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鋼桶視覺的機器人螺紋蓋裝配技術（1）-緒論
文/徐超
【摘要】
近年來隨著科技的進步和發展，自動化裝配技術得到了越來越廣泛的應用。在鋼桶的生產加工過程中，鋼桶螺紋蓋的裝配是鋼桶生產流水線上十分重要的一道工序，直接影響到鋼桶整體封閉性的好壞。為提高鋼桶生產流水線的自動化程度，解決鋼桶螺紋蓋人工裝配存在的生產效率低、裝配質量難以保證等問題，本文針對鋼桶螺紋蓋的自動化裝配技術展開研究，提出了一種基于視覺的鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統，并通過設計專用的末端執行器實現了鋼桶螺紋蓋的自動化裝配。
首先，根據實際生產要求，確定鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的總體方案，并通過對比分析確定了基于位置的Eye-to-Hand視覺控制方案和基于扭矩控制的螺紋裝配方案，同時對系統涉及的硬件進行選型，明確了鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的動作流程。
其次，對于鋼桶螺紋蓋的視覺定位算法展開研究，提出了一種鋼桶螺紋蓋中心定位算法。通過對鋼桶螺紋蓋圖像預處理、拉普拉斯線性銳化濾波以及處理后圖像的形態學孔洞填充，基于腐蝕性形態學梯度提取鋼桶螺紋蓋外輪廓曲線，實現中心定位。
再次，研究了Hough變換在直線特征提取中的應用，針對標準Hough變換進行直線特征提取時存在的問題，提出了一種基于改進隨機Hough變換的直線檢測算法，通過不同環境下的對比實驗，驗證了改進算法在直線特征提取時的優越性，并將該算法用于鋼桶螺紋蓋內部直線特征提取，根據提取直線的傾斜角確定鋼桶螺紋蓋的擺放角度，從而獲得鋼桶螺紋蓋的完整位姿信息。同時，研究了攝像機成像幾何模型及內外參數和工業上常用的手眼標定算法，并采用九點法進行視覺系統的手眼標定。
然后，結合鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的總體方案以及鋼桶螺紋蓋的內部結構特征，對用于鋼桶螺紋蓋裝配的專用末端執行器展開研究，設計開發了一種具有獨立動力源，并內置扭矩傳感器的專用末端執行器，融合了垂直進給與拾放動作，實現了鋼桶螺紋蓋的拾取和定扭矩裝配；同時對機器人工具參數標定算法展開研究，采用TCP多點標定法進行機器人工具參數標定，并通過對80mm標準尖點進行TCP多點法標定實驗，驗證算法標定精度。
最后，基于Visual Studio 2010開發平臺，采用C#高級編程語言，通過模塊化的編程方式，編寫了自動化裝配系統的上位機軟件，將系統上位機分為通訊模塊、標定模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊四大部分；編寫了機器人運動控制程序和末端執行器控制程序，實現了上位機與兩個下位機之間的通訊。
本文根據鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統總體方案、確定相關硬件，搭建系統仿真實驗平臺，編寫系統上、下位機程序，通過手眼標定和TCP標定得到相關參數，并在此基礎上進行多次鋼桶螺紋蓋自動化裝配實驗。實驗結果表明，本文所提出的鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統能夠代替人工操作實現鋼桶螺紋蓋的自動化裝配，且系統穩定可靠，并在一定程度上提高了鋼桶的生產效率，改善了企業的自動化程度。
關鍵詞：自動化裝配；工業機器人；機器視覺；鋼桶螺紋蓋；末端執行器
第一章 緒論
1.1 研究背景
