基于機(jī)器視覺的協(xié)作機(jī)器人裝配汽車外飾條的應(yīng)用

引言

汽車裝配車間是勞動(dòng)密集型車間,在人力資源日趨緊張的情況下,運(yùn)用機(jī)器人集成機(jī)器視覺可以有效實(shí)現(xiàn)工件特征復(fù)雜、來料狀態(tài)沒有精確定位的裝配件的自動(dòng)裝配。協(xié)作機(jī)器人與周邊作業(yè)人員有很好的交互環(huán)境,相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人更適用于勞動(dòng)密集型的總裝車間。協(xié)作機(jī)器人輕巧緊湊、節(jié)省空間、易于重新部署在多個(gè)應(yīng)用站位中,不會(huì)改變產(chǎn)線的生產(chǎn)布局,無需安全圍欄隔離也能運(yùn)行,可與產(chǎn)線員工實(shí)現(xiàn)共同協(xié)作。

1外飾條裝配作業(yè)要求

本文以勞動(dòng)強(qiáng)度大的汽車側(cè)圍外飾條壓緊工序?yàn)檠芯繉?duì)象,外飾條需在16℃以上溫度、63.7N(6.5kgf)以上壓力下才能達(dá)到90%的膠粘浸潤率,如圖1所示。由于操作員工無法長時(shí)間施加63.7N(6.5kgf)的壓力,易于疲勞作業(yè),無法保證裝配質(zhì)量,本工序采用協(xié)作機(jī)器人自動(dòng)作業(yè),以改善生產(chǎn)線人機(jī)狀態(tài)和操作環(huán)境,提升員工工作舒適性和滿意度。

2協(xié)作機(jī)器人外飾條自動(dòng)裝配站構(gòu)成

2.1自動(dòng)裝配站系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由四部分構(gòu)成:車輛跟蹤系統(tǒng)、輸送線跟蹤系統(tǒng)、機(jī)器視覺定位系統(tǒng)和協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng),系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖2所示。利用車輛跟蹤系統(tǒng)和輸送線跟蹤系統(tǒng)計(jì)算車輛進(jìn)入工位的位置信息,機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像處理提取特征,并通過訓(xùn)練模板確定標(biāo)準(zhǔn)位置圖像,結(jié)合相機(jī)與機(jī)械手的坐標(biāo)系標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)定位功能。

圖2  系統(tǒng)整體構(gòu)成

2.2自動(dòng)裝配站作業(yè)原理

車輛跟蹤和輸送線跟蹤系統(tǒng)是利用光柵記錄車輛進(jìn)入工位的起始位置,利用旋轉(zhuǎn)編碼器跟蹤板鏈輸送線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并計(jì)算板鏈運(yùn)動(dòng)距離。當(dāng)車輛側(cè)圍外飾條特征進(jìn)入到機(jī)器人作業(yè)空間時(shí),協(xié)作機(jī)器人通過伺服隨行機(jī)構(gòu)保持與板鏈同步。機(jī)器人通過激光測(cè)距儀計(jì)算車身的位置狀態(tài),同時(shí)移動(dòng)視覺系統(tǒng)到與車輛Y向等距離的位置拍攝特征圖像,更準(zhǔn)確定位特征X、Z的坐標(biāo),如圖3所示。

圖3  激光測(cè)距引導(dǎo)視覺系統(tǒng)偏移至準(zhǔn)確位置

2.3機(jī)器視覺定位

機(jī)器視覺系統(tǒng)利用側(cè)圍外飾條和車身搭接的特征進(jìn)行圖像提取,圖像處理使用蝕刻、使均衡、二元化等工具,使特征與背景區(qū)分開,以便提取,如圖4所示。

圖4  分別經(jīng)過蝕刻、使均衡、二元化處理的效果

蝕刻:指定一個(gè)"蝕刻"操作,該操作可減少圖像的亮特性,其結(jié)果是輸出的圖像具有較大的黑色像素區(qū)域。用于去除光斑、噪聲像素和/或小缺陷。

使均衡:指定一個(gè)直方圖均衡化操作,該操作提取輸入圖像的直方圖,并展開最頻繁的灰度值,以創(chuàng)建更均勻的分布,結(jié)果是輸出圖像的對(duì)比度增加。這種類型的濾鏡適用于光線從一張圖像到另一張圖像可能略有變化的環(huán)境,或者被檢查對(duì)象的某些方面可能略有變化的環(huán)境。

二元化:指定一個(gè)黑白(二進(jìn)制)閾值操作,該操作將每個(gè)輸入像素與閾值級(jí)別進(jìn)行比較,以確定輸出像素是白色還是黑色。輸入像素值等于或大于閾值參數(shù)值為白色,閾值以下的值為黑色。

造成定位失敗或偏差較大的因素有:(1)外界光的影響會(huì)造成輪廓邊界有偏移或缺失:(2)車輛與相機(jī)相對(duì)位置有變化時(shí),會(huì)造成輪廓線變形、變大或縮小:(3)由于各個(gè)型號(hào)集成在同一個(gè)程序中,車輛顏色種類較多。

解決方案:(1)增加光源補(bǔ)光,減少外界光源影響:(2)優(yōu)化特征選取工具,使程序即使產(chǎn)生輪廓變形也能檢測(cè)到:(3)優(yōu)化圖像處理工具,提高相機(jī)檢測(cè)程序兼容性。

在周邊設(shè)置穩(wěn)定光源,不同顏色車輛的差異化圖像處理,使定位成功率達(dá)到99.8%。

2.4協(xié)作機(jī)器人力控方式

機(jī)器人按視覺定位和激光測(cè)距輸入空間位置,利用集成的滾壓工裝按相應(yīng)軌跡進(jìn)行自動(dòng)滾壓。機(jī)器人的力作用傳感器根據(jù)工裝反饋的受力情況適當(dāng)Y向進(jìn)給,保證作用在工件上的力穩(wěn)定在設(shè)置值98N(10Nkg),保證3M膠有效粘連。通過驗(yàn)證,該過程軌跡1oo%覆蓋裝配點(diǎn),裝配點(diǎn)受力完全滿足技術(shù)要求。

3結(jié)語

本文介紹了在汽車裝配車間利用協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的案例,在裝配輸送線上整車位置不一致,需要采用視覺技術(shù)、激光測(cè)距等傳感器測(cè)量定位車輛位置,根據(jù)視覺系統(tǒng)的定位坐標(biāo)機(jī)器人完成設(shè)定程序,有效實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜狀態(tài)下的機(jī)器人作業(yè)。同時(shí),在裝配車間人員密度大、活動(dòng)復(fù)雜,協(xié)作機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)可以有效利用現(xiàn)有空間,并且保證其他作業(yè)人員安全。利用協(xié)作機(jī)器人可以執(zhí)行路徑復(fù)雜、繁重的勞動(dòng),有效改善生產(chǎn)員工人機(jī)環(huán)境,提升產(chǎn)品質(zhì)量。