发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于车辆组合件的检测设备，其能够自动地进行车辆组合件的质量检验、特别是同时实现安装误差和/或外观缺陷的自动检验。此外，本发明还提供一种带有这样的检测设备的车辆组合件生产系统。

本发明的一个方面涉及一种用于车辆组合件的检测设备，所述检测设备包括：

-人机协作机器人，用于在由输送单元所输送的车辆组合件周围移动；

-安装在人机协作机器人末端的摄像机，用于采集所述车辆组合件的图像；

-安装在人机协作机器人末端的三维激光扫描仪，用于对车辆组合件的表面进行三维扫描；

-用于所述人机协作机器人的控制装置；

-用于处理由摄像机和三维激光扫描仪所采集的数据的数据处理装置，以用于检测车辆组合件的安装误差和/或外观缺陷；

其中，根据摄像机所采集的图像来选取所述三维激光扫描仪的扫描位置和/或规划人机协作机器人的移动路径。

在本发明的范畴内，所述车辆组合件指的是用于车辆的由多个部件组成的组合件，例如车辆内饰总成：仪表板总成、车门内饰总成、侧围内饰总成、顶盖内饰总成、背门内饰总成、行李舱总成；车身表面总成：前后车门总成、发动机舱总成、背门总成等等。这些车辆组合件通过多个不同部件相组装并且通过插接、搭接、焊接、粘结、螺接等方式相互连接。

在车辆生产中需要对上述车辆组合件的装配进行监控，以保证将正确的部件以正确的方式安装在车辆组合件中。在此，将监控的具体项目总结为安装误差和/或外观缺陷，其包括组合件整体上的布局、配置、各部件的选件、造型、位置、角度、材质、颜色、表面上的划痕、开裂、凹陷、突起、翘曲、弧度、平整度、平滑度、纹理、各部件间的间隙、面差、各部件的几何尺寸偏差。其中特别关注在车辆组合件的表面上由于上述连接而存在的间隙以及面差。而这样的间隙以及面差将会营造美学感受、体现生产质量、直接反映车辆档次、甚至影响车辆组合件的功能。因而，对于间隙以及面差的检测是特别关键的。

按照本发明，所述人机协作机器人是指设计用于与人类处于共同工作空间中的机器人，其考虑了人类在机器人的近距离出现、甚至互动，设置有对周围人类的安全保护。相对于一般的工业机器人，人机协作机器人在实现多自由度的运动的同时具有小型化尺寸、高运动精度和高人员安全性。因此，在按照本发明的检测设备周围不必设置防护罩也无须禁止人员通行和甚至交互。

在本发明中，设有人机协作机器人，在人机协作机器人末端安装有用于采集所述车辆组合件的图像的摄像机以及用于对车辆组合件的表面进行三维扫描的三维激光扫描仪。在本发明中，所述摄像机可以是在可见光范围内的工业摄像机。所述三维激光扫描仪包含有激光光源及扫描器、受光感测器、控制单元等部分并且可以使用飞行时间测距或三角测距原理。不限于三维激光扫描仪，由于人机协作机器人能够为扫描仪赋予可移动性，本发明也可以使用三维结构光扫描仪。在使用三维结构光扫描仪的情况下甚至可以将所述摄像机用作扫描器。

通过安装在人机协作机器人末端的摄像机采集到的图像数据以及通过安装在人机协作机器人末端的三维激光扫描仪的扫描数据能够检测车辆组合件的安装误差和/或外观缺陷，如组合件整体上的布局、配置、各部件的选件、造型、位置、角度、材质、颜色、表面上的划痕、开裂、凹陷、突起、翘曲、弧度、平整度、平滑度、纹理、各部件间的间隙、面差、各部件的几何尺寸偏差。与单纯固定安装的摄像机和三维激光扫描仪相比，通过人机协作机器人的可运动性能够实现在车辆组合件表面之上的多个位置进行立体式检测，例如顶面、底面、正面、背面、侧面等。特别是对于表面不规则的车辆组合件、如仪表板总成来说，可以在凹凸不平或具有弧度的表面上进行检测，而不受固定的采集点的限制。此外，特别是对于设置在空间内壁上的表面同样可以实施检测，例如在检测行李舱总成时，人机协作机器人能够使得其末端移动到行李舱空间中。由此，通过本发明，将人机协作机器人与摄像机和三维激光扫描仪进行结合，扩展了两者的光学检测范围，使得它们不仅可以在空间中的不同位置进行检测，如在空间上多个不同位置逐点地进行拍摄和扫描；而且特别是可以随着人机协作机器人的运动进行检测。特别是例如可以跟随曲面或非直线轮廓连续地实施检测，从而得到沿着所述曲面或轮廓的无中断的变化曲线。

