氣閥裝配視覺系統標定方法研究

巴和平

（沈陽遠大壓縮機制造有限公司，沈陽110141）

0 引 言

氣閥是往復壓縮機上重要的部件，用于控制氣缸的進氣和排氣。大型往復壓縮機的氣閥通常需要人工裝配，由于氣閥裝配工藝復雜，通常需要多人合作才能完成裝配工作，耗時耗力，且工作效率底下。為節約勞動力成本，提高生產效率，應用具有視覺系統的裝配機器人完成氣閥裝配工作是壓縮機設計研究的重要方向。國外科研機構的研究主要針對 實現裝配功能，采用視覺系統來對提高零部件安裝的精度，同時力控組態軟件可以讓裝配機器人模仿人的觸覺，改善安裝零件時的安裝力度，確保安裝的合理性[1-3]。機器視覺已廣泛應用于航空航天、微觀識別、自動駕駛等多個先進技術領域，通過大批量的智能化生產形成了完整的產業鏈。我國目前對裝配機器人的研究還處于初級階段，技術還不成熟，主要表現為在精度工藝和控制算法上還不能與國外技術相比，大部分應用仍處于半自動化的低端產業。但隨著機器視覺在工業制造及商業、安全等各領域中的廣泛應用，對機器視覺的研究已成為目前的研究熱點，主要集中在視覺識別算法的改進與應用[4-6]和傳感器設計與應用[7-8]。

本文基于OpenCV和Visual C技術對氣閥裝配機器人系統的手眼標定技術進行了研究，目的是使裝配機器人在視覺系統的引導下完成對氣閥進行識別、抓取、安裝一系列的操作，并達到一定的定位精度。所采用的機器人系統為埃斯頓6R串聯關節機器人，研究機器人的視覺開發，用于對氣閥進行識別、抓取，使得工廠車間的工作效率得到提高，降低生產的人力成本，在工業裝配與搬運應用方面具有重要的實用價值。

1 視覺裝配系統構成

在本項目中用于裝配的氣閥是2D80組合壓縮機設備的網狀氣閥組件，是用于控制氣缸進出氣體的關鍵部件。氣閥質量約為2.5 kg, 整體高度為45 mm，直徑為125 mm,結構如圖1所示。氣閥外圍左右兩側各分布一個直徑為5 mm的掛銷，用于裝配時的定向和定位，使氣閥與閥孔按正確的位置關系緊固。然后固定壓閥罩，使氣閥全部進入閥孔，然后旋轉一定角度固定。裝配機器人的任務就是代替人工完成上述工作。為了實現裝配機器人的全自動精確識別氣閥位置，采用埃斯頓六軸串聯機器人配合機器視覺的方法來實現。機器視覺通過識別采集氣閥的形狀和位置，反饋到機器人控制系統，引導機械臂末端執行器至準確的目標位置，對氣閥進行抓取。

圖1 氣閥結構圖

裝配機器人的定位精度取決于機械系統精度、控制系統特性及傳感器精度等因素，其中機械系統精度主要與機構的幾何誤差、裝配誤差等有關，控制系統精度由控制器動態響應能力和控制算法誤差決定[9]。視覺傳感器被用于測量機器人末端位置，其反饋信息的準確性對機器人完成裝配作業任務至關重要。對裝配機器人進行手眼標定是改善裝配機器人的定位精度的必要步驟之一。機器人搭建視覺定位平臺模型，如圖2所示。工作臺位于機器人工作空間內，且與機器人本體處于同一工作平面，機器人末端執行器上安裝CCD相機，工作空間內安裝有環形環境光源。由于氣閥只需要在加工面定位，因此采用單目相機識別系統。

2 視覺系統標定

視覺系統標定包括兩方面內容，一方面需要對相機本身的參數進行標定，另一方面需要對相機相對于機器人系統的關系進行標定，這樣才能保證整個視覺系統對目標識別的準確性，為后續控制機器人抓取裝配打下基礎。