近年來，隨著科技水平的不斷提高以及一些新興技術的引進和研發，我國的工業自動化水平取得了很大程度上的進步，在諸多領域都獲得了十分優秀的成績。根據前瞻產業研究院工業自動化行業報告，2012-2016年間我國工業自動化總產值取得了較大幅度的增長，其中2016年達到了2286.14億元，如圖1-1所示，預計到2022年，我國工業自動化總產值將超過5700億元。但從整體水平來看，一些傳統產業仍存在著自動化程度不夠、設備落后、生產效率低等問題，與國外一些發達國家相比，無論在工業自動化的發展水平還是應用程度方面都存在較大差距。目前國內很多機械類行業產品的裝配過程依舊依靠人工操作或采用機械半自動化的裝配方式，但隨著我國體力勞動者適齡人口數量的持續減少，勞動力成本在不斷上升；同時，人工裝配受主觀因素影響較大，裝配精度重復性差且裝配效率低。因此，實現產品的自動化生產將對機械裝配行業的發展產生深遠影響。
圖1-1 2012~2016年我國工業自動化行業總產值
改革開放以來，中國的包裝工業總產值以年均18%以上的增長率逐年遞增，目前已成為門類較為齊全并具有一定市場競爭力的產業。自上世紀70年代以來，中國現代制桶工業進入快速發展時期，對于包裝鋼桶的需求量更是日益增加。根據行業調查，我國的制桶類企業已超過 300 家，且產品種類較為齊全，僅100L-200L鋼桶的產量就已逾8000萬只，但國內的鋼桶生產線還未達到先進的自動化水平，雖然引進了一系列國外先進的生產設備和制桶技術，但與國際上發達國家相比仍存在較大程度上的差距，還沒有實現完全意義上的自動化生產。
工業機器人自1959年問世以來，經過不斷地發展與進步，已經在諸多領域得到越來越廣泛地應用，尤其在現代制造技術中起著舉足輕重的作用。工業機器人已經成為了自動化設備的典型代表，它涵蓋多種學科，代表著機電一體化的最高成就。它是一種被工業上普遍使用的自動化、智能化裝備，能夠代替操作者完成焊接、噴漆、裝配、上下料、機械加工等一系列工作。目前，國際上著名的工業機器人公司主要有機器人“四大家族”：瑞典的ABB、日本的FANUC、Yaskawa、德國的KUKA，這四家機器人企業占據的工業機器人市場份額達到60%～80%，除此之外還有美國的Adept Technology、Emerson Industrial Automation、瑞士的史陶比爾、英國的AutoTech Robotics等知名品牌；國內對于工業機器人的研究起步較晚，目前主要有：新松、新時達、埃夫特等國產機器人品牌。工業機器人研發水平和應用程度已經成為衡量一個國家科技發展程度的重要標志[7]，世界各國均制定了相關的發展戰略，例如美國的“NRI國家機器人發展計劃”、歐洲的第七研發框架計劃、日本的機器人發展路線圖、韓國的“839戰略計劃”以及中國的“863計劃”、“中國制造2025”等。據國際機器人聯盟（International Federation of Robotics，IFR）推測：全球范圍內工業機器人使用率將以年均15%的速率遞增，同時，我國在 2018~2020 年間工業機器人數量增速可達 22%。圖 1-2 為工業機器人的生產應用。
圖1-2 工業機器人的生產應用
機器視覺技術是一門采用計算機技術模擬生物視覺的科學技術，隸屬于模式識別學科，它通過圖像采集系統將模擬信號轉化為數字信號發送給計算機進行相應處理；機器人視覺系統給機器人裝上了“雙眼”，使其能夠感知外部環境，自主進行相應的動作。隨著科技的進步和發展，機器視覺技術在工業領域已經獲得了廣泛的應用。在自動化裝配過程中，單純地采用機器人往往不能滿足復雜的裝配要求，而機器視覺技術能夠有效地解決這一問題，從而減少裝配系統對于外部環境的依賴性，同時提高機器人的靈活性。圖1-3（a）展示了基于視覺的PCB板無損檢測，圖 1-3（b）展示了基于雙目視覺定位的并聯機器人分揀系統。
（a）基于視覺的PCB板檢測
（b）基于視定位的并聯機器人分揀
圖1-3 機器視覺的生產應用
1.2 研究目的及意義
在一個產品的生產過程中，裝配過程起到了至關重要的作用，裝配環節的好壞直接影響到產品的質量及整個企業的生產效率。在工業發展初期，產品的裝配過程都是依靠人工操作的方式，其中一部分產品的裝配所消耗的時間占了整個生產周期的53%左右。隨著產品工藝復雜程度的不斷提升，對于裝配質量的要求越來越高，傳統的人工裝配方式已經不能滿足市場需求，因此世界各國開始大力開展工業自動化，利用自動化設備代替人工進行裝配。
