北京現(xiàn)代汽車有限公司（以下簡稱北京現(xiàn)代）是由北京汽車投資有限公司和韓國現(xiàn)代自動車株式會社共同出資設(shè)立，公司主要業(yè)務(wù)以全新車型引進、商品性改善與本地化研發(fā)為主。目前，整車年生產(chǎn)能力已達到 100 萬臺。

北京現(xiàn)代擁有 3 座整車生產(chǎn)工廠、3 座發(fā)動機生產(chǎn)工廠和 1 座承擔(dān)自主研發(fā)的技術(shù)中心。北京現(xiàn)代擁有近 300 臺機器人，分別應(yīng)用在車身焊接、車身沖壓、發(fā)動機組裝、涂裝等各種關(guān)鍵工位中。公司依靠先進的自動化制造裝備，保障 100%焊接與運輸自動化率，100%自動化沖壓生產(chǎn)，確保車身焊接質(zhì)量與車身強度。

在發(fā)動機生產(chǎn)工廠，汽車發(fā)動機的缸體搬運工作是由韓國現(xiàn)代公司制造的機器人來進行。在引導(dǎo)機器人進行缸體搬運時，采用的是由韓方定制的工業(yè)相機＋視覺軟件的方式。在生產(chǎn)過程中，遇到了棘手問題，主要是：相機拍照一次檢測不成功，需要多次拍照才有可能檢測成功，影響了工作效率。因此，北京現(xiàn)代決定進行技術(shù)改造，以實現(xiàn)機器人對缸體的高效精確抓取。

在改造時，這個問題一直困擾著北京現(xiàn)代的技術(shù)人員。在應(yīng)用現(xiàn)場，缸體是碼放在一層層的拖盤上，每隔一層缸體碼放的方向不同（如圖 1 所示） 。由于缸體只有一個抓取位置（如圖2 所示） ，所以機器人在抓取時，會自動將爪具旋轉(zhuǎn) 0 度、90 度、180 度或 270，然后根據(jù)每層托盤上每個缸體的大概位置去拍照抓取，同時相機也會跟著爪具進行旋轉(zhuǎn)。這樣，得到的圖像都是一個方向的，而相機卻跟著機器人改變了拍照方向，這直接影響了抓取的準(zhǔn)確性。

圖 1

圖 2

因此，要成功實現(xiàn)技改，就要搬掉這個攔路虎，北京現(xiàn)代的技術(shù)人員詳細(xì)分析了迫切需要解決的兩個技術(shù)難點。

第一：機器人坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系（N 點校準(zhǔn)） 。

從理論上來說，如果機器人旋轉(zhuǎn) 0 度、90 度、180 度或 270 度時的旋轉(zhuǎn)中心是一致的，那么，就可以只針對 0 度時的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系做 N 點 Calibrate，其他三個角度時的坐標(biāo)系對應(yīng)只是象限不一樣。

1）機器人坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系都是 0 度時，兩個坐標(biāo)系是重合的（如圖 3 所示） 。這時，在做完 N 點 Calibrate 后，機器人坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)可直接一一對應(yīng)。

2）機器人坐標(biāo)分別旋轉(zhuǎn) 90 度、180 度和 270 度時，圖像坐標(biāo)系雖然沒有改變，但是卻與機器人坐標(biāo)系的其他象限有了對應(yīng)關(guān)系（如圖 4、圖 5、圖 6 所示） 。

3）如果機器人的旋轉(zhuǎn)中心是一樣的，就可以得到一個擬合圓（如圖 7 所示） 。

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

圖 7

需要注意的是：機器人在抓取位置旋轉(zhuǎn)四個方向拍照時，必須是以同一固定點為圓心進行旋轉(zhuǎn)，只有這樣四個方向（象限）的點才能對應(yīng)起來，這時只要在一個方向做 9 點標(biāo)定即可。否則，如果機器人在抓取位置旋轉(zhuǎn)四個方向拍照時，不是以同一點為圓心進行旋轉(zhuǎn)，那每個方向（象限）都要重新做 9 點標(biāo)定，因為每個方向的點是不能對應(yīng)。最終經(jīng)過確認(rèn)，機器人夾具在旋轉(zhuǎn) 0 度、 90 度、 180 度和 270 度時的旋轉(zhuǎn)中心很難保持一致，所以只校準(zhǔn)一次并對應(yīng)象限的方法就不能使用了。這樣，四個角度時都要分別做 N 點Calibrate。

第二：拍照后，必須確定圖像特征的旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，圖像特征旋轉(zhuǎn)中心與偏移量的和，必須與機器人夾具的旋轉(zhuǎn)中心保持一致，否則抓取時就會產(chǎn)生很大誤差。

