基于FANUC iRVision的視覺(jué)定位與工件識(shí)別應(yīng)用研究

摘 要：對(duì)FANUC iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)線工件分揀任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述iRVision系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及其與機(jī)器人控制器的集成方式。深入說(shuō)明工業(yè)相機(jī)的安裝、調(diào)試及標(biāo)定流程，并著重分析二維補(bǔ)正功能的主要工作原理。為了直觀展現(xiàn)iRVision系統(tǒng)的應(yīng)用效能，通過(guò)結(jié)合具體編程實(shí)例，深入剖析機(jī)器人與iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在工件分揀過(guò)程中的協(xié)同作業(yè)流程，為FANUC iRVision在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論與實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：FANUC iRVision 二維補(bǔ)正 工件分揀 視覺(jué)處理程序

在當(dāng)今智能制造快速發(fā)展的背景下，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已成為提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量的關(guān)鍵因素。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)綜合了光學(xué)、機(jī)電一體化、圖像處理、人工智能等方面的技術(shù)，其性能并不僅僅取決于某一個(gè)部件的性能，需要綜合考慮系統(tǒng)中各部件間的協(xié)同能力[1]。目前國(guó)內(nèi)廠家使用的視覺(jué)系統(tǒng)主要為第三方視覺(jué)產(chǎn)品，依賴(lài)于計(jì)算機(jī)運(yùn)行提供視覺(jué)算法運(yùn)算能力，有著硬件改造多成本投入大技術(shù)門(mén)檻高等缺點(diǎn)[2]。徐博凡等人[3]搭建的抓取系統(tǒng)使用單目相機(jī)采集圖像，上位機(jī)軟件處理出工件圖像特征，并將特征信息轉(zhuǎn)換為定位結(jié)果經(jīng)機(jī)器人通信模塊發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)而通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)柔性抓取。

FANUC機(jī)器人集成內(nèi)置視覺(jué)系統(tǒng)具有硬件連接簡(jiǎn)單、無(wú)系統(tǒng)集成需要；無(wú)需掌握高級(jí)語(yǔ)言的要求，減少了物理通信數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)，穩(wěn)定性更高；內(nèi)置視覺(jué)系統(tǒng)圖形匹配工具功能豐富，機(jī)器人程序可以直接使用視覺(jué)處理數(shù)據(jù)，編程方便；減少了對(duì)IT技術(shù)人員的依賴(lài)，降低了企業(yè)運(yùn)行成本[4]。

文章從FANUC機(jī)器人iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中工件分揀的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹其視覺(jué)系統(tǒng)的組成及連接、工業(yè)相機(jī)的安裝調(diào)試及標(biāo)定、二維補(bǔ)正的工作流程、機(jī)器人工件分揀程序。

1 系統(tǒng)組成

1.1 軟硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成包括FANUC M-10iA機(jī)器人本體，R-30iB Mate控制柜，配備集成照明裝置的2D工業(yè)相機(jī)及其支架，吸盤(pán)式末端執(zhí)行器，傳送帶及其控制裝置等組件，如圖1所示。系統(tǒng)軟件層面，F(xiàn)ANUC機(jī)器人系統(tǒng)集成了其先進(jìn)的iRVision視覺(jué)系統(tǒng)。iRVision視覺(jué)系統(tǒng)不僅作為軟件組件無(wú)縫融入FANUC機(jī)器人的控制體系中，而且提供了強(qiáng)大的圖像處理和識(shí)別功能，使得機(jī)器人能夠執(zhí)行準(zhǔn)確定位、物體識(shí)別等復(fù)雜的視覺(jué)引導(dǎo)任務(wù)。

1.2 iRVision視覺(jué)系統(tǒng)的連接

在iRVision視覺(jué)系統(tǒng)中，各組件間的連接高度集成且簡(jiǎn)潔，工業(yè)相機(jī)通過(guò)專(zhuān)用的相機(jī)電纜直接連接到機(jī)器人控制裝置主板的JRL7接口，無(wú)需依賴(lài)任何額外的第三方軟硬件設(shè)備。

