VisionPro 3D软件：让抓取机器人在汽车发动机缸盖搬运中大显身手

安徽埃夫特智能装备有限公司(以下简称埃夫特公司)是一家专门从事工业机器人、大型物流储运设备及非标生产设备设计和制造的高新技术企业。埃夫特公司以“‘智’造自动化装备，解放人类生产力”为己任，致力成为国际一流的自动化装备制造商。

奇瑞汽车公司是埃夫特公司的重要客户之一，双方有着良好的合作关系。埃夫特机器人在奇瑞汽车等企业历经五年的苛刻考验和充分验证之后，被广泛推广到汽车及零部件、家电、电子、机械制造、日化、食品和药品、光电、钢铁等行业。

为提升奇瑞汽车的生产效率和节省人力成本，埃夫特公司曾经给奇瑞汽车开发了一台集成某公司3D视觉相机的机器人搬运系统，用于奇瑞汽车二发生产车间的缸盖抓取搬运，来取代过去人工搬运的作业方式。

该系统的3D视觉模式由一个2D相机和一组激光束组成，激光束采集被测物体的Z方向轮廓(即高度信息)，2D相机采集平面上的信息。这种模式要求机器人具有较高精度的匀速直线运动，以配合激光束的扫描，否则会经常出现扫描不到的现象，而且多次扫描也会影响生产节拍。

奇瑞汽车给埃夫特公司反映，该套系统生产节拍较慢，相机成本较高，性价比不高，不利于在同类型生产线推广。希望埃夫特公司给其开发一款同样满足其生产要求、但性价比更高的视觉抓取机器人。

但是，发动机缸盖的抓取搬运在应用中存在两个难题：1)发动机缸盖毛坯件来料是在一个托盘上成多排、多列、多层码垛，所以任意一个缸盖在空间的XYZ面值不固定，尤其是在垂直面Z面上，还有不大于20度的倾斜，机器人抓取不能采用轨迹固定式码垛拆跺方式，必须要获取每一个缸盖的坐标数据，来调整自身运行轨迹，从而达到柔性化抓取，实现柔性化搬运拆跺功能;2)该发动机缸盖生产线是共线生产，缸盖毛坯件品种多样化，每一垛来料在首次搬运前，都要通过判别缸盖毛坯件型号来切换搬运夹具。

奇瑞汽车提出需求后，埃夫特公司调研了目前世界上最著名的3D视觉制造商品牌，发现康耐视品牌在工业级视觉供应商排名中名列前茅，并且该公司在3D视觉应用上也有很多成功案例，尤其是在机器人3D视觉应用上。

于是，埃夫特公司与康耐视就此项目进行了深入交流，并展开合作。在康耐视强大的技术支持下，埃夫特公司开发出了集成Basler双目相机和康耐视VisionPro 3D软件的视觉抓取机器人(如图1所示)。该系统在抓取缸盖应用中，比前一套系统，不但在效率有大幅度提升、准确率达到100%，而且价格还有较大幅度降低。该机器人一经应用就获得了奇瑞汽车交口赞赏，并在工博会上赢得业界广泛的关注。

图1

“我们在不同的光学环境中，对不同型号的缸盖毛坯件进行了抓取测试，集成了VisionPro 3D软件的视觉抓取机器人，均出色的完成了抓取拆垛工作。”埃夫特公司的技术人员表示，“我们甚至模拟30度缸盖倾斜摆放来进行视觉抓取，令人惊讶的是，该机器人在各种情况下都能够成功抓取缸盖毛坯件。”

VisionPro 3D 软件能够提供准确和实时的3D位置信息，帮助改善在单独使用2D工具时所无法满足的视觉性能。VisionPro 3D为安装机器人上的相机，提供了应用程序上充分的灵活性，这基于康耐视领先的PatMax技术和其他校准技术。

工作原理如下：

1)3D视觉系统由安装在机器人末端法兰上面的双目工业相机、相应的数据采集卡及VisionPro 3D软件组成。

2)两个工业相机之间的距离与镜头的焦距有关，理论上距离越大越好，但考虑镜头焦距和图像畸变，要求在一定范围内，保证两个工业相机能同时拍摄到产品和可能随机移动的视野范围。

3)应用VisionPro 3D 软件需要进行视觉标定，视觉标定是使两个相机同时拍摄一个绝对精度较高的标定板(标定板布满20*20正方形的黑白边缘特征明显相间的平板)，工业相机从标定板向9个或9个以上不同位置拍照，根据机器人直角坐标系下的位置，拟合相机坐标系下的3D空间，并分别反馈2D和3D误差至用户。用户判定标定结果是否合格。图像特征提取需尽量采用产品特征较明显的特征或边缘轮廓，一个产品可提取多个特征点进行同时判断，可设置允许一个或两个特征点提取不到，以提高产品识别率。

4)产品的3D信息与机器人直角坐标应保持一致，通常为X、Y、Z、A、B、C。其中XYZ为产品中心点直角坐标系下的位置，ABC为产品中心点的姿态。为保持ABC与机器人的姿态表达一致，通常为XYZ、ZYZ等欧拉角及四元素表达方式。

工作过程如下：

标定好的3D视觉系统通过双目工业相机，来检测待上线的一垛缸盖毛坯产品。通过VisionPro 3D软件提取缸盖毛坯件的照片特征，并进行数据处理(如图2所示)，判断产品类型与坐标数据。并根据结果，产生相应的信号与数据通过TCP/IP协议以太网传送给机器人控制计算机，以便控制搬运机器人完成缸盖毛坯的搬运。

图2

具体工作流程如表1所示：

表1

集成了VisionPro 3D软件的双目视觉抓取机器人，大幅度降低了奇瑞汽车公司工人的劳动强度和企业生产成本，提高了效率和柔性化水平。

该系统具有良好的成本节约优势，能对零件式样与位置的变化进行管理，免去了成本高昂的精密夹具、机械料档和料盘，实现了人工作业的自动化;能精确定位码垛上的零件，延长生产线正常运行时间;并通过基本检验和零件识别功能提升产品质量。

“对于汽车生产厂家来说，应用了此机器人之后，我们可以很快地进行产品结构的调整，扩大产能，” 奇瑞汽车的工程师们评价道，“该款新型抓取搬运机器人具有广泛的应用前景。”

目前，在工业机器人领域，机器视觉技术正在大显身手。机器视觉技术与工业机器人、运动控制技术越来越紧密地结合，成为自动化领域内不可或缺的技术链环。在这些领域内，视觉技术的融入使运动及执行机构的反馈与控制变得更加智能化，大大提高了整个系统的衔接水平。

“在工业机器人行业，机器视觉技术主要充当机器人的眼睛，跟机器人配合用于各种产品的定位，为机器人抓取物体提供坐标信息。”埃夫特公司的技术人员指出，“这样的组合可谓强强组合，其潜力自然不言而喻，而康耐视作为视觉行业领军企业，其发展前景将会更为广阔。”