為解決技術(shù)改造中遇到的這些難點，并選擇一個令人信任的技術(shù)解決方案，北京現(xiàn)代的技改部門在綜合比較技術(shù)實力、產(chǎn)品性價比、售后服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量等多種考慮下，決定選擇機器視覺領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)軍企業(yè)——康耐視公司。

雖然康耐視 In-Sight 產(chǎn)品支持多種工業(yè)通訊協(xié)議，但是在本次應(yīng)用中與機器人只是采用最簡單的 RS-232 串口通訊方式（見圖 8） 。

圖 8

在現(xiàn)場，機器人有兩個位置比較重要，一個是拍照位置，另一個是抓取位置，這兩個位置都有固定坐標(biāo)。對關(guān)鍵的圖像定位問題，康耐視 In-Sight 產(chǎn)品有其創(chuàng)新的解決方案。

1）得到基準(zhǔn)模型圖像。機器人由拍照位置走到抓取位置，然后把缸體移到夾具正好能夠正確抓到的位置，這個位置就是抓取的基準(zhǔn)位置。固定好缸體后，機器人從抓取位置回到照相位置，然后進行拍照，得到的這張圖像就可以作為基準(zhǔn)模型圖像。

2）得到兩張抓取位置旋轉(zhuǎn)某個角度的圖像。在得到基準(zhǔn)模型圖像后，機器人由拍照位置再走到抓取位置，抓住缸體逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)某個角度（例如 CCW-10 度或 CW-10 度） ，然后松開缸體，再回到拍照位置進行拍照，得到第二張圖像。同樣再按此步驟操作得到第三張圖像。

3）得到這三張圖像后，就可以在這三張圖像上用 PatMax工具查找同一特征點，根據(jù)得到的三個點就可以擬合出一個圓，這個圓的圓心坐標(biāo)就是機器人夾具的旋轉(zhuǎn)中心。具體如圖 9、圖 10 所示。

圖 9

圖 10

In-Sight 相機與機器人實現(xiàn)了完美的無縫配合，具體工作過程如下。

1）工件分層碼放在旁邊，每次只將一層工件放到拍照與抓取位置（如圖 11 所示） 。

圖 11

2）機器人在拍照前會事先知道這一層是如何擺放的。每個工件的拍照位置都是在機器人程序中事先設(shè)置好的。例如：抓取工件（0 度）時，機器人不需要旋轉(zhuǎn)，直接到拍照位置進行拍照后抓取。在抓取工件（180 度）時，機器人會自動旋轉(zhuǎn) 180 度，然后再到拍照位置進行拍照后抓取。同理，下一層的工件是以 90 度和 270 度進行擺放的。

3）機器人到達拍照位置后，首先向相機發(fā)送 START1，讓相機進行拍照檢測。如果定位成功，相機給機器人返回 OK。機器人在收到 OK 后，再向相機發(fā)送 SHIFT8。相機再把定位坐標(biāo)和角度返回給機器人。如果定位失敗，相機給機器人返回 NG。機器人會自動微調(diào)當(dāng)前位置，然后再次發(fā)送 START1，讓相機重新拍照。直到檢測成功。相機拍照后，會把工件的當(dāng)前坐標(biāo)與當(dāng)初訓(xùn)練的基準(zhǔn)抓取位置坐標(biāo)相減，然后把坐標(biāo)差值和角度傳送給機器人，機器人以當(dāng)初訓(xùn)練的基準(zhǔn)抓取位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)進行調(diào)整，然后再去抓取工件。

經(jīng)過一系列的現(xiàn)場測試，北京現(xiàn)代采用康耐視的 In-Sight 智能相機后，成功解決了令人撓頭的技術(shù)難題。 “康耐視的 PatMax 工具提出了視覺行業(yè)最佳的定位算法，即使在比較復(fù)雜的情況下也能提供非常準(zhǔn)確的定位。而且還提供了非常豐富的通訊方式，便于集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。 ”北京現(xiàn)代保全部的沈劍表示。

3）他對 In-Sight 智能相機的表現(xiàn)給出了極高的評價， “經(jīng)過改造后，機器人工作很流暢，且抓取都很準(zhǔn)確，幾乎沒有定位不到的情況。在調(diào)試過程中，PatMax 工具的優(yōu)越性得到了淋漓盡致的體現(xiàn)，我們非常滿意。 ”

沈劍最后表示，在現(xiàn)場還有四臺現(xiàn)代機器人，情況與被改造工位很相似。 “在這臺機器人調(diào)試完畢時，我們就已經(jīng)開始準(zhǔn)備改造其他四臺機器人的視覺系統(tǒng)了。 ”