基于3D視覺的動車組車窗機器人玻璃安裝與涂膠系統

魏京利，齊立哲，孫篤玲

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.廊坊智通機器人系統有限公司，河北 廊坊 065001）

動車組側窗玻璃的密封性能是衡量動車車輛質量的重要指標之一，玻璃安裝及涂膠過程是動車組裝很重要的一個環節.目前主要由人工完成，人工在此過程的作業存在效率低、勞動強度大等問題，特別是隨著高鐵事業的快速發展，對車輛的需求越來越大，人工作業的問題越來越突出.在這種背景下，開發自動化的側窗玻璃安裝及涂膠設備具有重要的現實意義.

很多學者及單位在汽車玻璃自動化安裝與涂膠方面進行了研究并設計了相關系統，劉穎等人［1］根據設計實踐及理論介紹了幾種玻璃涂膠機器人工作站或生產線的總體布局方案并進行分析比較；任令章［2］采用2D視覺系統，解決了機器人無夾具定位手爪對各種型號車頂的位置定位、搬運和涂膠的要求；唐德威等人［3］對涂膠機器人智能系統的視覺部分進行了應用研究，系統引入了模式識別、基于圖像的NC代碼生成、膠線表面質量檢測等關鍵技術；郗安民等人［4］設計了汽車前后擋風玻璃機器人涂膠工作站；黃繼偉［5］介紹了一種用于汽車車身的涂膠工作站；于國輝［6］介紹了機器人涂膠示教過程中存在的幾個常見難題，對其進行了分析并給出了處理方法.

本文介紹了一種針對高速動車組車窗自動化玻璃安裝與涂膠的機器人系統，該系統主要包含機器人系統、三維視覺定位系統、玻璃吸盤及涂膠系統.采用三維視覺定位技術，使系統無需設計機械定位裝置，就能夠保證機器人正確抓取玻璃并能自動實現玻璃安裝及涂膠過程；設計了實驗系統并對相關問題進行了實驗研究，驗證了系統設計的有效性；采用此系統可以大大提高生產效率、降低人工勞動強度及保證生產質量.

1 動車組車窗機器人玻璃安裝與涂膠系統

如圖1所示，此機器人涂膠系統主要包括機器人及其控制器、機器人導軌、涂膠系統、玻璃上下料臺及中轉臺及3D視覺系統等，其中3D視覺系統采用廊坊智通機器人系統有限公司開發的機器人三維激光掃描系統.

圖1 系統仿真布局圖

2 玻璃及車窗定位方案

為了實現動車組車窗玻璃自動安裝及涂膠過程，需要對玻璃和車窗進行定位.下面詳細介紹機器人3D視覺系統測量原理及玻璃和車窗的定位過程.

2.1 視覺系統測量原理

機器人視覺測量系統包括機器人、掃描儀及被掃描物體，此系統有幾個重要的坐標系，如圖2所示.

Base:機器人基坐標系，是整個系統的固定不變的參考坐標系.

圖2 視覺系統測量原理圖

Tool0:法蘭盤坐標系，是固定在機器人末端，隨機器人運動而變化的坐標系.

Scanner:掃描儀坐標系，是三維掃描儀固有的一個坐標系.

其中Tool0與Base之間的轉換矩陣通過機器人內部參數已知；Scanner與Tool0之間的轉換矩陣通過標定也已知，這樣空間中物體上的某一點m的空間坐標可通過下式得到:

其中:BasePm為被掃描點在世界坐標下的坐標，BaseTTool0為機器人末端位姿，Tool0TScanner為三維掃描儀坐標系與法蘭盤坐標系的轉換矩陣，ScannerPm為被掃描點在三維掃描儀坐標系下的坐標.

通過機器人的運動，便可以獲得空間中多個點的坐標，從而重構出物體的三維模型.

