雙目視覺人工噴涂軌跡示教編程方法研究

蔣 超，黎 鑫，何 文，寇春榮

（1.浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310027；2.杭州國辰機器人科技有限公司，浙江 杭州 311200）

1 引言

噴涂機器人能夠滿足環保、效率和柔性生產的需要，在現代化噴涂作業中，有望替代人工操作，成為未來噴涂自動化發展的必然趨勢。厚度、均勻度、光澤度及豐滿度是評價噴涂工作質量的幾項重要指標。如何根據噴涂指標，合理地規劃出噴槍的運動路徑，是噴涂機器人應用研究的重要內容[1]。

目前，常用的噴涂路徑規劃方法有：（1）離線編程法[2]，它利用計算機圖形學軟件，建立虛擬的噴涂作業環境，結合路徑規劃算法，離線自主地生成最優噴涂軌跡；如ABB公司推出的機器人虛擬示教Robot Studio軟件；（2）示教盒編程法，它利用手持式示教盒操控機械臂，結合人工噴涂經驗，逐段對機器人末端的運動路徑進行編程，是噴涂機器人生產應用最廣泛的一種方式，如Pana‐sonic公司設計的一款搭配GII控制器的示教盒；（3）人工示教編程方法[3?6]，該方法利用經驗豐富的工人，手持安裝在機械示教裝置上的噴槍[7]，進行噴涂作業；結合編碼傳感器技術，記錄下人工噴涂的噴涂軌跡。

事實上，前兩種噴涂路徑規劃方法適用于一些生產量大、產品單一的大型企業，即一次編程即可重復利用較長時間，且噴涂質量相對穩定。然而，在小批量、多類型、變尺寸零部件的噴涂作業中，這兩種編程方法的編程時間占比噴涂作業的總時間相對較高，即在軌跡編程中靈活性較差，不適用于中小企業噴涂作業的推廣；第三種方法采用了人工示教技術，顯著提升了噴涂軌跡的編程效率，但是，機械示教裝置的操作不便性，示教空間的局限性，給噴涂作業應用帶來了困難。因此，有必要對人工示教軌跡編程方法進行改進研究。

基于此，提出一種基于雙目視覺的人工噴涂軌跡示教編程方法。首先，在示教噴槍進行色球安裝預處理，接著，雙目視覺位姿跟蹤系統利用色球識別方法[8]，分別計算色球標記點坐標及噴槍姿態信息，捕獲噴槍運動過程中的實時位姿數據[9]。最后，根據人工示教噴涂系統工作流程框圖，在噴涂作業模擬生產線上進行實例測試。顯然，該方法所使用的示教色球方案，操作輕便；在相機視野的可利用范圍內，能跟蹤任意形狀的噴涂運動軌跡，可較好地解決機械示教方式存在的不足。

2 人工示教噴涂系統

2.1 系統組成

人工示教噴涂系統主要由三部分組成：粉末供給系統、雙目視覺位姿跟蹤系統和機械執行機構。其中，粉末供給系統包含了自動噴槍、靜電控制器、供粉系統、粉末回收系統和噴粉室等，它們共同為噴涂作業提供粉末涂料；雙目視覺位姿跟蹤系統包含了2個工業攝像頭和示教噴槍，且示教噴槍是經過特殊處理改造：由一個直徑為40mm、三個直徑為20mm的色球構成；機械執行結構主要是指五軸機械臂，分別為X軸、Y軸、Z軸、P軸（控制噴槍末端的俯仰角）和W軸（控制噴槍末端的偏航角）。

人工示教噴涂系統的三維組成示意圖（不含粉末供給裝置），如圖1所示。

圖1 人工示教噴涂系統的三維組成示意圖Fig.1 Composition Diagram of Artificial Teaching Spray System

2.2 系統工作流程

人工示教噴涂系統的工作流程圖，如圖2所示。首先，對示教噴槍進行色球安裝預處理；接著，在工件噴涂區域內，命令噴涂工人手持示教噴槍，靈活地走出工件涂裝所需要的運動軌跡；與此同時，雙目視覺位姿跟蹤系統跟蹤噴槍標記點的運動軌跡，捕獲噴槍運動過程中的實時位姿數據；最后，利用動力學逆向求解[10]，將噴槍位姿數據轉化為機器人關節運動執行代碼，實現噴涂軌跡的復現作業功能。

圖2 人工示教噴涂系統的工作流程圖Fig.2 Work Flow Chart of Artificial Teaching Spray System

因此，在雙目相機的視野范圍內，雙目視覺示教方法均能采集任意形狀的噴涂運動軌跡；只要示教位姿數據在機器人可執行的工作空間范圍內，機器臂都可以完成示教軌跡的復現功能。

在實際復現過程中，其基礎思想為：按照固定周期更新軸期望位置，與運動軸實際位置進行比較計算，得出運動軸的期望運行速度，控制伺服電機運行。由于機械軸可能存在運行不到位，導致下一時刻期望運行速度出現突變。為此，可運動PID控制技術，重新計算運動軸的期望位置，來抑制示教軌跡機械臂運動過程中出現的速度突變情況。

