项目实战-机器人视觉对位系统

项目实战-机器人视觉对位系统
作者：黄龙-机器人及机器视觉高级应用工程师
综述
A070项目是一项头戴式耳机内部零部件组装设备的开发项目，该设备欲集成如下5个功能：喇叭焊线，左右耳零件组装，打螺丝，打胶，贴不织布，其中视觉定位系统将用于识别流水线上来料中的左耳配件与右耳配件（左右耳配件为轴对称）并将其坐标信息与旋转角度值反馈给机器人，引导其准确稳定的抓取流水线上的配件并将其装配于耳机组件之上，设备整体如下图所示：

装配时需保证耳机配件的三个小耳朵与对应的螺丝孔对准，该装配可允许的误差小于±0.05mm，装配件展示如下图所示：

硬件简介
■ EPSON C4-A901机器人
整台设备的核心，该机器人小巧，快速，精度高.
整体质量：29kg
工作半径：900mm
负载（KG）：Max 4 / Rated 1
重复定位精度：±0.03mm
循环时间：0.47s
对比：
FANUC LR MATE 200iD系列：
LR MATE 200iD/7L
整体质量：27kg
工作半径：911mm
负载（KG）：7
重复定位精度：±0.03mm

ABB IRB140
整体质量：98kg
工作半径：810mm
负载（KG）：6
重复定位精度：±0.03mm

KUKA KR 6 R900 SIXX
整体质量：52kg
工作半径：901mm
负载（KG）：6
重复定位精度：<±0.03mm
该机器人可通过PC进行程序的编写（利用EPSON RC+软件），支持以太网通讯。
■ 相机
采用BASLER acA2500-14gm，该相机为coms相机，靶面尺寸为1/2.5 inch，分辨率为2592*1944，快门方式为rolling shutter，因此拍照时必须保证物体静止。
选该型号相机的原因：
首先，基于BASLER现有型号；
其次，对精度有较高要求；
最后，同分辨率的CCD相机价格过高且global shutter的产品暂未开始销售。
■ 镜头
RICOH  FL-CC5028-2M 焦距为50mm，最小工作距离900mm，选取如此长焦距的镜头主要是因为：
1. 工作距离需大于800mm，给机器人足够的抓取空间
2. 精度要求高，需将视野做小。
如需降低工作距离，可考虑更换为35mm镜头，但视野需根据工况调整
■ 光源
乐视LTS-RN20000-W，环形白色光源，外径200mm。选取该光源，则机器人需将手抓伸入光源进行抓取。不是最佳选择，主要由以下条件决定：
1. 被检测物的主要特征均为圆形台阶，低角度环形光效果更好
2. 机器人抓取需要一定的动作空间。
由于机器人需进入环形光源的中间进行抓取，因此机器人端需对抓取范围进行限制，当目标坐标出现超出范围的情况时（此时机器人进行抓取时，会碰撞光源），机器人需停止动作并报警。
■ 抓手
由于该机器人需要进行5个工位的动作，且需要抓取焊枪，胶枪，电批这些工具，因此机器人末端必须采用抓手的形式。为了能够稳定的抓取装配件，抓手最末端按照装配件的尺寸铣成圆弧形。

软件简介
软件方面主要是指视觉定位系统，该系统是基于windows操作系统运行的一款自主研发设计的视觉图像处理软件.具备如下功能：
1. 相机操作
2. 配合机器人完成坐标标定
3. 图像提取并处理，可根据图像质量调整图像处理参数
4. 计算目标在机器人坐标系下的坐标与角度
5. 通过TCP/IP协议，将坐标信息发送至机器人接收端
6. 保存并记忆操作参数与图像模板

现场实施流程
1. 接线
该项目接线工作较少，大多为成品电缆线，直接插入插座即可，只需连接简单的几条通讯线即可：
■ 相机触发信号线
相机触发信号电压为0V~24V，可根据需求调整为上升沿触发或下降沿触发，电压范围定义如下：

