在景物坐標系中的坐標值（x1，y1）可以算出TCP在景物坐標系中的坐標，即圖1中P點的坐標為：

因為景物坐標系與相機成像坐標系的比例關(guān)系已經(jīng)得到，由此通過景物坐標系便間接地建立了TCP與相機成像坐標系的關(guān)系，即為所求手眼關(guān)系。

圖1 機器人二維“手眼”標定方法示意圖

1 硬件和軟件系統(tǒng)設計

根據(jù)實際需求，機器人視覺系統(tǒng)的相機采用加拿大PointGrey公司的型號為GRAS-20S4M-C的200萬像素黑白工業(yè)數(shù)字相機，該相機的數(shù)據(jù)接口為IEEE 1394接口。鏡頭采用日本Myutron公司的FV2520固定25mm焦距鏡。光源選擇Ose公司生產(chǎn)的型號為RINP-116R的高亮環(huán)形散射光源。

視覺定位程序作為一個功能模塊被嵌入到上位機主程序中，它與其他功能模塊一起配合實現(xiàn)機器人制孔系統(tǒng)的運行，視覺系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

利用Halcon軟件編寫視覺定位程序，視覺定位程序分為標定模塊和定位模塊兩個功能模塊：

（1） 標定模塊由7個函數(shù)模塊組成，分別是：

a.Open Window（int*WindowAccess, double Row）：此函數(shù)用于圖像顯示窗口的設置。

b.System Initial（int WindowAccess, int *CameraAccess）：此函數(shù)的功能是用于相機及視覺系統(tǒng)各項參數(shù)的初始化。

c.Close_Camera（int CameraAccess）：此函數(shù)用于退出軟件時將相機關(guān)閉。CameraAccess為相機的入口參數(shù)。

圖2 視覺系統(tǒng)工作流程圖

d.Vertical（int WindowAccess,int CameraAccess, bool *IsOK）：此函數(shù)的功能是判斷相機是否能夠清晰成像。

e.Dist_Caculate （int WindowAccess, int CameraAccess,double *GraphicsDistance）：此函數(shù)的功能是算圖像中兩點的距離與所成直線角度,并且得到第一點圓心在圖像中的坐標位置。

f.Magnificate（double ActualValue, double PixelValue）：此函數(shù)具有double型的返回值，功能是用來計算放大率。

g.Calibration（double RobotAngle, double GraphicsAngle,double *TPositionX）：此函數(shù)功能是在前幾個函數(shù)實現(xiàn)的基礎上進行機器人手眼標定從而得到相機圖像坐標系與機器人標定棒尖點之間的關(guān)系。

（2） 定位模塊在標定模塊實現(xiàn)的基礎上只需要一個函數(shù)即可完成：

Point Location（double TPositionX, double TPositionY, double*RobotDistX）：此函數(shù)是標定過程的反解，功能是通過目標點在圖像坐標系中的位置得到目標點相對于標定棒針尖點的位置關(guān)系。

2 試驗驗證

以某軍機鈦合金下壁板為應用對象，對機器人視覺系統(tǒng)進行試驗和驗證，如圖3所示。

圖3 機器人視覺定位試驗現(xiàn)場

為了測試視覺系統(tǒng)的定位精度，采取先鉆孔后定位的方式，即先利用三維數(shù)模中的數(shù)據(jù)進行鉆孔，然后再利用手眼視覺定位已加工孔的位置，并將最終得到孔位置數(shù)據(jù)與數(shù)模中的數(shù)據(jù)進行比較，從而得到定位精度。最終得到試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)中可以看出機器人視覺系統(tǒng)的定位精度在0.3mm以內(nèi)，可以用于飛機壁板類組件的制孔。

表1 手眼視覺定位試驗結(jié)果

結(jié) 論

本文設計了一套用于飛機平面壁板類組件制孔的機器人視覺系統(tǒng)，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明本系統(tǒng)的定位精度在0.3mm以內(nèi)。該視覺系統(tǒng)具有操作簡單、定位精度高等優(yōu)點，能夠滿足飛機平面壁板類組件制孔精度需求。

[1] Atkinson J， Hartmann J， Jones S，et al. Robotic drilling system for 737 aileron.Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference & Exhibition，Los Angeles，2007.

[2] DeVlieg R, Feikert E. One-Up Assembly with Robot. Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference &Exhibition， North Charlesten, 2008.

[3] Carlos C A E , Luis G T. Design of a robotic orbital driller for assembling aircraft structures. Metatronics,2014(24)∶533-545.