在鋼桶生產過程中，鋼桶螺紋蓋的裝配是鋼桶生產流水線上十分重要的一道工序。據調研，目前國內大部分包裝鋼桶生產企業該工序依舊處于依靠人工操作或機械半自動化的裝配方式，不但嚴重影響了整個流水線的自動化程度，還難以保證產品質量。國內某公司年生產銷售鋼桶能力達1200萬只，是生產規模最大的鋼桶包裝企業之一，但其鋼桶螺紋蓋的裝配過程依舊依靠專業工人進行手工裝配，不但費時費力，而且效率低下；基于此，本文為提高鋼桶生產流水線的自動化程度，解決人工裝配存在的裝配效率低、裝配質量差的問題，提出采用工業機器人結合機器視覺技術并通過設計專用的末端執行器來實現鋼桶螺紋蓋的自動化裝配過程，滿足鋼桶的生產需求。
實現裝配過程的自動化不但能夠避免人工裝配存在的效率低、精度差等一系列問題，還能夠節約生產成本。目前隨著人口老齡化的不斷發展，人工成本逐年上升，手工裝配在產品的總成本中所占的比例不斷增加，有些甚至達到了50%以上，因此實現裝配過程的自動化是未來制造業發展的必然趨勢，具有重要的意義。
1.3 國內外研究現狀
為實現鋼桶螺紋蓋的自動化裝配，本文涉及到的技術領域主要包括自動化裝配系統、機器人視覺技術以及螺紋蓋裝配技術。下面將從這三個方面對國內外的研究現狀依次進行介紹。
1.3.1 自動化裝配系統研究現狀
美國、日本、德國等工業發達國家對于自動化裝配技術的研究起步較早，早在1931美國福特汽車公司就已經率先建立了世界上首條汽車裝配流水線，該流水線將每輛T型汽車的組裝時間從12小時28分鐘縮短為90分鐘，極大地提高了汽車生產效率。
隨著時代的進步，人們對于產品的需求量逐漸增大，世界各國開始對柔性裝配系統（FAS，Flexible Assemble System）進行研發，美國波音公司率先將柔性裝配系統應用于生產實踐中，從而使得飛機的生產制造流程更加靈活，生產效率得到很大程度上的提升。日本豐田汽車公司研發出針對于汽車發動機非同步柔性裝配線，減少了物流運輸時間，提高了生產效率。
德國Manz集團研發了一種全新的模塊化LightAssembly自動化裝配平臺，是全球首創的高度整合自動化裝配流水線，通過模塊化的設計極大地提高了產能。德國德派公司憑借先進的自動化生產流水線成了工業擰緊解決方案和自動化設備的標桿企業。美國特斯拉公司的超級工廠項目將實現無人化全自動生產，通過機器人的相互配合使得生產效率極大提升。
中國的自動化裝配技術起步較晚，與國外發達國家相比仍存在較大的差距。前期主要依靠引進外國的先進自動化生產設備，但隨著國家相關科研計劃的順利開展，我國在自動化裝配方面也取得了一定的成果。例如格力電器應用于大松蘋果電飯煲的自動化包裝線，該包裝線通過多個機器人的協調配合實現了裝配過程的無人化。比亞迪自主研發的汽車裝配生產線自動化程度高達90%，該條生產線每天最多可生產600輛汽車，極大地提高了生產效率。
1.3.2 機器人視覺技術研究現狀
機器視覺是上世紀60年代末隨著計算機技術的高速發展而出現的，而機器人視覺技術是20世紀70年代發展起來的新興技術，其主要目的就是為了機器人構建視覺系統，使其能夠感知外部環境，并加以理解和分析從而做出相關決策。機器人視覺系統通過視覺傳感器獲取外部二維信息，并通過相關的處理器進行分析得出有用信號從而使得機器人能夠識別物體，并進行定位。
早在1968年，美國斯坦福人工智能實驗室就已經研制出了具有聽覺、視覺的智能計算機系統，該系統使得機器人能夠聽懂語音指令，并能夠識別出方塊等簡單的物體。美國普渡大學提出一種基于視覺控制的Bin-picking系統，該系統通過提取目標零件的特征信息，實現了不同零件的分揀功能。Sharaiha and Christofides通過將二維數字圖像表示成一個圖，像素作為圖的頂點，像素之間的鄰接關系表示成弧，提出了一種切削距離變換的圖論方法。
ABB公司開發出了一種用于機器人的雙目視覺系統，使得機器人可以自主完成軸孔裝配，且裝配誤差在亞毫米范圍內。韓國首爾科學技術大學Jong-Eun Ha提出一種四目視覺機器人對準算法，通過4個3D視覺傳感器，使得機器人能夠實現兩個工件的自主裝配。Martínez SS等設計了一種二元主動照明系統，從而使得非平面和透明表面的缺陷特征能夠被檢測和標記。在圖像處理算法方面，Bino Sebastian等將數學形態學與超圖相結合，提出一種超圖上的形態學新算子。Matas J等提出一種概率Hough變換（PPHT）算法，很大程度上減少了標準Hough算法的處理時間，提高了特征檢測效率從而更加符合生產的實時性要求。
