基于機器人視覺的激光落料線堆垛系統研究

冷志斌，王尚斌，趙 飛

（江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200）

0 引言

隨著汽車輕量化技術的發展以及國產大飛機適航量產步伐的加快，高強鋼、鋁合金以及鋁基復合材料得到大量應用。傳統壓力機落料線加工面臨的模具成本高、壓力機噸位不足、生產周期長、柔性差等不足越來越嚴重，激光落料系統的無模具工藝，有效地解決了模具磨損過快、使用成本高的巨大痛點，替代傳統壓力機落料線趨勢非常強[1]，其組成包括上料開卷、校平定尺、激光切割、分揀堆垛和智能控制等五個功能模塊。分揀堆垛作為落料線的核心模塊，目前常用的堆垛系統為機器人堆垛系統和電磁堆垛系統，電磁堆垛通過電磁鐵產生磁力（或真空氣體產生吸力）并透過同步帶作用于需要輸送的鋼板（鋁板）上，使鋼板吸附在皮帶下表面并跟隨皮帶一起運動。當鋼板（鋁板）運動到需要堆垛的位置時，主傳動伺服電機停止，電磁鐵同時失磁（真空消失），鋼板（鋁板）下落到料倉，前、中、后三對擋料臂通過氣缸打料，使鋼板堆垛整齊。此方式的優點是效率高，適應性好，能夠同時使用2～4 個工位堆垛兩種不同形狀的異型鋼板，占用空間大，成本高。機器人堆垛系統通過機器人與輸送皮帶同步抓取板料，配合相機識別系統進行整齊堆垛，相對電磁堆垛系統占用空間小、成本低，可根據落料線效率柔性旋轉機器人數量及機器人配合工作方式[2-4]。本文主要就機器人堆垛系統展開分析研究。

1 機器人堆垛系統組成及工作原理

機器人視覺識別堆垛系統組成主要包括機器人、線陣相機、面陣相機、編碼器。結合如圖1 所示機器人視覺識別系統示意圖，建立世界坐標系，標定機器人坐標系、線陣相機坐標系、輸送皮帶坐標系、面陣相機坐標系與世界坐標系間的轉換關系，板料經激光切割頭切割后，成品與廢料一同由切割皮帶輸送至堆垛皮帶，線陣相機首先通過輪廓識別成品與廢料，并判定成品形心位置，PLC 控制系統對板料的機器人抓取進行分配，結合編碼器給出各個板料的機器人同步抓取位置，板料搬運過程中經過面陣相機進行局部輪廓識別，對比CAD 圖紙，計算出板材形心及位姿，將其作為控制機器人運動的數據，發送機器人控制系統實現精確堆垛。

圖1 機器人視覺識別系統示意圖

2 飛行定位圖像采集裝置設計

機器人視覺系統包括線陣相機視覺系統和面陣相機視覺系統兩部分，線陣相機視覺系統用于區分成品與廢料，并獲取成品工件形心位置，線陣相機只要保證足夠的分辨率即可，在此不再贅述，著重對面陣相機視覺系統進行說明。

面陣相機主要用于矯正抓取板料與首張板料間位姿關系，硬件組成包上位控制計算機、機器人、機器人伺服控制器、智能攝像機、堆垛臺和成品工件。攝像機固定安裝在堆垛輸送皮帶和堆垛臺車中間位置頂部支架上，構成Eye-to-Hand 位置給定型機器人視覺控制系統，機器利用視覺采集到的板料位姿作為機器人位置控制的給定。其視覺控制框圖如圖2所示。

圖2 機器人視覺控制流程圖

面陣相機裝置于輸送皮帶與堆垛臺車中間位置，機器人搬運板料經過面陣相機下方時采集圖像，若采用靜止拍照圖像采集方式，機器人搬運過程中，在相機下方要停頓一下，機器人頻繁加減速，且速度難以達到最大值，搬運效率低。采用飛行圖像采集方式，機器人搬運板料經過相機下端不減速，能夠大大提升搬運效率，但也存在一定問題，每次圖像采集的機器人端拾器位姿并不固定，且由于PLC 的延時效應，很難準確獲得拍照瞬間機器人端拾器位姿，后續的板料位姿識別計算困難。

本文設計一種新型飛行定位圖像采集裝置，引入mark 點概念，組成包括：紅外mark 光定位模組、紅外背光定位模組、面陣相機、機器人末端端拾器、板材產品。mark 點放置在端拾器上方，對mark 點與端拾器間進行標定，明確mark 點和端拾器中心的位置關系，當相機拍照拍攝到mark 點的時候，可以計算出機器人末端帶著端拾器中心所在的位置，在板材的對角通過紅外背光模組時，背光光照下板材的輪廓并映射到面陣相機中成像，可以通過輪廓識別對比CAD 圖紙，計算出板材形心的位置。在背光模組成像時，相機端會有一個微弱光照明高反光的mark 點，并與板材輪廓成像在同一張圖像中，從而計算出板材的旋轉與偏移量。具體示意圖如圖（3）所示。

3 工件位姿調整方法

機器人和攝像機具有各自固定的坐標系，要得到工件重心在機器人坐標系中的坐標，首先需對機器人進行手眼關系的標定，手眼關系的標定是指機器人坐標系（世界坐標系）與攝像機坐標系之間位系的標定，標定后相機坐標系與機器人坐標系完全平行[5-7]。

圖3 飛行定位圖像采集示意圖

可以通過輪廓識別對比CAD 圖紙，可以找出板料在相機坐標系中的形心及位姿，定義首張板料在相機坐標系中的形心坐標及位姿為（x1，y1，θ1），第i張堆垛板料在相機坐標系中的形心坐標及位姿為（xi，yi，θi），首張板料旋轉θ1角度后到指定位置放下，堆垛板料相對首張板料位置移動量可表示如式（1）所示。

4 總結

論文設計了一套飛行定位圖像采集裝置，引入mark 點概念，mark 點與板材輪廓成像在同一張圖像中，方便計算板材的旋轉與偏移量，解決了由于PLC 延時效應難以獲取相機拍照瞬間的機器人位姿不足問題。給出了整齊堆垛機器人位移調整計算方法。論文的機器人視覺識別堆垛系統目前已應用于公司新研發的智能化多頭聯動高速激光落料系統上，經1000mm×1000mm 規則板料測試，堆垛精度在±3mm 以內，完全滿足鈑金毛坯件的堆垛精度要求。