發那科機器人3D 視覺快速標定方法

何家恒

（廣州市技師學院，廣東廣州 510000）

發那科自主分揀機器人能夠從繁雜的物品中，挑選出需要挑揀的物品然后將其放置到分揀區域，比如將圓柱體放在較近的一側，方體則放在較遠的一側。

1 快速標定方法應用意義

工業攝像機放置在機器人末端執行器上的工作場所，如果要建立攝像機圖像坐標系與機器人基本坐標系之間的關系，必須使用標定算法來獲取攝像機坐標系與機器人坐標系之間的關系。天津工業企業發展研究院教授李金忠采用蔡氏二動法對整個系統中的攝像頭進行標定。在標定工作流程中，攝像機位于工業機器人末端，智能機器人內部控制攝像機在固定位置分析采集標定板上的圖像數據，從而完成攝像機的標定。將獲得的攝像機位置參數與工業機器人位置參數相對應，從而完成工業機器人的手眼標定。華北電力大學段健利用針孔建模原理和Matlab 相機標準工具箱對鏡頭內外參數進行標定。根據相機鏡頭內部可能存在的畸變，西安理工學院王小華教授制定畸變的校正方案，分別求解畸變中心和畸變系數，并采用福杰拉斯校正法標定鏡頭內部參數。通過大量的文獻研究，在精度不是很高的情況下，利用2 組圖像點和機器人坐標點，可以快速獲得攝像機2 點標定方法的唯一解。然而，由于圖像采集與識別、機器人運動誤差等因素，僅取2個控制點進行系統標定，對精度要求較低。因此，本文利用機器人系統的通信功能，多次觸發攝像機在機器人末端執行器的攝像機平面內拍攝目標區域，然后由機器人程序記錄多組圖像點和機器人坐標點。引入標定圖像點與機器人坐標點之間的相關因子，編寫相關機器人程序自動計算標定關系，大大提高了標定速度、便捷性和準確性[1-3]。

2 系統概述

視覺系統（3DL）主要是通過視覺系統軟件設置，建立視覺畫面上的點位與機器人位置相對應關系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值。

在接收到信號后，工業機器人的工作方式實際上是進行系統控制。首先，系統要在工業機器人和計算機之間建立公共信號通道，然后在計算機設定程序的幫助下控制機器人的運行路線。工業機器人整個系統的控制過程為：由工業機器人抓取待分類的物料，并將其放在系統確定的對象放置槽里；系統記錄對應于每個工件的空間坐標的全局總變量；使用軟件編程語言（選擇計算機的VC++6.0 系統）來編寫機器人控制程序軟件，然后控制工業機器人進行分揀操作。 在分揀機器人的控制系統中使用了許多接近傳感器，其通過接口電路連接到單片機引腳。操作過程中，通過讀取這些傳感器檢測到的信息，就能查看到分揀機器人的工作狀態。這些接近傳感器只有2 種模式，即未觸發時的高電平模式和觸發時的低電平模式，因此，只需要讀取相應引腳的電平。具體來說，為了確保其正常運行，在分揀機器人啟動后，首先進行網絡連接狀態、機械臂復位和轉盤復位等方面的自我檢查。在確保自檢正確后，機器人將從起點開始，到達識別區域后啟動機器視覺模塊來識別物件。成功識別快遞物品后，機械手將其放入轉盤，然后分揀機器人將對象運輸到傾卸區，最后返回識別區。直到目標對象分揀完成后，該循環才會停止。

3 發那科分揀機器人3D 視覺系統的快速標定方法

3.1 發那科機器人需使用的軟件

發那科機器人需使用的軟件如下：1A05B-2500-J868 iR Vision Standard、1A05B-2500-J869 iR Vision TPP Ⅰ/F、1A05B-2500-J871 iR Vision UⅠF Controls 、 1A05B-2500-J900 iR Vision Core 、1A05B-2500-J902 iR Vision 3DL。

3.2 3D 視覺系統相機的安裝

分揀工作的首要內容之一是相機的標定，與此同時相機標定也是機器視覺的重要組成部分。如果沒有攝像機校準，機器人的機器視覺將無法實現。在應用機器人分揀技術的過程中，相機標定的主要功能是建立專屬的物體圖像坐標系，并且依照空間位置情況將整個坐標系連接起來。在相機標定的作用下，機器人分揀系統可以更加正確地對物體的位置進行判斷，從而更好完成物體的抓取工作。3D 視覺系統相機安裝在固定的架子上，如圖1 所示。