2 工業(yè)相機(jī)的安裝調(diào)試

2.1 固定相機(jī)

根據(jù)工件的大小尺寸和配置選擇固定相機(jī)，將其穩(wěn)固安裝于支架或其他支撐結(jié)構(gòu)上對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。此相機(jī)配置確保從恒定距離對(duì)準(zhǔn)同一區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。這種設(shè)置的優(yōu)勢(shì)在于，它能與機(jī)器人進(jìn)行其它作業(yè)時(shí)并行執(zhí)行視覺(jué)測(cè)量任務(wù)，從而有效縮減整體作業(yè)周期。為確保相機(jī)穩(wěn)定性，所選支架須具備足夠的強(qiáng)度，即便在輕微震動(dòng)環(huán)境下也能保持穩(wěn)固，避免晃動(dòng)。

2.2 相機(jī)的視野尺寸

相機(jī)的視野尺寸根據(jù)工件大小和配置決定，其視野尺寸與相機(jī)在支架的固定高度有必然的關(guān)聯(lián)。工件的最長(zhǎng)或最寬尺寸以及工件傳送帶的寬度成為其參考的重要指標(biāo)。

視野尺寸主要由以下三個(gè)關(guān)鍵要素共同決定：成像元件的尺寸、鏡頭的焦點(diǎn)距離、從相機(jī)到被攝工件的距離，如圖2所示。這些要素之間的相互作用關(guān)系構(gòu)成了視野尺寸計(jì)算的基礎(chǔ)。成像元件尺寸（Lc）是視野尺寸計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，其值可以通過(guò)以下公式求得：

Lc=單元格尺寸×圖像尺寸（像素?cái)?shù)）

式中：?jiǎn)卧癯叽缰傅氖浅上裨厦總€(gè)像素所對(duì)應(yīng)的物理尺寸，μm；圖像尺寸則是以像素?cái)?shù)表示的圖像分辨率，px。

在確定了成像元件尺寸后，視野尺寸L的計(jì)算公式如下：

L=（D-f）÷f×Lc

式中，D為從相機(jī)到工件的距離，mm；f為鏡頭的焦點(diǎn)距離，mm；Lc為成像元件尺寸，mm。

視野尺寸的計(jì)算結(jié)果為概算值。由于鏡頭種類(lèi)的差異，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間會(huì)產(chǎn)生誤差。為了獲得準(zhǔn)確的視野尺寸，必須通過(guò)實(shí)際測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

2.3 相機(jī)的標(biāo)定

固定相機(jī)的標(biāo)定方法是點(diǎn)陣板標(biāo)定。相機(jī)標(biāo)定用的點(diǎn)陣板夾具通常使用比視野尺寸大一圈的夾具，就可以確保精度地一直標(biāo)定到視野的邊端為止。依據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)驗(yàn)證的相機(jī)視野尺寸選擇有11×11個(gè)圓點(diǎn)的FANUC標(biāo)準(zhǔn)品點(diǎn)陣板夾具，如圖3所示。檢測(cè)時(shí)無(wú)需檢出全部點(diǎn)陣板夾具的黑色圓點(diǎn)，而只要檢出其中的7×7個(gè)圓點(diǎn)且必須檢出較大的4個(gè)圓點(diǎn)，就可以確保精度地進(jìn)行標(biāo)定。

2.4 工業(yè)相機(jī)的連接與設(shè)置

iRVision視覺(jué)系統(tǒng)的示教與試驗(yàn)，以及工業(yè)相機(jī)標(biāo)定的調(diào)試，可通過(guò)兩種途徑進(jìn)入其操作界面。一種方式是通過(guò)機(jī)器人的示教器直接訪問(wèn)界面；另一種方式則是利用以太網(wǎng)電纜，將機(jī)器人控制裝置與預(yù)先裝有“視覺(jué)UIF控制”軟件的示教電腦相連，隨后在瀏覽器中鍵入機(jī)器人控制裝置的IP地址以進(jìn)入界面。在采取一對(duì)一連接方式且未接入其他網(wǎng)絡(luò)的情況下，機(jī)器人控制裝置與電腦所設(shè)定的IP地址參見(jiàn)表1。

