基于视觉纠偏算法的阻镀漆喷涂机器人研制.pdf

第 卷 第 期 年 月天 津理工大学学报 .收稿日期:修订日期:基金项目:天津市重点研发计划()天津市新一代人工智能重大项目():/基于视觉纠偏算法的阻镀漆喷涂机器人研制王新雨赵连玉邢攸为任广新尹永强王成林(天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心 天津 海洋石油工程股份有限公司 天津)摘要:为提高涂绘生产线效率、解决人工成本问题 研制了阻镀智能漆喷涂生产线 在六轴工业机器人上引入机器视觉系统 虽能完成复杂工件涂绘 但涂绘不准确 因此 提出位置纠偏算法 采用工业相机对电镀件进行拍照注册识别其特征信息 记录其位置坐标 对其他电镀件分别拍照并处理其图像 与第 个图像中的点位进行对比 计算出其偏差值来进行纠偏 经试验验证 涂绘效果满足生产作业要求关键词:六轴工业机器人 机器视觉 位置纠偏 生产线中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:随着汽车行业飞速进步 电镀凭借其优异的力学性能及电镀后良好的金属效果与美观性 广泛地应用于汽车门把手、装饰板等内外饰零部件 由于电镀件后期的装配问题 电镀件上的一些位置需涂绘阻镀漆进行阻镀 目前 在电镀件上喷涂阻镀漆的市场需求大 为提高其生产效率 节省人力 喷涂阻镀漆智 年 月王新雨 等:基于视觉纠偏算法的阻镀漆喷涂机器人研制能自动化生产线较为必要文中对合成树脂材质的电镀工件涂绘阻镀漆进行研究 目前 国内外普遍采用人工涂绘的方法和使用三轴工业机器人进行作业 但手工涂绘存在不美观易发生阻镀漆污染工件表面 涂绘重复性差 阻镀漆用量浪费等缺点 由于电镀件多为空间结构件且形状复杂 曲面较多 三轴工业机器人很难对其进行作业 且一般是通过示教的方法来引导机器人进行作业 采用三轴示教型机器人作业时 只能对一种工件进行喷涂 且每次只能喷涂一个 效率低下 在装夹电镀件时 可能会发生偏移 造成在装夹电镀件过程中实际的点胶路径与示教的路径会发生偏移和旋转 但机器人不能自动识别轨迹的变化 仍按照数据库中的示教轨迹进行作业 导致涂绘精度和加工质量无法满足要求 一般的三轴示教型机器人不能识别涂绘工件类型、尺寸、胶槽大小等因素的变化 会导致点胶质量无法达到要求 因此 为解决以上问题文中通过机器人实现自动化点胶功能 并引入机器视觉 研制阻镀漆智能涂绘生产线 使机器人能够自动识别电镀件 并自动调整点胶轨迹 从而提高涂绘机器人的智能化水平 涂绘工艺指标 需研发的自动涂绘工业机器人需针对多种类型的电镀件 对于涂绘电镀件的具体的技术指标为:()涂绘系统运行稳定可靠()漆面路径规则平整 无气泡()可实现曲面较复杂部位的涂绘()不能对电镀件造成损失根据技术指标 分析出所需的自动涂绘机器人系统的设计需求为:()只示教第 个喷涂工件的喷涂轨迹 喷涂机器人即可喷涂剩余工件()在人工上料条件下进行工件装夹定位 需设计夹具系统()将托盘输送至机器人工作区 需设计托盘输送系统()输送托盘至工作区后进行精确定位 需设计托盘定位系统()可进行 工位进行涂绘作业 且 工位可加工不同种类的电镀件()因电镀件的种类多样性 工业机器人须有图像识别功能 识别电镀件的种类并能自动定位 从而处理多种类的电镀件()工业机器人涂绘轨迹精度要高()输送线运送平稳 速度可调节 启停通过伺服控制()对涂绘路径要最优化 在规定的时间范围内得到最好的点胶质量 阻镀漆喷涂生产线系统构成 喷涂生产线的机械结构喷涂生产线需具备上料、机械臂喷涂工件、烤干喷涂阻镀漆等生产功能 在机器人的选型上 采用的是发那科六轴工业机器人 型号为/该机器人由机械臂和控制柜组成 机械臂由伺服电机的轴和手腕组成 发那科工业机器人具有良好的稳定性 其机械臂能实现高速且平滑的动作性能 能很好地进行涂绘作业机械结构包括制式托盘、工业相机、发那科六轴机器人、涂绘机构、工控机、传送装置及烘干系统 机械结构三维图如图 所示图 机械结构三维图 托盘安装在上料机构上 用于承载工件及工件卡具 