我國對于機器人視覺技術的研究起步較晚，但隨著制造業對于自動化和先進設備的需求不斷增大，我國的很多高校和科研院所也開始對機器人視覺技術展開研究，并取得了一定的成果。中國科學院自動化研究所區志財等搭建了一種基于視覺伺服的機器人磨削系統，通過工業相機采集工件位置，并設計相應的圖像處理算法將位置信息反饋給機器人從而實現了視覺定位。西安理工大學王洪濤提出一種基于視覺的工業機器人目標識別定位方法，以改進的Hausdorff距離作為相似度度量特征，從而在距離變換的空間內實現了工件的識別。清華大學歲波等針對工業六軸機器人運動軌跡位置和姿態偏差問題，基于直線特征匹配提出了一種雙目視覺測量系統，有效解決了工業機器人運動軌跡精準度測量問題。解則曉等提出一種新型的基于線結構光工業機器人三維定位算法，并提出了一種手眼和工具坐標系聯合標定方法，實現工業機器人對于隨機目標的三維定位。伍錫如等通過訓練深度卷積神經網絡，提出一種快速視覺定位識別算法，在很大程度上提高了工業機器人視覺定位的實時性和準確度。內蒙古大學王玲琳等通過視覺伺服系統反饋工件位置信息，并通過模糊控制算法實現了工業機器人對于圓球工件的實時控制。除此之外，隨著我國工業機器人市場的不斷擴大，國內也形成了一批專業從事機器視覺開發的企業，如大恒、創科等，這些公司主要以產品代理為主，也存在一些自主研發的產品，但都處于低級階段不夠系統和深入。總體來說，我國的機器人視覺技術處于快速發展時期，并在一些方面取得了一定的成就，但就某些關鍵技術上而言，仍然有待進一步的研究。因此，對于機器人視覺技術的研究無論從理論研究層面還是從實際應用方面都具有重要意義。
1.3.3 螺紋蓋裝配技術研究現狀
國外對于螺紋蓋的封裝技術研究起步較早，在一些大型的包裝產品如礦泉水、啤酒、藥品類等灌裝生產線中，已經實現了理蓋、送蓋、旋蓋等基本工序的一體化生產。旋蓋機是用于螺紋蓋裝配的主要設備，根據相關資料顯示，全球目前三分之一的旋蓋機相關設備來源于德國，其銷量位于全球第一，其次是美國、日本等發達國家。德國SEN公司提出的X35型真空旋蓋機通過真空罩結構可以實現玻璃瓶的配蓋、夾緊、旋蓋等動作，其生產效率達到每分鐘500瓶。Krones公司提出的WFG型自動旋蓋機用于聚酯瓶灌裝生產線，具有良好的穩定性，且裝配合格率高，生產效率達到每小時40000瓶。隨著機器人技術的逐漸成熟，采用工業機器人進行螺紋蓋的裝配已經成為了一種發展趨勢，美國、日本等一些發達國家已經實現利用工業機器人進行螺紋裝配。如圖1-4所示，分別為采用六自由度工業機器人和Scara機器人進行螺紋蓋裝配的應用實例。
（a）六自由度工業機器人進行螺紋蓋裝配
（b）Scara機器人進行螺紋蓋裝配
圖1-4 機器人螺紋蓋裝配應用
我國在螺紋蓋裝配方面的研究相對起步較晚，總體來看，螺紋蓋裝配相關設備在自動化程度、裝配質量以及裝配效率等方面與國外發達國家還存在一定程度的差距。但隨著包裝產品需求量的不斷增大，國家對于相關科研項目的投資力度不斷提高，一些高校、科研院所取得了一定的研究成果，同時一些企業也研制出了相應的智能化旋蓋設備，如匯拓研發的化妝品柔性生產線“Super Master”打破了歐美的技術壟斷，使得產品向信息化、智能化方向大步邁進。
1.4 本文研究主要內容
在確定了課題的研究背景、研究目的及意義并對國內外研究現狀進行充分了解的基礎上，將對課題的研究內容、研究路線以及章節安排進行介紹。
1.4.1 研究內容
本文針對鋼桶生產流水線上鋼桶螺紋蓋裝配存在人工操作效率低、工作量大、且裝配質量難以保證的問題，研究一種采用工業機器人結合機器視覺代替人工操作的自動化裝配方案。
本文主要研究內容如下：
1、鋼桶螺紋蓋裝配系統總體方案研究
