隨著國內(nèi)人力成本的逐年上漲，在中國廉價勞動力優(yōu)勢逐漸消失的背景下，“機器換人”已是大勢所趨。同時中國制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國際先進制造、進一步要求工業(yè)機器人向著智能化方向發(fā)展，智能工業(yè)機器人將成為未來的技術(shù)制高點和經(jīng)濟增長點。
工業(yè)機器人智能化，將個性化的軟件模塊、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合，沒有視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)，機器人無法完成工作。對于機器人視覺引導(dǎo)，MicroMatch智能相機是一個非常好的選擇。
MicroMatch智能相機是麥克瑪視電子研發(fā)的一款超小型一體式的智能相機，能夠?qū)λ行袠I(yè)，各種零件執(zhí)行快速、精確的檢測。其緊湊的尺寸可方便地安裝到空間受限的生產(chǎn)線上，且獨特的模塊化設(shè)計可根據(jù)應(yīng)用要求現(xiàn)場高度定制。
MicroMatch智能相機是一個性價比極高的解決方案，Micro6000系列工業(yè)智能相機具有小巧堅固的工業(yè)級外殼，抗震動、抗沖擊能力強，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)場不同品牌設(shè)備通信接入，集成豐富的機器視覺算法工具。Micro6000系列智能相機廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和消費品以及其他行業(yè)的自動化制造，包括食品和飲料、藥品、包裝、物流、航空、半導(dǎo)體、太陽能、新能源電池、機器人定位引導(dǎo)等行業(yè)。
關(guān)鍵技術(shù)
機器人引導(dǎo)視覺應(yīng)用中涉及到眾多關(guān)鍵技術(shù)，和視覺相關(guān)主要有以下幾個方面。
一、坐標標定技術(shù)（手眼標定）
在機器人引導(dǎo)應(yīng)用中，涉及到多個坐標系的轉(zhuǎn)換，機器人坐標系，工具坐標系，圖像坐標系等。
在這類應(yīng)用中，首先要確定各個坐標系之間的對應(yīng)關(guān)系。MicroMatch智能相機提供了自動化方法完成各個坐標系之間的標定。
很多視覺產(chǎn)品的自動化標定方法是將標定板固定或者安裝在機器人上，這種方法在實際項目中具有很大的局限性。因為在很多項目中，尤其是高精度的場合，相機的拍攝位置很可能在機械手的行程之外，或者由于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，機械手根本沒辦法運動到相機視場范圍里。
針對這些問題，MicroMatch采用了更加靈活的標定方案，只要讓機械手抓取一個具有明顯特征的“剛體“。只要”剛體“的一段能夠進入相機的拍攝范圍，完成一系列指定動作，就可以完成標定，方便快捷。
由于機械手抓取的是“任意剛體”，沒有預(yù)先設(shè)置好的特征點，需要借助于MicroMatch軟件先進的算法組態(tài)功能提取特征點。
算法提取特征點后，按照指定的動作運動，自動獲取運動后的特征點位置，完成標定。
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，無法消除，只能改善。這種失真對于照片的視覺成像質(zhì)量是非常不利的，鏡頭畸變導(dǎo)致實際圖像的特征點位置發(fā)生偏差，在高精度的視覺引導(dǎo)項目中，必須準確校正鏡頭的畸變。
鏡頭畸變校正技術(shù)比較成熟，但是在實際項目應(yīng)用中比較復(fù)雜，一個非常突出的問題是由于機構(gòu)安裝空間、光源照射方式等限制，不能獲取完整的標定板的圖像，這個給標定工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。
針對這個問題，MicroMatch智能相機采用自定義的標定板，魯棒性更高的標定算法，在標定板不完整，部分被遮擋，甚至標定板內(nèi)部部分區(qū)域被遮擋的情況下，都能準確完成鏡頭畸變標定。
標定板部分被遮擋的情況下完成畸變標定
三、機器人旋轉(zhuǎn)補償技術(shù)
在實際機器人引導(dǎo)項目中，機械手上都需要根據(jù)抓取的產(chǎn)品定制不同的“夾具”，這就給高精度的機器人引導(dǎo)項目帶來了一個非常大的問題，就是夾具的中心和機械手的旋轉(zhuǎn)中心存在偏差。這個偏差直接導(dǎo)致在很多涉及到旋轉(zhuǎn)的項目上精度下降很多，而校正這個偏差非常復(fù)雜。
部分國外的機器人控制系統(tǒng)都支持旋轉(zhuǎn)中心補償技術(shù)，但是這個補償只能通過目視完成，“目視”矯正方式將嚴重降低系統(tǒng)精度，只能在一定程度上減小這個因素帶來造成的影響，但是無法保證精度。況且絕大多數(shù)國產(chǎn)的機器人系統(tǒng)都不具備這個功能，對于機器人旋轉(zhuǎn)的補償只能有配套的視覺系統(tǒng)來解決。
上圖中，十字線是夾具的中心，紅色點是機械手旋轉(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，這個紅色的旋轉(zhuǎn)中心到底在“什么地方”，沒辦法簡單測量。
