隨著國(guó)內(nèi)人力成本的逐年上漲，在中國(guó)廉價(jià)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)逐漸消失的背景下，“機(jī)器換人”已是大勢(shì)所趨。同時(shí)中國(guó)制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國(guó)際先進(jìn)制造、進(jìn)一步要求工業(yè)機(jī)器人向著智能化方向發(fā)展，智能工業(yè)機(jī)器人將成為未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

工業(yè)機(jī)器人智能化，將個(gè)性化的軟件模塊、傳感器、視覺系統(tǒng)以最佳的方式集成在一起。在機(jī)器人智能化的各要素中，視覺系統(tǒng)是核心，尤其是在高精度的場(chǎng)合，沒有視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)，機(jī)器人無(wú)法完成工作。對(duì)于機(jī)器人視覺引導(dǎo)，MicroMatch智能相機(jī)是一個(gè)非常好的選擇。

MicroMatch智能相機(jī)是麥克瑪視電子研發(fā)的一款超小型一體式的智能相機(jī)，能夠?qū)λ行袠I(yè)，各種零件執(zhí)行快速、精確的檢測(cè)。其緊湊的尺寸可方便地安裝到空間受限的生產(chǎn)線上，且獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)可根據(jù)應(yīng)用要求現(xiàn)場(chǎng)高度定制。

 MicroMatch智能相機(jī)是一個(gè)性價(jià)比極高的解決方案，Micro6000系列工業(yè)智能相機(jī)具有小巧堅(jiān)固的工業(yè)級(jí)外殼，抗震動(dòng)、抗沖擊能力強(qiáng)，并集成了RS-232/485、以太網(wǎng)、多路數(shù)字I/O、VGA輸出顯示、USB外設(shè)輸入等硬件接口，可滿足各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同品牌設(shè)備通信接入，集成豐富的機(jī)器視覺算法工具。Micro6000系列智能相機(jī)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和消費(fèi)品以及其他行業(yè)的自動(dòng)化制造，包括食品和飲料、藥品、包裝、物流、航空、半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、新能源電池、機(jī)器人定位引導(dǎo)等行業(yè)。

關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人引導(dǎo)視覺應(yīng)用中涉及到眾多關(guān)鍵技術(shù)，和視覺相關(guān)主要有以下幾個(gè)方面。

一、坐標(biāo)標(biāo)定技術(shù)（手眼標(biāo)定）

在機(jī)器人引導(dǎo)應(yīng)用中，涉及到多個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，機(jī)器人坐標(biāo)系，工具坐標(biāo)系，圖像坐標(biāo)系等。

在這類應(yīng)用中，首先要確定各個(gè)坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。MicroMatch智能相機(jī)提供了自動(dòng)化方法完成各個(gè)坐標(biāo)系之間的標(biāo)定。

很多視覺產(chǎn)品的自動(dòng)化標(biāo)定方法是將標(biāo)定板固定或者安裝在機(jī)器人上，這種方法在實(shí)際項(xiàng)目中具有很大的局限性。因?yàn)樵诤芏囗?xiàng)目中，尤其是高精度的場(chǎng)合，相機(jī)的拍攝位置很可能在機(jī)械手的行程之外，或者由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，機(jī)械手根本沒辦法運(yùn)動(dòng)到相機(jī)視場(chǎng)范圍里。

針對(duì)這些問題，MicroMatch采用了更加靈活的標(biāo)定方案，只要讓機(jī)械手抓取一個(gè)具有明顯特征的“剛體“。只要”剛體“的一段能夠進(jìn)入相機(jī)的拍攝范圍，完成一系列指定動(dòng)作，就可以完成標(biāo)定，方便快捷。

由于機(jī)械手抓取的是“任意剛體”，沒有預(yù)先設(shè)置好的特征點(diǎn)，需要借助于MicroMatch軟件先進(jìn)的算法組態(tài)功能提取特征點(diǎn)。

算法提取特征點(diǎn)后，按照指定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)獲取運(yùn)動(dòng)后的特征點(diǎn)位置，完成標(biāo)定。

二、鏡頭畸變校正技術(shù)

鏡頭畸變是光學(xué)透鏡固有的透視失真，這是透鏡的固有特性，無(wú)法消除，只能改善。這種失真對(duì)于照片的視覺成像質(zhì)量是非常不利的，鏡頭畸變導(dǎo)致實(shí)際圖像的特征點(diǎn)位置發(fā)生偏差，在高精度的視覺引導(dǎo)項(xiàng)目中，必須準(zhǔn)確校正鏡頭的畸變。