根據鋼桶生產流水線中鋼桶螺紋蓋的具體裝配要求，結合目前工業自動化的發展趨勢，對鋼桶螺紋蓋裝配系統的總體方案展開研究，提出采用工業機器人結合機器視覺代替人工進行鋼桶螺紋蓋裝配的總體方案；同時對系統中的視覺定位方案和螺紋裝配方案展開研究，最后進行相關硬件選型并確定鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的動作流程，為后續的相關研究奠定理論基礎。
2、鋼桶螺紋蓋位姿識別算法研究
在視覺控制方案基礎上，對圖像處理的相關內容展開研究，主要涉及鋼桶螺紋蓋圖像預處理、圖像形態學孔洞填充、基于腐蝕型形態學梯度提取鋼桶螺紋蓋外輪廓曲線以及識別定位等內容。研究基于Hough變換的直線特征提取算法，針對標準Hough變換進行直線特征提取時存在的問題，提出改進直線檢測算法，并設計不同環境下的直線特征提取的對比實驗，驗證算法的有效性和優越性，將算法用于鋼桶螺紋蓋內部直線特征提取，根據檢測直線的傾斜角度確定鋼桶螺紋蓋的擺放角度，得到完整位姿信息。研究攝像機成像幾何模型及內外參、手眼標定算法。
3、末端執行器的設計開發
根據鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的總體方案，結合鋼桶螺紋蓋的結構特征，對末端執行器的機械結構和控制系統展開研究，設計開發一種用于鋼桶螺紋蓋裝配的專用末端執行器，同時對機器人工具參數標定算法展開研究，確定機器人工具參數標定算法，并進行精度實驗驗證。
4、系統上位機軟件開發及相關程序編寫
基于Visual Studio 2010開發平臺，采用C#高級編程語言，通過模塊化的編程方式，針對鋼桶螺紋蓋的裝配要求，結合系統總體方案，進行自動化裝配系統上位機軟件的開發；同時編寫機器人運動控制程序和末端執行器控制程序，實現上位機與機器人和末端執行器之間的通訊，為鋼桶螺紋蓋自動化裝配提供軟件基礎。
5、鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統相關實驗
搭建鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統仿真實驗平臺，通過手眼標定、TCP標定得到相關參數，在此基礎上進行鋼桶螺紋蓋自動化裝配實驗，對實驗結果進行分析研究，驗證系統的有效性。
1.4.2 研究路線
本文研究路線如圖1-5所示。
圖1-5 研究路線
本文的主要研究方向分為視覺定位系統、末端執行器設計開發兩大部分內容，同時進行上位機開發、參數標定、系統通訊等相關內容的研究，最終實現鋼桶螺紋蓋的自動化裝配。
1.4.3 章節安排
本文章節安排如下：
第一章：緒論。主要介紹本文研究背景，闡述工業機器人、機器視覺技術在工業自動化裝配領域的應用前景，介紹國內外自動化裝配系統、機器人視覺技術以及螺紋蓋裝配技術的研究現狀，并結合研究的目的和意義對本文的主要內容和章節安排進行說明。
第二章：鋼桶螺紋蓋裝配系統總體方案。對鋼桶生產流水線上鋼桶螺紋蓋的裝配需求進行分析，確定鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統總體方案；同時，對系統整體進行研究，確定各部分方案，并對系統中涉及到的硬件進行選型，最后確定系統動作流程。
第三章：鋼桶螺紋蓋視覺定位方法。本章重點介紹鋼桶螺紋蓋的視覺定位方案，確定一種基于形態學的圖像邊緣檢測算法；同時提出一種基于改進隨機Hough變換的直線檢測算法用于提取鋼桶螺紋蓋的內部直線特征，并基于直線特征確定鋼桶螺紋蓋擺放角度；最后對攝像機的成像幾何模型和內外參數以及手眼標定算法展開研究。
第四章：機器人末端執行器結構及控制系統。本章將從專用末端執行器的機械結構設計、控制系統設計以及工具參數標定三個方面展開研究，設計開發一種用于鋼桶螺紋蓋裝配的專用末端執行器。
第五章：鋼桶螺紋蓋裝配系統搭建與實驗結果分析。本章將搭建基于視覺的鋼桶螺紋蓋自動化裝配系統的仿真實驗平臺，對系統上位機軟件進行開發，進行相關實驗以驗證系統方案的可行性和準確性。
第六章：結論與展望
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