2. 捕捉图像测试
首先，打开相机厂家提供的相机操作软件进行测试，当给出满足电压条件的IO信号后，相机是否正常拍照。
然后，打开视觉定位软件，在次测试图像捕获功能是否正常。
调整光源亮度，是目标图像清晰，特征明确。
3. 通讯测试
测试与机器人的通讯是否正常，软件采用模拟方式进行数据发送，观察机器人端接收是否正常，如果不正常可采用通讯调试助手类软件进行辅助测试，确认问题点。
4. 坐标标定
完成坐标标定，需要机器人端进行配合，需注意以下几点：
a. 必须在机器人运动时的坐标系下进行标定（一般为工具坐标系）
b. 如果机器人末端执行机构为吸嘴，可直接对其进行对点标定，但如果末端执行机构为抓手，则需通过抓手抓取一个末端为圆柱型的物体进行标定对点。为抓手时需注意以下几点：
（1）抓取的辅助标定物尽量与实际工件高度相同
（2）抓取须牢靠，被抓位置尽量与工件被抓处形状，尺寸相同。
（3）工具坐标系的建立需以抓取辅助标定物为基准
5. 完成标定后，可利用软件中的“验证标定参数”进行反算验证，如下图：

6. 图像设置
主要根据目标特征进行设置，一般该项功能的程序部分是在现场修改的频率最高，因为他需要根据现场的真实情况进行策略的调整，如：
★ 左右耳治具对称放置，需添加角度补偿
★ 图像中可能会出现其他另一工件的某一部分，需加入限制，避免干扰与误判
★ 将测试版本中的一些设置进行简化
下图分别为调整前与调整后的界面以及特征选取区域：

7. 机器人联调
完成以上设置与测试后，视觉部分的基础工作已经完成，但这并不代表机器人端就能够准确的抓取目标物体。抓取结果还将受到机器人工具坐标系以及抓手的仿形程度的影响。
项目问题
◆. 工具坐标系校正不准确
现象：在工具坐标系下旋转Z轴，出现抓手末端偏心旋转
原因：缺少与目标工件仿形的顶尖对准工具
解决方法：更换校正工具
◆. 标定不准确
现象：坐标验证时发现反算结果有偏差
原因：对准标定纸的圆形时，不易对准，出现偏差。
解决方法：可考虑将以后的标定图形更换为如下：

抓手抓取顶尖进行对点标定即可。
◆. 抓取不准
当出现抓取不准确时，成因较多，但是大致可以考虑以下两个方向：
■ 抓取时工件出现窜动
该现象直接导致，抓取后的工件坐标以及角度与拍照时的状态发生了变化，这直接导致装配不准确。
产生原因：
（1）抓手仿形不准确
（2）工具坐标系不准确，旋转时出现偏心现象
■ 视觉计算出错
出现计算错误，一般都是由标定参数计算不准确造成：
（1）检查对应标定点的像素坐标是否与机器人坐标一一对应
（2）标定图像是否与机器人标定图纸相符
（3）通过“验证标定功能”进行反算验证。
总结
关于该项目视觉部分，较之前两个视觉项目而言是比较顺利的，本次视觉软件部分共修改23次，其中在现场进行的修改约为10个版本（之前项目在现场更改版本次数基本在40次以上），主要是根据需求修正定位参数，修正bug一处（显示界面卡死），完善细节两处（标定圆面积实现数字输入，字体大小以及颜色修改）。
本次项目进行的较之前顺利主要因为以下几方面原因：
1. 应用较简单，之前有过类似项目经验，视觉软件框架也趋于稳定。
2. 前期准备较为充分，现场问题基本预想到并在去现场之前解决
3. 机器人配合充分
不足：
体现在对机器人应用的理解不够充分，对出现的一系列机器人问题缺乏快速定位与解决的能力。
针对现场应用的前期准备越充分，现场所遇的问题就越少，越可控。
附件
EPSON机器人TOOL坐标系校准
1. 打开“机器人管理器”
2. 工具坐标系设置
点击“工具向导”，共有两种模式（注：较低版本的RC+没有2D工具）
3. 使用经验
不管是4轴还是6轴机器人，均可采用三点法进行校准，一般可按照“工具向导”提示的步骤进行校准；
也可按照如下方法：
■ U=0，V=0，W=180,保持该姿态对准MARK点
■ U=180，V=0，W=180，保持该姿态对准MARK点
■ U=0，V=0，W=180±X，如果空间满足，可将X的值放大些，如果空间不够可将X的值适当缩小。保持姿态，对准MARK点。
以上方法，在现场的C4-A901机器人中有过测试，效果不错，但由于外界因素过多未能做到精确地校准不。
与RC+7.1.1软件中的3点示教方式的区别在于减少了V轴的角度调整。
建议：建立工具坐标系时最好使用顶尖工具进行对准
当工具末端为抓手时，如何更好的设置工具坐标系？
可尝试抓取一个顶尖，抓取处需与最终物料形状相同。