鏡頭畸變校正技術(shù)比較成熟，但是在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中比較復(fù)雜，一個(gè)非常突出的問題是由于機(jī)構(gòu)安裝空間、光源照射方式等限制，不能獲取完整的標(biāo)定板的圖像，這個(gè)給標(biāo)定工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)這個(gè)問題，MicroMatch智能相機(jī)采用自定義的標(biāo)定板，魯棒性更高的標(biāo)定算法，在標(biāo)定板不完整，部分被遮擋，甚至標(biāo)定板內(nèi)部部分區(qū)域被遮擋的情況下，都能準(zhǔn)確完成鏡頭畸變標(biāo)定。

標(biāo)定板部分被遮擋的情況下完成畸變標(biāo)定

三、機(jī)器人旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償技術(shù)

在實(shí)際機(jī)器人引導(dǎo)項(xiàng)目中，機(jī)械手上都需要根據(jù)抓取的產(chǎn)品定制不同的“夾具”，這就給高精度的機(jī)器人引導(dǎo)項(xiàng)目帶來(lái)了一個(gè)非常大的問題，就是夾具的中心和機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)中心存在偏差。這個(gè)偏差直接導(dǎo)致在很多涉及到旋轉(zhuǎn)的項(xiàng)目上精度下降很多，而校正這個(gè)偏差非常復(fù)雜。

部分國(guó)外的機(jī)器人控制系統(tǒng)都支持旋轉(zhuǎn)中心補(bǔ)償技術(shù)，但是這個(gè)補(bǔ)償只能通過目視完成，“目視”矯正方式將嚴(yán)重降低系統(tǒng)精度，只能在一定程度上減小這個(gè)因素帶來(lái)造成的影響，但是無(wú)法保證精度。況且絕大多數(shù)國(guó)產(chǎn)的機(jī)器人系統(tǒng)都不具備這個(gè)功能，對(duì)于機(jī)器人旋轉(zhuǎn)的補(bǔ)償只能有配套的視覺系統(tǒng)來(lái)解決。

上圖中，十字線是夾具的中心，紅色點(diǎn)是機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸中心，從圖上可以看出，一旦工件角度發(fā)生旋轉(zhuǎn)，夾具的中心就發(fā)生變化，變化的大小直接和旋轉(zhuǎn)的角度相關(guān)。不幸的是，這個(gè)紅色的旋轉(zhuǎn)中心到底在“什么地方”，沒辦法簡(jiǎn)單測(cè)量。

針對(duì)這個(gè)問題，MicroMatch專門開發(fā)了機(jī)械手控制模塊，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的工作模式，按照先拍照再抓取，還是先抓取再拍照的不同，按照操作步驟執(zhí)行，系統(tǒng)自動(dòng)完成這兩個(gè)中心偏差的補(bǔ)償。

四、多邏輯多目標(biāo)管理技術(shù)

在很多機(jī)器人引導(dǎo)項(xiàng)目中，機(jī)器人需要涉及到多邏輯和多目標(biāo)的控制。一個(gè)機(jī)械手需要抓取不同的產(chǎn)品，然后放到不同的目標(biāo)位置去，如下圖說(shuō)明的情況。

由于目標(biāo)托盤有多個(gè)點(diǎn)位，需要根據(jù)產(chǎn)品的類型，和需要的目標(biāo)位置按順序放置，目標(biāo)位置管理比較復(fù)雜，這部分工作可以由機(jī)器人管理，但是機(jī)器人程序的維護(hù)和修改都比較麻煩，如果進(jìn)一步，目標(biāo)托盤的位置也不是固定的，如下圖的情況

對(duì)于這個(gè)需求，通常的控制邏輯是：

左邊相機(jī)將產(chǎn)品坐標(biāo)和型號(hào)送給機(jī)械手，右邊相機(jī)將目標(biāo)托盤的位置變化送給機(jī)械手，機(jī)械手根據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標(biāo)網(wǎng)格和托盤位置變化計(jì)算變化后（紅色網(wǎng)格）的托盤位置，然后再根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)放置到不同的位置去。

這種方式在實(shí)際操作中存在兩個(gè)麻煩的地方：1、很多機(jī)械手不支持根據(jù)偏差量（平移和旋轉(zhuǎn)），計(jì)算坐標(biāo)變換的功能（根據(jù)綠色網(wǎng)格和偏差量計(jì)算紅色網(wǎng)格的位置）；2、產(chǎn)品放置精度是相對(duì)于托盤而言，而目標(biāo)托盤在機(jī)械手坐標(biāo)系中的位置無(wú)法精確確定。

