PDF《In-Sight 智能相机： 实现机器人对汽车发动机缸体的高效精》

In-Sight 智能相机: 实现机器人对汽车发动机缸体的高效精 确抓取 文/北京现代汽车有限公司 郑伟民 北京现代汽车有限公司 (以下简称北京现代) 是由北京汽车投资有限公司和韩国现代自动车 株式会社共同出资设立,公司主要业务以全新车型引进、商品性改善与本地化研发为主.

目前,整车年生产能力已达到

100 万台. 北京现代拥有

3 座整车生产工厂、3 座发动机生产工厂和

1 座承担自主研发的技术中心.北 京现代拥有近

300 台机器人,分别应用在车身焊接、车身冲压、发动机组装、涂装等各种关 键工位中.公司依靠先进的自动化制造装备,保障 100%焊接与运输自动化率,100%自动化 冲压生产,确保车身焊接质量与车身强度. 在发动机生产工厂, 汽车发动机的缸体搬运工作是由韩国现代公司制造的机器人来进行. 在 引导机器人进行缸体搬运时, 采用的是由韩方定制的工业相机+视觉软件的方式. 在生产过 程中,遇到了棘手问题,主要是:相机拍照一次检测不成功,需要多次拍照才有可能检测成 功,影响了工作效率.因此,北京现代决定进行技术改造,以实现机器人对缸体的高效精确 抓取. 在改造时,这个问题一直困扰着北京现代的技术人员.在应用现场,缸体是码放在一层层的 拖盘上,每隔一层缸体码放的方向不同(如图

1 所示) .由于缸体只有一个抓取位置(如图

2 所示) ,所以机器人在抓取时,会自动将爪具旋转

0 度、90 度、180 度或

270 度,然后根 据每层托盘上每个缸体的大概位置去拍照抓取,同时相机也会跟着爪具进行旋转.这样,得 到的图像都是一个方向的, 而相机却跟着机器人改变了拍照方向, 这直接影响了抓取的准确 性. 图1

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电话:400-008-1133 官网主页:www.cognex.cn 图2因此,要成功实现技改,就要搬掉这个拦路虎,北京现代的技术人员详细分析了迫切需要解 决的两个技术难点. 第一:机器人坐标系与图像坐标系的对应关系(N 点校准) . 从理论上来说, 如果机器人旋转

0 度、

90 度、

180 度或

270 度时的旋转中心是一致的, 那么, 就可以只针对

0 度时的坐标对应关系做 N 点Calibrate,其他三个角度时的坐标系对应只是 象限不一样. 1)机器人坐标系与图像坐标系都是

0 度时,两个坐标系是重合的(如图

3 所示) .这时,在 做完 N 点Calibrate 后,机器人坐标与图像坐标可直接一一对应. 2)机器人坐标分别旋转

90 度、180 度和

270 度时,图像坐标系虽然没有改变,但是却与机 器人坐标系的其他象限有了对应关系(如图

4、图

5、图6所示) . 3)如果机器人的旋转中心是一样的,就可以得到一个拟合圆(如图

7 所示) . 图3

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电话:400-008-1133 官网主页:www.cognex.cn 图4图5图6图四 图六

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电话:400-008-1133 官网主页:www.cognex.cn 图7需要注意的是: 机器人在抓取位置旋转四个方向拍照时, 必须是以同一固定点为圆心进行旋 转,只有这样四个方向(象限)的点才能对应起来,这时只要在一个方向做