3 iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在工件分揀的應(yīng)用

3.1 二維補(bǔ)正的工作流程

根據(jù)系統(tǒng)工件分揀的配置和任務(wù)需求，采用了單目視覺(jué)2D機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，對(duì)傳送帶上相機(jī)視野區(qū)域內(nèi)的工件進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)，并據(jù)此執(zhí)行后續(xù)的工作任務(wù)。在FANUC機(jī)器人的iRVision視覺(jué)系統(tǒng)中選擇1臺(tái)相機(jī)的2維補(bǔ)正功能，僅對(duì)比示教時(shí)工件位置的平行位移（X，Y）以及旋轉(zhuǎn)移動(dòng)角度（R），忽略了其他維度的變化。關(guān)于iRVision視覺(jué)系統(tǒng)中1臺(tái)相機(jī)2維補(bǔ)正的詳細(xì)工作流程[5]，如圖4所示。

3.2 iRVision視覺(jué)檢測(cè)的工作流程

iRVision視覺(jué)檢測(cè)的工作流程主要有初始化和坐標(biāo)系設(shè)置、視覺(jué)定位檢測(cè)、處理視覺(jué)偏移和旋轉(zhuǎn)角度判斷、執(zhí)行拾取任務(wù)、移動(dòng)工件到指定位置、釋放工件并返回、調(diào)用后續(xù)程序或處理異常情況。iRVision視覺(jué)檢測(cè)的工作流程[6]，如圖5所示。

3.3 FANUC機(jī)器人工件分揀程序解析

在該系統(tǒng)中的核心功能是對(duì)傳送帶上持續(xù)輸送的三種不同類(lèi)型工件實(shí)施視覺(jué)定位與識(shí)別。一旦工件被成功識(shí)別，系統(tǒng)立即啟動(dòng)吸附抓取程序，將這些工件逐一準(zhǔn)確地搬運(yùn)至預(yù)設(shè)的指定放置點(diǎn)，以便完成后續(xù)的工作任務(wù)。

該機(jī)器人程序旨在執(zhí)行基于視覺(jué)定位的工件拾取與放置任務(wù)，其工作流程如下：程序首先初始化并設(shè)置用戶(hù)與工具坐標(biāo)系，并調(diào)用視覺(jué)程序PART1啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)定位工件，獲取必要的偏移值。若視覺(jué)定位成功，機(jī)器人則依據(jù)此偏移值調(diào)整其運(yùn)動(dòng)軌跡，以準(zhǔn)確動(dòng)作接近并吸附工件。隨后，機(jī)器人通過(guò)一系列預(yù)設(shè)路徑的移動(dòng)，將工件運(yùn)送至目標(biāo)位置，并在釋放工件后返回至起始點(diǎn)附近。在此過(guò)程中，程序還包含了針對(duì)工件旋轉(zhuǎn)角度的邏輯判斷，以確保吸附姿態(tài)的正確性。若視覺(jué)定位失敗，則觸發(fā)異常處理流程，調(diào)用視覺(jué)程序PART2、PART3繼續(xù)識(shí)別其它工件。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)深入剖析FANUC iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在工件分揀領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用案例，不僅掌握了其軟硬件構(gòu)成與高效集成方法，還詳細(xì)闡述了工業(yè)相機(jī)的安裝調(diào)試、標(biāo)定技術(shù)及2維補(bǔ)正功能的實(shí)施流程與技術(shù)要點(diǎn)。這不僅構(gòu)成了視覺(jué)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)，還顯著提高了視覺(jué)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了FANUC iRVision系統(tǒng)在提升分揀效率方面的顯著效果。為FANUC iRVision視覺(jué)系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)與實(shí)踐驗(yàn)證。

基金項(xiàng)目：柳州職業(yè)技術(shù)大學(xué)2024年校級(jí)科研一般課題《工業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)環(huán)境下自適應(yīng)光源亮度系統(tǒng)的研究》（編號(hào)：2024KB16）；2020年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020KY31007）。

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