圖1 3D Camera

3.3 視覺系統設置

3.3.1 機器人與電腦連接

機器人與電腦ⅠP 設置如表1 所示。連接完畢后，在ⅠE 地址欄中輸入172.168.0.2，進入Camera Setup Tools 界面。

表1 機器人與電腦連接設置

3.3.2 Camera Setup Tools 設置

在ⅠE 瀏覽器中點擊Vision Setup（視覺設置），然后再點擊Camera Setup Tools（攝像頭設置工具），選取DL3 為3D 攝像頭設置界面。點擊DL3 Camera Setup Tools，雙擊DL3，進入DL3Camer Setup 界面，如圖2所示。

圖2 DL3 Camera Setup 界面

3.3.3 Camera Calibration Tools（攝像界面頭標定）設置

在ⅠE 瀏覽器172.168.0.2 主界面，點擊Camera Calibration Tools（攝像頭標定），選擇CALⅠB3DN 對3D 攝像頭進行標定。雙擊CALⅠB3DL 進入設置界面，由于3D 攝像頭固定于架子上，沒有安裝在機器人手爪上，因此Calibration Grid（3D 用示教板）會安裝于手爪上，選擇Yes，表示標定板會隨機器人移動[4]。3DL標定設置如圖3 所示，設置需選取Calibration Grid Frame（六點法），保證標定準確性。

圖3 CALⅠB3DN

3.3.4 3DL Calibration 設置

標識別主要是依照所需要抓取的圖像信息，也就是對目標信息進行提取或者是進行圖像分割。在基本定位中，對圖像的特征或者是某些特征進行提取。特征提取方式有很多種，比如進行邊緣檢測或者區域提取及閾值分割。在完成目標提取之后再進行目標分割，并且要對項目的特征實施分類和統計。

在Laser Vision Calibation 界面，設置Calibration Grid Frame（標定坐標），具體步驟如下：點動移動機器人，將固定在機器人上的示教板移動至與3D Camera相距350 mm 處，點擊1 st Plane（第一次拍攝）/[Snap and Find]（拍照并標定）按鈕；點擊[OK]按鈕，記錄1號位置數值；點動移動機器人，將固定在機器人上的示教板移動至與3D Camera 相距450 mm 處，記錄2號位置數值，記錄1 號位置數值，至此3DL 標定完成[5]，如圖4 所示。

圖4 標定板標點完成

3.3.5 Vision Process Tools 設置

在ⅠE 瀏覽器172.168.0.2 主界面，點擊Vision Process Tools（視覺處理工具）設定，選擇PRO3DLN即打開3D 攝像頭設置界面3DL Signal Vision Process（3D 視覺信號處理界面），如圖5 所示。

圖5 視覺處理信號設置

在3DL Signal Vision Process（3D 視覺信號處理界面）設置參照位置、3DL 匹配度設置，分別如圖6、圖7 所示。

圖6 參照位置

圖7 3DL 匹配度設置

在3DL Plane Command Tool（3D 平面工具）設置界面，設置攝像頭1 的圖像最小匹配度、攝像頭2 的圖像最小匹配度、攝像頭1 的圖像最小對比度及攝像頭2 的圖像最小對比度，當拍攝畫面包含的點數大于設置數值時，工件就能被找到[6]。

3.4 目標分揀

目標是移動的所進行的跟蹤和記錄，可運用多目標跟蹤的方式，對所提取到的圖像序列進行逐個分析。在圖像中的每一幀中對運動目標進行檢測，并且要對圖像中所要識別的像素類型進行逐步判斷，之后建立目標鏈。在對物品進行判斷的過程中，可以利用物品和機器人所建立的坐標系中的聯系，完成分揀工作。

4 結論

對于攝像機固定、機器人末端執行器移動的場景，本文主要利用發那科分揀機器人3D 視覺系統的通信和服務功能。通過觸發攝像頭對標定板于350 mm、450 mm 處拍照，拍攝機器人末端執行器標定板的定位信號，利用機器人應用程序的快速標定。建立標定圖像點與機器人坐標的對應關系，并編制相關機器人程序，自動計算標定位置的相關影響因素。通過可靠性試驗，證明改進后的方法計算的工件位置誤差遠遠小于傳統2 點法計算的誤差。