北京現(xiàn)代汽車有限公司（以下簡稱北京現(xiàn)代）是由北京汽車投資有限公司和韓國現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社共同出資設(shè)立，公司主要業(yè)務(wù)以全新車型引進(jìn)、商品性改善與本地化研發(fā)為主。目前，整車年生產(chǎn)能力已達(dá)到 100 萬臺(tái)。

北京現(xiàn)代擁有 3 座整車生產(chǎn)工廠、3 座發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工廠和 1 座承擔(dān)自主研發(fā)的技術(shù)中心。北京現(xiàn)代擁有近 300 臺(tái)機(jī)器人，分別應(yīng)用在車身焊接、車身沖壓、發(fā)動(dòng)機(jī)組裝、涂裝等各種關(guān)鍵工位中。公司依靠先進(jìn)的自動(dòng)化制造裝備，保障 100%焊接與運(yùn)輸自動(dòng)化率，100%自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)，確保車身焊接質(zhì)量與車身強(qiáng)度。

在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工廠，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體搬運(yùn)工作是由韓國現(xiàn)代公司制造的機(jī)器人來進(jìn)行。在引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行缸體搬運(yùn)時(shí)，采用的是由韓方定制的工業(yè)相機(jī)＋視覺軟件的方式。在生產(chǎn)過程中，遇到了棘手問題，主要是：相機(jī)拍照一次檢測不成功，需要多次拍照才有可能檢測成功，影響了工作效率。因此，北京現(xiàn)代決定進(jìn)行技術(shù)改造，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)缸體的高效精確抓取。

在改造時(shí)，這個(gè)問題一直困擾著北京現(xiàn)代的技術(shù)人員。在應(yīng)用現(xiàn)場，缸體是碼放在一層層的拖盤上，每隔一層缸體碼放的方向不同（如圖 1 所示） 。由于缸體只有一個(gè)抓取位置（如圖2 所示） ，所以機(jī)器人在抓取時(shí)，會(huì)自動(dòng)將爪具旋轉(zhuǎn) 0 度、90 度、180 度或 270，然后根據(jù)每層托盤上每個(gè)缸體的大概位置去拍照抓取，同時(shí)相機(jī)也會(huì)跟著爪具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這樣，得到的圖像都是一個(gè)方向的，而相機(jī)卻跟著機(jī)器人改變了拍照方向，這直接影響了抓取的準(zhǔn)確性。

圖 1

圖 2

因此，要成功實(shí)現(xiàn)技改，就要搬掉這個(gè)攔路虎，北京現(xiàn)代的技術(shù)人員詳細(xì)分析了迫切需要解決的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

第一：機(jī)器人坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系（N 點(diǎn)校準(zhǔn)） 。

從理論上來說，如果機(jī)器人旋轉(zhuǎn) 0 度、90 度、180 度或 270 度時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心是一致的，那么，就可以只針對(duì) 0 度時(shí)的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系做 N 點(diǎn) Calibrate，其他三個(gè)角度時(shí)的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)只是象限不一樣。

1）機(jī)器人坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系都是 0 度時(shí)，兩個(gè)坐標(biāo)系是重合的（如圖 3 所示） 。這時(shí)，在做完 N 點(diǎn) Calibrate 后，機(jī)器人坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)可直接一一對(duì)應(yīng)。

2）機(jī)器人坐標(biāo)分別旋轉(zhuǎn) 90 度、180 度和 270 度時(shí)，圖像坐標(biāo)系雖然沒有改變，但是卻與機(jī)器人坐標(biāo)系的其他象限有了對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖 4、圖 5、圖 6 所示） 。

3）如果機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心是一樣的，就可以得到一個(gè)擬合圓（如圖 7 所示） 。

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

圖 7

需要注意的是：機(jī)器人在抓取位置旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向拍照時(shí)，必須是以同一固定點(diǎn)為圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，只有這樣四個(gè)方向（象限）的點(diǎn)才能對(duì)應(yīng)起來，這時(shí)只要在一個(gè)方向做 9 點(diǎn)標(biāo)定即可。否則，如果機(jī)器人在抓取位置旋轉(zhuǎn)四個(gè)方向拍照時(shí)，不是以同一點(diǎn)為圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，那每個(gè)方向（象限）都要重新做 9 點(diǎn)標(biāo)定，因?yàn)槊總�(gè)方向的點(diǎn)是不能對(duì)應(yīng)。最終經(jīng)過確認(rèn)，機(jī)器人夾具在旋轉(zhuǎn) 0 度、 90 度、 180 度和 270 度時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心很難保持一致，所以只校準(zhǔn)一次并對(duì)應(yīng)象限的方法就不能使用了。這樣，四個(gè)角度時(shí)都要分別做 N 點(diǎn)Calibrate。

第二：拍照后，必須確定圖像特征的旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，圖像特征旋轉(zhuǎn)中心與偏移量的和，必須與機(jī)器人夾具的旋轉(zhuǎn)中心保持一致，否則抓取時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大誤差。

為解決技術(shù)改造中遇到的這些難點(diǎn)，并選擇一個(gè)令人信任的技術(shù)解決方案，北京現(xiàn)代的技改部門在綜合比較技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品性價(jià)比、售后服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量等多種考慮下，決定選擇機(jī)器視覺領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)軍企業(yè)——康耐視公司。

雖然康耐視 In-Sight 產(chǎn)品支持多種工業(yè)通訊協(xié)議，但是在本次應(yīng)用中與機(jī)器人只是采用最簡單的 RS-232 串口通訊方式（見圖 8） 。

圖 8

在現(xiàn)場，機(jī)器人有兩個(gè)位置比較重要，一個(gè)是拍照位置，另一個(gè)是抓取位置，這兩個(gè)位置都有固定坐標(biāo)。對(duì)關(guān)鍵的圖像定位問題，康耐視 In-Sight 產(chǎn)品有其創(chuàng)新的解決方案。

1）得到基準(zhǔn)模型圖像。機(jī)器人由拍照位置走到抓取位置，然后把缸體移到夾具正好能夠正確抓到的位置，這個(gè)位置就是抓取的基準(zhǔn)位置。固定好缸體后，機(jī)器人從抓取位置回到照相位置，然后進(jìn)行拍照，得到的這張圖像就可以作為基準(zhǔn)模型圖像。

2）得到兩張抓取位置旋轉(zhuǎn)某個(gè)角度的圖像。在得到基準(zhǔn)模型圖像后，機(jī)器人由拍照位置再走到抓取位置，抓住缸體逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)某個(gè)角度（例如 CCW-10 度或 CW-10 度） ，然后松開缸體，再回到拍照位置進(jìn)行拍照，得到第二張圖像。同樣再按此步驟操作得到第三張圖像。

3）得到這三張圖像后，就可以在這三張圖像上用 PatMax工具查找同一特征點(diǎn)，根據(jù)得到的三個(gè)點(diǎn)就可以擬合出一個(gè)圓，這個(gè)圓的圓心坐標(biāo)就是機(jī)器人夾具的旋轉(zhuǎn)中心。具體如圖 9、圖 10 所示。

圖 9

圖 10

In-Sight 相機(jī)與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了完美的無縫配合，具體工作過程如下。

1）工件分層碼放在旁邊，每次只將一層工件放到拍照與抓取位置（如圖 11 所示） 。

圖 11

2）機(jī)器人在拍照前會(huì)事先知道這一層是如何擺放的。每個(gè)工件的拍照位置都是在機(jī)器人程序中事先設(shè)置好的。例如：抓取工件（0 度）時(shí)，機(jī)器人不需要旋轉(zhuǎn)，直接到拍照位置進(jìn)行拍照后抓取。在抓取工件（180 度）時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn) 180 度，然后再到拍照位置進(jìn)行拍照后抓取。同理，下一層的工件是以 90 度和 270 度進(jìn)行擺放的。

3）機(jī)器人到達(dá)拍照位置后，首先向相機(jī)發(fā)送 START1，讓相機(jī)進(jìn)行拍照檢測。如果定位成功，相機(jī)給機(jī)器人返回 OK。機(jī)器人在收到 OK 后，再向相機(jī)發(fā)送 SHIFT8。相機(jī)再把定位坐標(biāo)和角度返回給機(jī)器人。如果定位失敗，相機(jī)給機(jī)器人返回 NG。機(jī)器人會(huì)自動(dòng)微調(diào)當(dāng)前位置，然后再次發(fā)送 START1，讓相機(jī)重新拍照。直到檢測成功。相機(jī)拍照后，會(huì)把工件的當(dāng)前坐標(biāo)與當(dāng)初訓(xùn)練的基準(zhǔn)抓取位置坐標(biāo)相減，然后把坐標(biāo)差值和角度傳送給機(jī)器人，機(jī)器人以當(dāng)初訓(xùn)練的基準(zhǔn)抓取位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，然后再去抓取工件。

經(jīng)過一系列的現(xiàn)場測試，北京現(xiàn)代采用康耐視的 In-Sight 智能相機(jī)后，成功解決了令人撓頭的技術(shù)難題。 “康耐視的 PatMax 工具提出了視覺行業(yè)最佳的定位算法，即使在比較復(fù)雜的情況下也能提供非常準(zhǔn)確的定位。而且還提供了非常豐富的通訊方式，便于集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。 ”北京現(xiàn)代保全部的沈劍表示。

3）他對(duì) In-Sight 智能相機(jī)的表現(xiàn)給出了極高的評(píng)價(jià)， “經(jīng)過改造后，機(jī)器人工作很流暢，且抓取都很準(zhǔn)確，幾乎沒有定位不到的情況。在調(diào)試過程中，PatMax 工具的優(yōu)越性得到了淋漓盡致的體現(xiàn)，我們非常滿意。 ”

沈劍最后表示，在現(xiàn)場還有四臺(tái)現(xiàn)代機(jī)器人，情況與被改造工位很相似。 “在這臺(tái)機(jī)器人調(diào)試完畢時(shí)，我們就已經(jīng)開始準(zhǔn)備改造其他四臺(tái)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)了。 ”