2.1 相機標定

機器視覺系統對真實事物的還原存在誤差，造成誤差一部分原因與相機自身相關，主要來源于傳感器制造誤差與鏡頭制造和安裝誤差。對相機本身參數的標定包括相機自標定法、傳統標定法、主動視覺標定。本文采用主動視覺標定法。

主動視覺標定法應用相機模型表示三維空間中的一點P到相機屏幕的投影關系，建立坐標系如圖3所示。

如圖4 所示，圖像坐標系OXYZ 和像素坐標系OCXCYCZC都在成像平面上，并存在以下關系：

式中：f為攝像機焦距；x、y為點P在攝像機成像平面上的坐標；XC、YC、ZC為點P在相機坐標系上的坐標。

相機采用的光學鏡頭通過成像原理可將三維空間中的點轉換成二維圖像，由于光學透鏡制造精度及組裝工藝所造成的偏差引起成像后的二維圖像與實際圖像存在不同程度的幾何畸變，這種畸變表現為經相機成像的圖像出現色彩和形狀的失真，會明顯影響視覺識別的效率和準確性。

鏡頭的畸變分為徑向畸變和切向畸變兩類：

1）徑向畸變。因透鏡本身結構特點，當光線照射到透鏡邊緣時，其曲率更大，導致光線沿透鏡在徑向彎曲程度變大，造成圖像發生枕形與桶形畸變。

2）切向畸變。由于相機組裝工藝偏差導致成像平面與透鏡平面平行度誤差過大，將導致圖像在某個角度出現偏斜或畸變，這種畸變為切向畸變。

針對以上畸變，需要通過標定對攝像機畸變進行糾正，其具體方法如下：基于機器人視覺定位平臺，采用棋盤格標定板，使相機以不同的角度拍攝標定板，得到多組拍攝圖像，將拍攝的方格角點的像素標號與標定板坐標系下的坐標對應，訓練相機的內、外參數和畸變參數如圖4所示。

圖4 多角度標準標定圖

2.2 手眼標定

手眼標定是消除機器人系統因幾何誤差造成的精度不足的重要步驟，手眼標定一般有Eye-in-hand和Eye-tohand兩種方式[10]，本文采用Eye-in-hand標定方式，即將相機固定在機械手末端執行器上，在這種情況下，標定目標坐標系與機器人基坐標系之間的關系。

首先需要建立機器人系統坐標系，如圖5所示。其中Base是機器人基坐標系，Cam為攝相機坐標系，T為工具坐標系（末端執行器坐標系），Cal為目標坐標系。標定的方法是通過各坐標系之間的坐標變換求取機器人未知參數變量信息，根據機器人運動學，目標坐標系與機器人基坐標系的關系可表示為

圖5 手眼系統坐標系布置圖

3 實驗驗證

由于本項目需要識別氣閥的XY平面內的坐標，且氣閥位置保持不變，所以將標定參數簡化，操作機器人使其末端執行器平移至指定位置，采集并記錄對應的標定板圖像和機器人末端的位置坐標，改變機器人末端位置，重復上述實驗步驟并記錄采集點數據，基于Matlab工具箱對外參進行標定，并得到校正參數。將標定參數作為誤差補償加入機器人控制系統，測得5組機器人末端位置坐標，每組位置重復測量5次，取均值，見表1。由表1可知誤差在0.52 mm以內，滿足氣閥的裝配精度要求。

表1 機器人末端位置及相應的相機位置

實驗結果表明：經標定后的裝配機器人位置誤差均值不超過0.52 mm，提高了機器人的裝配精度，滿足了氣閥裝配精度要求。

4 結 論

本文對用于裝配氣閥的機器人單目視覺eye-in-hand的視覺定位系統進行了標定研究，根據氣閥裝配機器人的精度要求，對攝像機的內外參數和畸變參數進行了標定，然后對相機與機器人系統進行了手眼標定方法的研究。得出結論如下：1）在裝配機器人工作之前，必須對其視覺系統進行標定，標定后的視覺識別系統對氣閥的定位精度能夠滿足氣閥的裝配要求；2）在機器人工作前，需對視覺系統進行標定，標定結果在機器人環境不改變的情況下一直有效，但機器人視覺系統維護后，還需要進行重新標定。