9 点标定即可. 否则,如果机器人在抓取位置旋转四个方向拍照时,不是以同一点为圆心进行旋转,那每个 方向(象限)都要重新做

9 点标定,因为每个方向的点是不能对应. 最终经过确认, 机器人夹具在旋转

0 度、

90 度、

180 度和

270 度时的旋转中心很难保持一致, 所以只校准一次并对应象限的方法就不能使用了.这样,四个角度时都要分别做 N 点Calibrate. 第二:拍照后,必须确定图像特征的旋转中心的偏移量,图像特征旋转中心与偏移量的和, 必须与机器人夹具的旋转中心保持一致,否则抓取时就会产生很大误差. 为解决技术改造中遇到的这些难点, 并选择一个令人信任的技术解决方案, 北京现代的技改 部门在综合比较技术实力、产品性价比、售后服务能力和服务质量等多种考虑下,决定选择 机器视觉领域内的领军企业――康耐视公司. 虽然康耐视 In-Sight 产品支持多种工业通讯协议, 但是在本次应用中与机器人只是采用最简 单的 RS-232 串口通讯方式(见图 10) . 图8在现场,机器人有两个位置比较重要,一个是拍照位置,另一个是抓取位置,这两个位置都 有固定坐标.对关键的图像定位问题,康耐视 In-Sight 产品有其创新的解决方案. 1)得到基准模型图像.机器人由拍照位置走到抓取位置,然后把缸体移到夹具正好能够正 确抓到的位置,这个位置就是抓取的基准位置.固定好缸体后,机器人从抓取位置回到照相 位置,然后进行拍照,得到的这张图像就可以作为基准模型图像. 2)得到两张抓取位置旋转某个角度的图像.在得到基准模型图像后,机器人由拍照位置再 走到抓取位置,抓住缸体逆时针或顺时针旋转某个角度(例如 CCW-10 度或 CW-10 度) ,然 后松开缸体,再回到拍照位置进行拍照,得到第二张图像.同样再按此步骤操作得到第三张 图像. 3)得到这三张图像后,就可以在这三张图像上用 PatMax 工具查找同一特征点,根据得到 的三个点就可以拟合出一个圆,这个圆的圆心坐标就是机器人夹具的旋转中心.

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9、图10 所示. 图9图10 In-Sight 相机与机器人实现了完美的无缝配合,具体工作过程如下. 1)工件分层码放在旁边,每次只将一层工件放到拍照与抓取位置(如图

11 所示) . 图11

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电话:400-008-1133 官网主页:www.cognex.cn 2)机器人在拍照前会事先知道这一层是如何摆放的.每个工件的拍照位置都是在机器人程 序中事先设置好的.例如:抓取工件(0 度)时,机器人不需要旋转,直接到拍照位置进行 拍照后抓取.在抓取工件(180 度)时,机器人会自动旋转

180 度,然后再到拍照位置进行 拍照后抓取.同理,下一层的工件是以

90 度和

270 度进行摆放的. 3)机器人到达拍照位置后,首先向相机发送 START1,让相机进行拍照检测.如果定位成 功,相机给机器人返回 OK.机器人在收到 OK 后,再向相机发送 SHIFT8.相机再把定位 坐标和角度返回给机器人.如果定位失败,相机给机器人返回 NG.机器人会自动微调当前 位置,然后再次发送 START1,让相机重新拍照.直到检测成功.相机拍照后,会把工件的 当前坐标与当初训练的基准抓取位置坐标相减, 然后把坐标差值和角度传送给机器人, 机器 人以当初训练的基准抓取位置坐标为基础进行调整,然后再去抓取工件. 经过一系列的现场测试,北京现代采用康耐视的 In-Sight 智能相机后,成功解决了令人挠头 的技术难题. "康耐视的 PatMax 工具提出了视觉行业最佳的定位算法,即使在比较复杂的 情况下也能提供非常准确的定位. 而且还提供了非常丰富的通讯方式, 便于集成到现有系统 中. "北京现代保全部的沈剑表示. 他对 In-Sight 智能相机的表现给出了极高的评价, "经过改造后,机器人工作很流畅,且抓 取都很准确,几乎没有定位不到的情况.在调试过程中,PatMax 工具的优越性得到了淋漓 尽致的体现,我们非常满意. " 沈剑最后表示,在现场还有四台现代机器人,情况与被改造工位很相似. "在这台机器人调 试完毕时,我们就已经开始准备改造其他四台机器人的视觉系统了. "