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)
機(jī)器視覺應(yīng)用于各種工業(yè)過程,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、搬運(yùn)和裝配任務(wù)[1]。本文針對(duì)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)集成進(jìn)行上下料進(jìn)行探討,搭建了視覺試驗(yàn)系統(tǒng),利用不同的視覺系統(tǒng)配置進(jìn)行零件外形識(shí)別試驗(yàn), 通過結(jié)果對(duì)比明確視覺系統(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。
光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)使用效果的重要因素,視覺系統(tǒng)與其它傳感器的工作情況不同, 對(duì)光線的依賴性很大,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 光源作為視覺試驗(yàn)光源。
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)。
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)過綜合考慮, 分別選擇了130 萬分辨率與500 萬分辨率的CCTV 定焦鏡頭做實(shí)物成像試驗(yàn)。
視覺試驗(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 視覺系統(tǒng)組成示意圖
圖2 第一次試驗(yàn)結(jié)果圖
通過第一次試驗(yàn)結(jié)果可知, 視覺試驗(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 視覺系統(tǒng)組成示意圖
圖4 第二次試驗(yàn)結(jié)果圖
通過以上兩次試驗(yàn)結(jié)果可知, 視覺系統(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,視覺系統(tǒng)的視覺檢測(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。
視覺系統(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,通過視覺引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng),為機(jī)器人做一些輔助的決策,在上料、裝配過程中都會(huì)提高效率。 機(jī)器人系統(tǒng)與視覺系統(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)器人與視覺系統(tǒng)集成的程序編制及運(yùn)行,如圖5 所示。
圖5 視覺系統(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)。
系統(tǒng)組成:6 軸KUKA 機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、光源、控制系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)功能:通過攝像與圖像對(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、特征明顯的品種類別的防錯(cuò)等, 通過視覺識(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。
工作過程:對(duì)于箱體類零件,選擇不低于30 萬像素相機(jī),對(duì)于軸承座/飛輪殼等回轉(zhuǎn)類零件,特征較為復(fù)雜,選擇不低于130 萬像素相機(jī),根據(jù)車間管理系統(tǒng)發(fā)出的物料配信息,物流系統(tǒng)通過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)出指令給視覺系統(tǒng),視覺系統(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似,控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人、視覺系統(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)作完成視覺捕捉、抓取、掃碼、上料、檢測(cè)等過程。
隨著自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 視覺系統(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),視覺系統(tǒng)的作用更加顯著,通過對(duì)視覺系統(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,可以為基于視覺的自動(dòng)上下料提供參考, 具有一定的可借鑒意義。