工业相机和喷涂机构安装在机械臂的末端 方便工业相机对电镀件进行拍照处理 以及机械臂进行涂绘作业 上料机构用于传送待喷涂工件至喷涂工位与烘烤工位 设计 工位来进行涂绘作业 可提高其生产效率 且由于托盘是制式设计 托盘外观不变 内天津理工大学学报第 卷 第 期部卡具不同 每个工位可涂绘不同类型的电镀件 喷涂生产线的软件结构喷涂生产线的软件结构由机器视觉的程序和机器人的控 制 程 序 等 组 成 它 们 间 由 网 络 通 信 协 议(/)通信连接/具有应用广泛、处理速度快、稳定性高等优点 上位机界面使用 语言设计 编写的窗口应用程序高效快捷 软件结构简图如图 所示图 软件结构简图 系统整体操作流程由相机采集到电镀件的图像信息 对电镀件图像进行预处理:通过对图像进行灰度化、滤波除噪、边缘提取等处理技术对电镀件图像信息进行分析 软件系统将电镀件图像处理后得到的数据进行计算 找到电镀件图像中的特征点的位置信息 传送给发那科机器人的控制柜中 控制机器人按照示教好的路径进行作业 系统运行图如图 所示图 系统运行图 误差成因分析及补偿方法 误差成因装夹定位卡具在实际生产的过程中 每个装夹定位的距离会有 的偏差 且偏差不是呈线性关系 每个装夹定位件间的偏差不一 在视觉定位上会带来一定的影响 且由于相机标定及机械臂末端与相机间的手眼标定误差等会在机器人实际作业的过程中导致机械臂涂绘路径产生一定的偏差 产生误差的原因为:()机械臂世界坐标本身的定位误差()托盘移动与定位产生的误差()托盘上工件卡具安装孔的加工误差()工件卡具的加工误差()件卡具的安装误差 位置纠偏文中采用相机位姿识别来纠正这些误差 补偿方法示意图如图 所示图 补偿方法示意图 对于所产生的误差 相机在识别时 采用相机与机器人间的矩阵变换进行纠偏 将计算出的偏差值传送至机器人控制柜中 其原理为:使用相机先对其中一种电镀件拍照进行注册 识别其特征信息 记录其位置坐标 然后对其他电镀件分别拍照 处理其图像 与第 个图像中的点位进行对比 计算出偏差值 将计算出的偏差值传送至机器人控制柜中进行纠偏 每个工件卡具间的横向距离为 纵向距离为 工件 的虚线为工件装夹时出现的偏差位置 工件 出现了平面上横向、纵向和旋转偏差当相机在工件 的位置拍照时 与开始注册的图像进行对比 实现纠偏 使其实际示教的涂绘路径变为虚线的示教涂绘路径进行作业 具体的补偿方法为:()确定相机的拍照位置 选取较为明显的特征作为特征图像注册()以相机的照相位置为原点 示教第 个工件的喷涂轨迹()机器人根据工件卡具距离 移动至第 个待喷涂工件位置 对工件 进行拍照 对比注册好的图像 计算工件需要被纠偏的横向距离、纵向距离 和旋转角度 根据相机的拍照位置与纠偏位置计算出 和 并计算变换矩阵 年 月王新雨 等:基于视觉纠偏算法的阻镀漆喷涂机器人研制()将相机的纠偏位姿应用于涂绘 新的涂绘轨迹为旧涂绘轨迹点坐标偏移 个工件卡具位置 再加上()中相机识别出的摆放距离()机械臂按()计算出的新轨迹喷涂工件()重复()()涂绘剩余的工件 图像预处理与工件位姿识别视觉算法采用 软件来完成 通过相机对工件进行拍照 进行灰度化处理 采用中值滤波对图像进行去噪处理 采用 算子对图像进行边缘检测 采用 变换对图像中的直线信息进行提取相机采集到的彩色图像中的各个像素点都由 三个值来表示 为 通道图 灰度化就是将 通道图变为单通道图 当 时 彩色图像就会变为灰度图像 灰度化的方法采用加权平均值法:()式中:分别是 分量值的权重系数将图像灰度化处理后再将其进行滤波去噪 常用的滤波去噪包含中值滤波、均值滤波和高斯滤波 种方法 其中 均值滤波去噪效果最好 高斯滤波保留图像边缘信息最好 相对于这两种滤波 中值滤波既能有效去除背景噪声又能保留图像的边缘信息 中值滤波计算式为:()()()()式中:()为灰度值 为像素的像素中心模板 为给所求的函数取中值文中对电镀件一端进行灰度化处理并对其进行中值滤波去噪 效果如图 所示图 灰度化与去噪后的效果 边缘检测采用 算子进行检测 算子经过一个非极大值抑制的过程 