這對(duì)這種復(fù)雜的場(chǎng)景，MicroMatch智能相機(jī)系統(tǒng)將多邏輯和多目標(biāo)管理的功能全部集成到軟件里面，不需要機(jī)械手模塊讀取產(chǎn)品類型，也不需要機(jī)械手根據(jù)變化量計(jì)算計(jì)算托盤的位置變化，直接將對(duì)應(yīng)產(chǎn)品需要放置的最終目標(biāo)位置一次送給機(jī)械手，極大的減小視覺和機(jī)械手之間的配合復(fù)雜度。

五、通信技術(shù)

MicroMatch智能相機(jī)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，為了方便應(yīng)用于各種機(jī)械手視覺引導(dǎo)項(xiàng)目，和實(shí)現(xiàn)與各個(gè)品牌機(jī)器人通信需要非常完善。MicroMatch智能相機(jī)采用獨(dú)有且方便的“自由協(xié)議”技術(shù)，可以根據(jù)不同機(jī)械手廠家的通信規(guī)則，項(xiàng)目需求在不編程的情況下完成和各家機(jī)械手的對(duì)接工作。

如機(jī)械手要求發(fā)送3個(gè)數(shù)據(jù)（X，Y和角度），每個(gè)數(shù)據(jù)8位有效數(shù)字，小數(shù)點(diǎn)后保留3位小數(shù)，每個(gè)數(shù)字之間以；號(hào)隔開。要求協(xié)議格式為：

Image:

0000.000;0000.000;0000.000

Done

使用MicroMatch智能相機(jī)的構(gòu)建自由協(xié)議模塊設(shè)定如下參數(shù)：

相應(yīng)的輸出結(jié)果為

典型案例

一、金屬件組裝案例

項(xiàng)目需求是機(jī)械手盲抓“金屬片”，然后到相機(jī)上方拍照，MicroMatch智能相機(jī)拍照后控制機(jī)械手將金屬零件放到指定位置。項(xiàng)目需要組裝5片不同的“金屬零件“，為了加快速度用了兩臺(tái)機(jī)器人和兩臺(tái)MicroMatch智能相機(jī)，一個(gè)臺(tái)組裝2片，另外一臺(tái)組裝3片。由于抓取的5片產(chǎn)品都不一樣，相應(yīng)的放置位置也不同。由于MicroMatch智能相機(jī)具有多邏輯的處理功能，通過簡(jiǎn)單設(shè)置，就可以由一臺(tái)智能相機(jī)控制機(jī)械手分別抓取”不同“的產(chǎn)品放置到”不同“的目標(biāo)位置。

（方案實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)）

1、 使用自動(dòng)化方法完成鏡頭畸變校正和手眼標(biāo)定；

2、 使用MicroMatch軟件的算法組態(tài)功能，提取產(chǎn)品特征點(diǎn)坐標(biāo)；

由于設(shè)計(jì)多邏輯控制，組態(tài)算法讀取機(jī)械手指令后進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)指令執(zhí)行不同的算法。

3、 計(jì)算產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)角度；

4、 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償；

5、 構(gòu)建機(jī)械手通信協(xié)議；

6、 串口輸出控制機(jī)械手動(dòng)作；

（算法流程圖）

MicroMatch智能相機(jī)系統(tǒng)除了支持任意編輯算法流程外，還可以自定義發(fā)布界面，交付的項(xiàng)目界面如下

（組態(tài)界面）

二、高精度貼合案例

項(xiàng)目背景是屏幕的高精度貼合，機(jī)器人貼合精度要求6u，方案采用雙相機(jī)拍攝對(duì)角的方式提高精度。由于需要雙相機(jī)合作，需要將一個(gè)相機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送給另外一個(gè)相機(jī)，另外一臺(tái)相機(jī)收到數(shù)據(jù)后計(jì)算出最終結(jié)果控制機(jī)械手。

1、 相機(jī)A控制程序

相機(jī)A獲取手機(jī)兩條邊，然后計(jì)算兩條邊的交點(diǎn)，然后再使用“發(fā)送消息”模塊將坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)送給相機(jī)B

2、 相機(jī)B控制程序

相機(jī)B使用同樣的方法獲取屏幕的另外一個(gè)交點(diǎn)，然后使用“接收消息”模塊接收相機(jī)A發(fā)送過來(lái)的坐標(biāo)，計(jì)算出中心坐標(biāo)后，使用機(jī)械手模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的值控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。

總結(jié)

MicroMatch智能相機(jī)極大的降低了機(jī)械手視覺引導(dǎo)控制的門檻，不僅可以實(shí)現(xiàn)單相機(jī)配合還可以實(shí)現(xiàn)多相機(jī)配合的高精度多工位的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，軟件集成多邏輯和多目標(biāo)的管理，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的同時(shí)降低機(jī)械手編程的工作量。