1.1研究背景

近年来，工业机器人飞速发展，被广泛应用于汽车零件加工、汽车车身喷涂、汽车整车装配等各个加工环节，不仅如此，工业机器人还被应用于物流分拣、仓库搬运、食品加工等领域。国际机器人联合会发布的《2018年世界机器人报告》显示，在2012-2017年间，全球的工业机器人销量以年均 19% 的增速迅猛增长，中国自 2013 年以来就成为全球工业机器人的最大买家，并在 2017 年买下 13.8 万台设备，占全球总销量的 36%，较 2016 年购买的数量增加了 59%[1]。由此可见未来会有更多的工业机器人被投放到工业生产领域中来。机器人的出现，能够为企业提供更安全的工作环境，减少劳动风险，减少企业的生产成本，提高企业产品的竞争力，例如，一台机器人的成本相当于3年的工人工资，寿命却达到10年以上，企业处于成本考虑，选择用机器人替代部分工人，此外，在一些危险而且对人体有害的生产环境，如喷涂车间、冲压车间、焊接车间、热处理车间等，使用机器人能够避免危险环境对人体造成伤害。

随着机器人的快速发展，机器人的智能化程度越来越被人们所重视，以往的机器人一般通过示教或者离线编程的方式来进行特定的动作，这样的机器人只能在特定的环境模型下工作，当环境模型发生改变时，会使产品的质量和精度受到影响，因此机器视觉技术应用而生。机器视觉技术是一门多学科的综合学科，涉及到神经生物学、电子图像处理、电子通信技术、模式识别等领域[2]。随着机器人技术的发展，机器人视觉已成为机器视觉的先导，机器人视觉被广泛应用于测量、检测、三维重建等领域，同时随着计算机处理能力的加强，图形处理算法的成熟，越来越多高效快捷的机器人视觉处理系统被开发出来，机器人视觉的应用程度达到最大化[2]。

商用车发动机在制造过程中，发动机缸体毛胚通常铸造成型，由于商用车发动机排量大，气缸数目较多，因此发动机整体体积庞大，给后续机加工时工位的移动带来了很大的不便，有的发动机甚至将缸体和曲轴箱连铸在一起，可想而知，发动机缸体在机加工时的工位移动是非常耗时耗力的。以往商用车发动机工厂在进行发动机的机加工时，通常在发动机毛胚上设有工艺孔，为的是在加工时方便钩挂发动机缸体 ，在钩挂好之后，将发动机缸体移动到指定工位进行人工定位加工，这样的加工方式，不仅要耗费巨大的人力成本，使产品不具有竞争力，而且效率低下，因此，越来越多的发动机工厂开始改进生产线，引进机器人，提高自己产品的竞争力。

《中国制造2025》提出，将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的重点领域之一，机器人产业的发展要“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工等工业机器人应用”[3]。将机器人技术应用于传统制造行业中，提高企业的科技化生产水平，降低企业的生产成本，是中国智能制造发展的重要一环，也是中国从制造大国向制造强国转变的关键。基于视觉导引的汽车发动机缸体上料与检测机器人具有效率高、自动化程度高、灵活性高、环境要求低等优点。国外在汽车发动机零部件上料方面早已采用机器人上料，但目前国内的汽车发动机生产厂家引进的机器人上料生产线较少，与国外同行业差距较大。基于目前我国汽车制造业的基本情况，不论是从制造强国转化的角度还是从降低企业生产成本，提高企业竞争力的角度，开展基于视觉导引的汽车发动机缸体上料与检测机器人系统的研究是刻不容缓的。

1.2 研究目的及意义

本课题来自华科大智能装备公司与一汽锡柴合作的“6DM缸体毛坯检测与上料系统”项目，主要研究一种基于视觉导引的发动机缸体上料与检测机器人系统，本课题主要利用机器视觉技术，首先进行摄像机标定和机器人手眼标定，得出摄像机图像坐标和机器人世界（机器人末端）的坐标关系，然后利用摄像机获取图像，对图像进行处理，紧接着对处理过后的图像进行特征提取，基于提取出来的图像特征和机器人手眼标定得出的变换矩阵，引导机器人移动到指定的位置，然后进行抓取上料。本课题的研究解决了视觉导引机器人的相关图像处理以及空间信息准确获取的问题，为视觉导引机器人的工程应用提供了有力的技术支撑，该系统的推广应用将进一步提升视觉导引机器人的自动化工作水平[4]，同时通过此项目的研究，可以改变传统的发动机缸体的生产模式，大幅提高生产效率，缩减企业的生产成本，提高发动机厂产品的竞争力，同时也能够推进中国制造向高科技制造发展。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内外机器人发展概况

美国是机器人的诞生地，早在1962年就研究出世界上第一台工业机器人，经过50多年的发展，美国已成为世界上的机器人制造强国之一，基础雄厚，技术先进；20世纪70年代，日本面临严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要原因，于是日本开始积极从美国引进机器人及其技术，并由汽车行业逐步扩大到各行业，20世纪80年代，日本的工业机器人处于鼎盛时期，虽然后来经过短暂的低迷期但是又迅速恢复了辉煌，至今一直保持国际领先地位；德国的工业机器人数量占世界第三，其智能机器人的研究和应用也在世界上处于领先地位。目前世界上的机器人供应商分为日系和欧系，瑞典的ABB公司是世界上最大的机器人制造公司之一，ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域[5]。目前德国和日本分别提出了德国工业4.0计划和日本新机器人战略，从中可以看出未来下一代机器人最显著的特征为自主化、数据终端化、网络化[6]。