針對這個問題，MicroMatch專門開發(fā)了機械手控制模塊，根據(jù)實際項目的工作模式，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)自動完成這兩個中心偏差的補償。
四、多邏輯多目標管理技術(shù)
在很多機器人引導(dǎo)項目中，機器人需要涉及到多邏輯和多目標的控制。一個機械手需要抓取不同的產(chǎn)品，然后放到不同的目標位置去，如下圖說明的情況。
由于目標托盤有多個點位，需要根據(jù)產(chǎn)品的類型，和需要的目標位置按順序放置，目標位置管理比較復(fù)雜，這部分工作可以由機器人管理，但是機器人程序的維護和修改都比較麻煩，如果進一步，目標托盤的位置也不是固定的，如下圖的情況
對于這個需求，通常的控制邏輯是：
左邊相機將產(chǎn)品坐標和型號送給機械手，右邊相機將目標托盤的位置變化送給機械手，機械手根據(jù)實現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標網(wǎng)格和托盤位置變化計算變化后（紅色網(wǎng)格）的托盤位置，然后再根據(jù)產(chǎn)品型號放置到不同的位置去。
這種方式在實際操作中存在兩個麻煩的地方：1、很多機械手不支持根據(jù)偏差量（平移和旋轉(zhuǎn)），計算坐標變換的功能（根據(jù)綠色網(wǎng)格和偏差量計算紅色網(wǎng)格的位置）；2、產(chǎn)品放置精度是相對于托盤而言，而目標托盤在機械手坐標系中的位置無法精確確定。
這對這種復(fù)雜的場景，MicroMatch智能相機系統(tǒng)將多邏輯和多目標管理的功能全部集成到軟件里面，不需要機械手模塊讀取產(chǎn)品類型，也不需要機械手根據(jù)變化量計算計算托盤的位置變化，直接將對應(yīng)產(chǎn)品需要放置的最終目標位置一次送給機械手，極大的減小視覺和機械手之間的配合復(fù)雜度。
五、通信技術(shù)
MicroMatch智能相機作為一個標準產(chǎn)品，為了方便應(yīng)用于各種機械手視覺引導(dǎo)項目，和實現(xiàn)與各個品牌機器人通信需要非常完善。MicroMatch智能相機采用獨有且方便的“自由協(xié)議”技術(shù)，可以根據(jù)不同機械手廠家的通信規(guī)則，項目需求在不編程的情況下完成和各家機械手的對接工作。
如機械手要求發(fā)送3個數(shù)據(jù)（X，Y和角度），每個數(shù)據(jù)8位有效數(shù)字，小數(shù)點后保留3位小數(shù)，每個數(shù)字之間以；號隔開。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
項目需求是機械手盲抓“金屬片”，然后到相機上方拍照，MicroMatch智能相機拍照后控制機械手將金屬零件放到指定位置。項目需要組裝5片不同的“金屬零件“，為了加快速度用了兩臺機器人和兩臺MicroMatch智能相機，一個臺組裝2片，另外一臺組裝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智能相機具有多邏輯的處理功能，通過簡單設(shè)置，就可以由一臺智能相機控制機械手分別抓取”不同“的產(chǎn)品放置到”不同“的目標位置。
（方案實施現(xiàn)場）
1、 使用自動化方法完成鏡頭畸變校正和手眼標定；
2、 使用MicroMatch軟件的算法組態(tài)功能，提取產(chǎn)品特征點坐標；
由于設(shè)計多邏輯控制，組態(tài)算法讀取機械手指令后進行邏輯判斷，根據(jù)指令執(zhí)行不同的算法。
3、 計算產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)角度；
4、 機械手旋轉(zhuǎn)補償；
5、 構(gòu)建機械手通信協(xié)議；
6、 串口輸出控制機械手動作；
（算法流程圖）
MicroMatch智能相機系統(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，交付的項目界面如下
（組態(tài)界面）
二、高精度貼合案例
項目背景是屏幕的高精度貼合，機器人貼合精度要求6u，方案采用雙相機拍攝對角的方式提高精度。由于需要雙相機合作，需要將一個相機的數(shù)據(jù)發(fā)送給另外一個相機，另外一臺相機收到數(shù)據(jù)后計算出最終結(jié)果控制機械手。
1、 相機A控制程序
相機A獲取手機兩條邊，然后計算兩條邊的交點，然后再使用“發(fā)送消息”模塊將坐標點發(fā)送給相機B
2、 相機B控制程序
相機B使用同樣的方法獲取屏幕的另外一個交點，然后使用“接收消息”模塊接收相機A發(fā)送過來的坐標，計算出中心坐標后，使用機械手模塊進行旋轉(zhuǎn)補償，補償后的值控制機械手運動。
總結(jié)
MicroMatch智能相機極大的降低了機械手視覺引導(dǎo)控制的門檻，不僅可以實現(xiàn)單相機配合還可以實現(xiàn)多相機配合的高精度多工位的復(fù)雜應(yīng)用場景，軟件集成多邏輯和多目標的管理，在實現(xiàn)復(fù)雜功能的同時降低機械手編程的工作量。