3 基于雙目視覺的示教噴涂軌跡獲取

為實現噴槍色球標記點的運動軌跡跟蹤，捕獲噴槍的實時位姿數據，依據雙目視覺測量原理，計算過程大致經歷下三個步驟：相機標定及圖片校準、位置坐標計算和姿態坐標計算。

（1）相機標定及圖片校準

相機標定過程主要獲取攝像機矩陣（內參矩陣和外參矩陣），對相機矩陣進行QR分解，得到內參矩陣和外參矩陣。

內參矩陣主要包括焦距、主點、傾斜系數和畸變系數，如式（1）所示。

式中：fx，fy—焦距；u0、v0—主點坐標；r—坐標軸傾斜參數。

外參矩陣包括旋轉矩陣R3?3、平移矩陣R3?1，它們共同描述了世界坐標系轉化到相機坐標系的過程。

當雙目相機標定以后，還需要根據畸變系數進行圖片校準。

（2）色球標記點位置坐標計算

假設兩個攝像機的像平面不是平行的，參考光軸匯聚模型，可將色球球心的像素坐標系，經一系列的轉化計算，得到球心的空間位置坐標。

對于左右相機，分別有：

將公式整理，采用最小二乘法，可求解得到色球球心坐標X，Y，Z。

（3）噴槍位姿坐標計算

由于色球坐標系相對于示教噴槍相對固定，通過三個色球建立的坐標系，可計算出噴槍俯仰角、偏航角和滾動角的實時姿態信息。

色球坐標系，如圖3所示。四元素坐標與方向余弦之間的坐標轉換關系，如式（8）所示。

圖3 色球坐標系Fig.3 The Chroma Coordinate System

4 實例研究

為了驗證基于雙目視覺人工噴涂軌跡示教編程方法的有效性，在噴涂作業模擬生產線上，按照人工示教噴涂系統的工作流程圖，進行實例研究。

先在工件噴涂區域進行簡單的人工噴涂示教，如圖4（a）圖所示；與此同時，利用雙目視覺示教位姿跟蹤系統，快速地獲取人工示教噴涂軌跡，如圖5所示。最后，利用機械手復現人工噴涂軌跡，進行噴涂作業，如圖4所示。

圖4 人工示教與機械手復現示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Manual Teaching and Robotic Reproduction

圖5 雙目視覺位姿跟蹤系統獲取到的噴涂軌跡Fig.5 Spray Track Acquired by Binocular Visual Measurement Tracking System

利用伺服電機自帶的編碼器，可獲取機械臂復現執行位置數據，示教采集位置數據與復現執行位置數據的對比圖，如圖6所示。由此可以發現：示教數據和復現數據之間具有極高的相似性，該結果說明復現執行數據與示教數據基本上保持一致，該系統具有較高的復現精度。

圖6 示教數據與復現數據的對比Fig.6 Comparison of Teaching Data and Recurring Data

為說明人工軌跡編程方法的實際噴涂效果，以圖4所示的工件（上掛板）為例，進行一次噴涂示教獲得噴涂軌跡和三次復現執行，總共得到一塊示教板和三塊復現板。

掛板上分別取左上、中上、右上、左下、中下和右下六個區域內某位置的點，標記為1到6號位置，如圖7所示。每個位置經十余次重復檢測，獲得相對穩定的覆膜厚度值，形成噴涂膜厚測量記錄表，如表1所示。可以發現：

圖7 掛板測點分布示意圖Fig.7 Distribution Diagram of Survey Point

表1 噴涂膜厚測量記錄表Tab.1 Measurement Table of Spray Thickness

（1）三次復現測量的最大膜厚與最小膜厚差值為5um，表明機械臂噴涂的重復性能非常好；

（2）示教板與復現板的最大偏差最大為8.5um，小于某生產企業噴涂厚度偏差20um的技術要求，表明雙目視覺軌跡編程方法的復現性能較高。

5 結論

根據噴涂質量指標要求，合理規劃出噴槍的噴涂運動軌跡，是目前噴涂機器人應用研究的主要問題之一。針對人工示教編程機械示教裝置使用的局限性，提出一種基于雙目視覺的人工噴涂軌跡示教編程系統方法。該方法通過對示教噴槍進行色球安裝特殊改造，利用雙目視覺測量技術，分別計算色球的坐標位置與噴槍的位姿信息，從而捕獲實時的噴槍運動位姿數據。并且，結合人工示教噴涂系統，在噴涂模擬生產線上進行實例測試。結果表明：示教板與復現板的最大偏差最大為8.5um，小于某生產企業噴涂厚度偏差20um的技術要求，驗證了所提方法的有效性。另外，該方法所使用的示教色球方案，操作輕便、示教空間范圍大，也較好地解決機械示教裝置在使用過程中存在的不足。