2.2 機器人定位過程

玻璃及車窗機器人定位過程具體如下:

（1）通過機器人視覺掃描系統測量出工件的三維模型；

（2）采用ICP算法［7］，對前掃描點云與標準點云進行匹配，獲得玻璃在空間內的位姿變化量ΔT；

（3）根據計算出的玻璃在空間內的位姿變化量，調整機器人位姿，實現玻璃的定位過程:機器人一般會有相應的運動指令，如MoveLP，speedX，z1，ToolX＼WObj:＝wobjX），執行此指令，機器人會運動到目標位姿P（這里為機器人抓玻璃的點，一般預先示教）.當玻璃位姿發生變化時，機器人執行此指令時就不能正確抓玻璃、安裝玻璃及涂膠了，需要通過下式對目標位姿進行校準:

其中P為預先示教的機器人抓取玻璃的位姿點，P′為計算出來的新的機器人抓玻璃的位姿點.

通過上述過程，即使玻璃或者車窗位置發生變化，機器人也能正確抓取玻璃并安裝到車窗上去及實現涂膠過程.

3 實驗過程

3.1 實驗系統

實驗系統組成如圖3所示.機器人采用ABB6620型機器人，它專為汽車工業客戶度身定制，除ABB標志性的防碰撞、低維修成本之外，增添了緊湊性、敏捷性等多種特色；三維掃描儀采用廊坊智通機器人系統有限公司的三維激光掃描儀.

圖3 實驗系統組成

3.2 實驗過程介紹

（1）示教一個機器人抓玻璃的初始位置，如圖4所示.

圖4 機器人抓玻璃初始位置

（2）人為改變玻璃支架位置，此時如果還按機器人原來程序執行，機器人抓玻璃的位置會發生變化，如圖5所示.由于玻璃位置發生了變化，如果直接抓取玻璃，后面就不能正確將玻璃安裝到車窗上去.

（3）玻璃掃描、定位:經過機器人三維激光掃描儀，對玻璃進行掃描后，自動找到玻璃移動后的位置，玻璃掃描過程、掃描結果及定位過程如圖6、7所示.

（4）更新機器人程序，重新執行機器人程序，機器人抓取玻璃的位置又恢復到了初始示教的位置，如圖8所示.

圖5 機器人抓玻璃位置變化比較圖

圖6 玻璃掃描過程

圖7 掃描結果及定位過程

圖8 機器人校準后的抓玻璃位置

圖9 機器人玻璃安裝及涂膠過程

（5）程序更新后的玻璃安裝及涂膠過程如圖9所示.通過實驗過程和結果可知，當玻璃位置發生一定變化時，通過三維視覺系統可以對其進行重新定位，為實現自動化玻璃安裝及涂膠過程提供了有力的技術保障；采用3D視覺系統可以對工件的空間定位誤差進行測量，相比傳統2D視覺系統更具有通用性.

4 結束語

基于三維掃描視覺系統開發了具有定位功能的動車組車窗安裝玻璃及涂膠機器人系統，詳細介紹了系統的組成、玻璃及車窗定位方案及實驗過程，為動車組車窗安裝玻璃及涂膠過程提出了一套自動化應用方案.此系統的開發成功，可以大大提高生產效率、降低人工勞動強度及保證生產質量.

［1］劉穎，郗安民，鄒靜，等.轎車擋風玻璃涂膠機器人作業方案分析［J］.機電產品開發與創新，2005，18（1）:30－31.

［2］任令章.視覺系統在機器人車頂涂膠手爪上的應用［J］.制造業自動化，2010，32（4）:148－151.

［3］唐德威，宗德祥，鄧宗全，等.涂膠機器人視覺系統的應用研究［J］.機器人，2006，28（1）:1－4.

［4］郗安民，劉穎，狄春良，等.汽車玻璃涂膠機器人工作站［J］.機電產品開發與創新，2004，17（5）:39－40.

［5］黃繼偉.機器人車身涂膠系統的應用［J］.汽車工藝與材料，2011（2）:51－56.

［6］于國輝.機器人涂膠示教系統難題的處理［J］.中國設備工程，2010（6）:32－33.

［7］李必卿，蔡勇.一種改進的ICP算法在多視配準中的應用［J］.機械工程師，2009（2）:73－75.