采用两个不同的阈值分别检测强弱边缘 具有很强的抗噪能力 边缘检测是一种完善的检测算法 如图 所示图 边缘检测 电镀件一端有直线边缘特征 可用 变换进行直线提取 变换的本质是一种从图像空间到参数空间的映射关系 利用共线点在参数空间相交的对偶性遍历图像中每个像素点 映射到参数空间 对参数空间进行累加投票 通过局部峰值检测出直线参数 因为是二维空间 所以要对图像中的两条直线进行提取 变换直线提取如图 所示图 变换直线提取 上述为相机识别电镀件位姿的过程 将计算出的偏差值代入变换矩阵中即可实现准确喷涂 变换矩阵求解要求得标定的矩阵 就需得到相机坐标系和机器人世界坐标系间的转换关系 在实际控制中先由相机拍照 识别目标的像素位置 再将像素坐标转换到机器人末端的世界坐标系中 根据机器人末端工具坐标系计算出各个轴的运动 从而控制执行机构天津理工大学学报第 卷 第 期到达指定位置 在空间中三维坐标变换一般有 种方式实现:()旋转矩阵和旋转向量()欧拉角()四元数 文中采用旋转矩阵与欧拉角来实现空间三维坐标的转换 相机坐标系与世界坐标系间的变换矩阵为:()式中:为相机的坐标系与机器人的世界坐标系间的旋转矩阵 为位移向量 为世界坐标系的坐标 为以相机建立的工具坐标系的坐标点将式()展开为:()与 具有 个自由度 在 三个方向共同控制 与 设定 轴旋转的角度为 轴旋转的角度为 轴旋转的角度为 旋转的欧拉角分别绕 个轴旋转的效果为:绕 轴旋转的矩阵为:()绕 轴旋转的矩阵为:()绕 轴旋转的矩阵为:()将式()、式()和式()相乘即可得到相机的坐标系与机器人的世界坐标系间的旋转矩阵:()通过 组以上数据即可求得标定矩阵即可实现相机坐标系和世界坐标系间的转换得到标定矩阵后 再将 和 代入标定矩阵中 即可得到纠偏后的示教路径 试验验证 通过文中所述的补偿方法 得到 的值 数据结果如图 所示图 数据结果 由图 可看出 当机器人涂绘前 个工件时 由于相机标定、手眼标定、工件卡具的加工与安装等误差的原因 导致机器人移动至每个工件卡具间的横向偏差逐渐增大 到第 个工件时偏差最大 之后偏差逐渐减小 其纵向偏差到达第 个工件时 偏差最大 角度的偏差较小 基本都在 内 通过该方法进行纠偏 涂绘准确且漆面路径规则平整 最终得到的涂绘效果满足技术需求 纠偏后的喷涂工件如图 所示图 纠偏后的喷涂工件 结论 自动化涂绘在汽车行业有很大的需求 文中结合 年 月王新雨 等:基于视觉纠偏算法的阻镀漆喷涂机器人研制工厂实际情况 将机器视觉与矩阵变换结合 完成了点位纠偏的方法 实现了高效、精准的自动化涂绘解决了人工涂绘、示教型机器人涂绘等方式效率和质量低等问题参 考 文 献谷清平.基于 汽车塑料件电镀工艺 看塑料电镀工艺在汽车制造业中的应用.电镀与精饰 ():.张亚星.基于六自由度喷涂机器人的智能涂装生产线设计研究.北京:北京邮电大学.吴东南.工业机器人手持示教器设计与实现.杭州:杭州电子科技大学.马海龙 李庆华.机器视觉与点胶技术结合研究现状.齐鲁工业大学学报 ():.朱奕锟.六轴工业机器人的运动学分析.科技创新与应用 ():.张雨龙.基于 平台机器人 协议在自动点胶中的运用.南方农机 ():.尹恒杰 曹妍.基于 的车牌识别系统研究.电子产品世界 ():.程海林 孙杰.光谱测量数据降噪处理滤波器设计.天津理工大学学报 ():.魏甜伦.点胶机器人图像识别及运动控制研究.上海:东华大学.苑玮琦 赵佩瑶.基于 的自适应换热器板片边缘检测方法.计算机技术与发展 ():.辛敏 罗山.基于改进 变换的车道线识别.山西电子技术 ():.汪卫红 王刚.目标追踪位置估计的单目视觉算法.天津理工大学学报 ():.孟竹.机器人全方位环境感知技术研究.长春:长春理工大学.杨侨.基于机器视觉的工件识别与定位技术研究.绵阳:西南科技大学.费致根 吴志营 肖艳秋 等.基于 优化算法的双目机器人手眼标定方法.机床与液压 ():.作者简介:王新雨()男 硕士研究生 研究方向:机器人系统集成与应用:王成林(通信作者)()男 讲师 博士 研究方向:机械结构设计、测控技术及仪器: