安徽埃夫特智能裝備有限公司（以下簡稱埃夫特公司）是一家專門從事工業(yè)機(jī)器人、大型物流儲運設(shè)備及非標(biāo)生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計和制造的高新技術(shù)企業(yè)。埃夫特公司以“‘智’造自動化裝備，解放人類生產(chǎn)力”為己任，致力成為國際一流的自動化裝備制造商。

奇瑞汽車公司是埃夫特公司的重要客戶之一，雙方有著良好的合作關(guān)系。埃夫特機(jī)器人在奇瑞汽車等企業(yè)歷經(jīng)五年的苛刻考驗和充分驗證之后，被廣泛推廣到汽車及零部件、家電、電子、機(jī)械制造、日化、食品和藥品、光電、鋼鐵等行業(yè)。

為提升奇瑞汽車的生產(chǎn)效率和節(jié)省人力成本，埃夫特公司曾經(jīng)給奇瑞汽車開發(fā)了一臺集成某公司3D視覺相機(jī)的機(jī)器人搬運系統(tǒng)，用于奇瑞汽車二發(fā)生產(chǎn)車間的缸蓋抓取搬運，來取代過去人工搬運的作業(yè)方式。

該系統(tǒng)的3D視覺模式由一個2D相機(jī)和一組激光束組成，激光束采集被測物體的Z方向輪廓（即高度信息），2D相機(jī)采集平面上的信息。這種模式要求機(jī)器人具有較高精度的勻速直線運動，以配合激光束的掃描，否則會經(jīng)常出現(xiàn)掃描不到的現(xiàn)象，而且多次掃描也會影響生產(chǎn)節(jié)拍。

奇瑞汽車給埃夫特公司反映，該套系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)拍較慢，相機(jī)成本較高，性價比不高，不利于在同類型生產(chǎn)線推廣。希望埃夫特公司給其開發(fā)一款同樣滿足其生產(chǎn)要求、但性價比更高的視覺抓取機(jī)器人。

但是，發(fā)動機(jī)缸蓋的抓取搬運在應(yīng)用中存在兩個難題：1）發(fā)動機(jī)缸蓋毛坯件來料是在一個托盤上成多排、多列、多層碼垛，所以任意一個缸蓋在空間的XYZ面值不固定，尤其是在垂直面Z面上，還有不大于20度的傾斜，機(jī)器人抓取不能采用軌跡固定式碼垛拆跺方式，必須要獲取每一個缸蓋的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，來調(diào)整自身運行軌跡，從而達(dá)到柔性化抓取，實現(xiàn)柔性化搬運拆跺功能；2）該發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)線是共線生產(chǎn)，缸蓋毛坯件品種多樣化，每一垛來料在首次搬運前，都要通過判別缸蓋毛坯件型號來切換搬運夾具。

奇瑞汽車提出需求后，埃夫特公司調(diào)研了目前世界上最著名的3D視覺制造商品牌，發(fā)現(xiàn)康耐視品牌在工業(yè)級視覺供應(yīng)商排名中名列前茅，并且該公司在3D視覺應(yīng)用上也有很多成功案例，尤其是在機(jī)器人3D視覺應(yīng)用上。

于是，埃夫特公司與康耐視就此項目進(jìn)行了深入交流，并展開合作。在康耐視強(qiáng)大的技術(shù)支持下，埃夫特公司開發(fā)出了集成Basler雙目相機(jī)和康耐視VisionPro3D軟件的視覺抓取機(jī)器人（如圖1所示）。該系統(tǒng)在抓取缸蓋應(yīng)用中，比前一套系統(tǒng)，不但在效率有大幅度提升、準(zhǔn)確率達(dá)到100%，而且價格還有較大幅度降低。該機(jī)器人一經(jīng)應(yīng)用就獲得了奇瑞汽車交口贊賞，并在工博會上贏得業(yè)界廣泛的關(guān)注。

圖1

“我們在不同的光學(xué)環(huán)境中，對不同型號的缸蓋毛坯件進(jìn)行了抓取測試，集成了VisionPro3D軟件的視覺抓取機(jī)器人，均出色的完成了抓取拆垛工作。”埃夫特公司的技術(shù)人員表示，“我們甚至模擬30度缸蓋傾斜擺放來進(jìn)行視覺抓取，令人驚訝的是，該機(jī)器人在各種情況下都能夠成功抓取缸蓋毛坯件。”

VisionPro3D軟件能夠提供準(zhǔn)確和實時的3D位置信息，幫助改善在單獨使用2D工具時所無法滿足的視覺性能。VisionPro3D為安裝機(jī)器人上的相機(jī)，提供了應(yīng)用程序上充分的靈活性，這基于康耐視領(lǐng)先的PatMax技術(shù)和其他校準(zhǔn)技術(shù)。

工作原理如下。

1）3D視覺系統(tǒng)由安裝在機(jī)器人末端法蘭上面的雙目工業(yè)相機(jī)、相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡及VisionPro3D軟件組成。

2）兩個工業(yè)相機(jī)之間的距離與鏡頭的焦距有關(guān)，理論上距離越大越好，但考慮鏡頭焦距和圖像畸變，要求在一定范圍內(nèi)，保證兩個工業(yè)相機(jī)能同時拍攝到產(chǎn)品和可能隨機(jī)移動的視野范圍。

3）應(yīng)用VisionPro3D軟件需要進(jìn)行視覺標(biāo)定，視覺標(biāo)定是使兩個相機(jī)同時拍攝一個絕對精度較高的標(biāo)定板（標(biāo)定板布滿20*20正方形的黑白邊緣特征明顯相間的平板），工業(yè)相機(jī)從標(biāo)定板向9個或9個以上不同位置拍照，根據(jù)機(jī)器人直角坐標(biāo)系下的位置，擬合相機(jī)坐標(biāo)系下的3D空間，并分別反饋2D和3D誤差至用戶。用戶判定標(biāo)定結(jié)果是否合格。圖像特征提取需盡量采用產(chǎn)品特征較明顯的特征或邊緣輪廓，一個產(chǎn)品可提取多個特征點進(jìn)行同時判斷，可設(shè)置允許一個或兩個特征點提取不到，以提高產(chǎn)品識別率。

4）產(chǎn)品的3D信息與機(jī)器人直角坐標(biāo)應(yīng)保持一致，通常為X、Y、Z、A、B、C。其中XYZ為產(chǎn)品中心點直角坐標(biāo)系下的位置，ABC為產(chǎn)品中心點的姿態(tài)。為保持ABC與機(jī)器人的姿態(tài)表達(dá)一致，通常為XYZ、ZYZ等歐拉角及四元素表達(dá)方式。

工作過程如下。

標(biāo)定好的3D視覺系統(tǒng)通過雙目工業(yè)相機(jī)，來檢測待上線的一垛缸蓋毛坯產(chǎn)品。通過VisionPro3D軟件提取缸蓋毛坯件的照片特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（如圖2所示），判斷產(chǎn)品類型與坐標(biāo)數(shù)據(jù)。并根據(jù)結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)的信號與數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)傳送給機(jī)器人控制計算機(jī)，以便控制搬運機(jī)器人完成缸蓋毛坯的搬運。

圖2

具體工作流程如表1所示。

表1

集成了VisionPro3D軟件的雙目視覺抓取機(jī)器人，大幅度降低了奇瑞汽車公司工人的勞動強(qiáng)度和企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了效率和柔性化水平。

該系統(tǒng)具有良好的成本節(jié)約優(yōu)勢，能對零件式樣與位置的變化進(jìn)行管理，免去了成本高昂的精密夾具、機(jī)械料檔和料盤，實現(xiàn)了人工作業(yè)的自動化；能精確定位碼垛上的零件，延長生產(chǎn)線正常運行時間；并通過基本檢驗和零件識別功能提升產(chǎn)品質(zhì)量。

“對于汽車生產(chǎn)廠家來說，應(yīng)用了此機(jī)器人之后，我們可以很快地進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，擴(kuò)大產(chǎn)能，”奇瑞汽車的工程師們評價道，“該款新型抓取搬運機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景。”

目前，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)器視覺技術(shù)正在大顯身手。機(jī)器視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人、運動控制技術(shù)越來越緊密地結(jié)合，成為自動化領(lǐng)域內(nèi)不可或缺的技術(shù)鏈環(huán)。在這些領(lǐng)域內(nèi)，視覺技術(shù)的融入使運動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋與控制變得更加智能化，大大提高了整個系統(tǒng)的銜接水平。

“在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，機(jī)器視覺技術(shù)主要充當(dāng)機(jī)器人的眼睛，跟機(jī)器人配合用于各種產(chǎn)品的定位，為機(jī)器人抓取物體提供坐標(biāo)信息。”埃夫特公司的技術(shù)人員指出，“這樣的組合可謂強(qiáng)強(qiáng)組合，其潛力自然不言而喻，而康耐視作為視覺行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，其發(fā)展前景將會更為廣闊。”