按照本发明，由于在人机协作机器人的末端同时安装有摄像机和三维激光扫描仪能够同时地采集车辆组合件的图像和三维构型、特别是测量间隙和面差以及表面上的缺陷，从而通过仅一次经过车辆组合件之上就可以全面地了解其表面情况。这样，不仅实现对于车辆组合件的相对“宏观”的检测：如组合件整体上的布局、配置、各部件的选件、造型、位置、角度、材质、颜色是否正确或者是否与装配要求存在较大差异；而且实现对于所述车辆组合件的相对“微观”的检测：车辆组合件表面上的划痕、开裂、凹陷、突起、翘曲、弧度、平整度、平滑度、纹理、各部件间的间隙、面差、各部件的几何尺寸偏差。

而且，按照本发明，根据摄像机所采集的图像来选取所述三维激光扫描仪的扫描位置和/或规划人机协作机器人的移动路径。在此，设置在人机协作机器人的末端上的摄像机不单单是一个简单的执行器，更是对于人机协作机器人和/或三维激光扫描仪的视觉引导的基础。通过摄像机所采集的图像来控制测量的实施、亦即控制人机协作机器人的移动和/或三维激光扫描仪的扫描位置。在此，需要说明的是，在本发明中，摄像机、三维激光扫描仪和人机协作机器人三者不是相互独立的或者简单加和，而是有机地相互结合且相互协作。

通过按照本发明检测设备，可以自动化地检测是否将正确的部件以正确的方式符合规定地安装在车辆组合件中。通过本发明，首先可以代替人工检查、节省用于检验的人工成本、减少返修造成的附加工时，并且因此提高生产效率。而且，由于避免质检工使用接触性的测量工具、例如塞尺，也能够避免在测量过程中对车辆组合件的意外损伤。同时也省去人工检查时反复移动身体，避免劳动损伤。第二，由于使用人机协作机器人，可以对车辆组合件进行全面性的检测，相对于固定设置的摄像机和扫描仪增加了检测的维度，使得能够检测车辆组合件表面上的任意部分，而不局限于固定的拍摄范围。第三，基于人机协作机器人，显著提高检测精度和检测效率。例如通过三维激光扫描仪对于间隙检测的精度可达0.1mm，而且结合人机协作机器人能实现快速且定位准确的移动，缩短对车辆组合件检测的时间长度，提高生产效率。

按照本发明的一种实施方式，利用所述摄像机采集车辆组合件的整体上的布局、配置、各部件的选件、造型、位置、角度、材质、颜色；和/或利用所述三维激光扫描仪采集车辆组合件表面上的划痕、开裂、凹陷、突起、翘曲、弧度、平整度、平滑度、纹理、各部件间的间隙、面差、各部件的几何尺寸偏差。可见，通过本发明能同时实现对车辆组合件的相对“宏观”和相对“微观”的检测。具体而言，通过设置在人机协作机器人末端的摄像机可以拍摄车辆组合件的静态图像(照片)或动态图像(视频)，通过对所述静态或动态画面进行识别可以知晓整体上的布局、配置、各部件的选件、造型、位置、角度、材质、颜色。以车辆的仪表板总成为例，通过对摄像机图像的识别例如可以检测其整体布局是否正确；是否安装了正确的部件；各个部件是否具有正确的造型；各个部件是否安装在符合规定的位置中；各个部件是否具有正确的材质和颜色。在此，通过与预存储的图像比较，不仅可以查明图像中是否出现了正确的部件，而且可以查明部件是否以正确的方式(如方向、位置、角度等)进行安装。相对于此，通过三维激光扫描仪不仅可以捕捉车辆组合件表面的细节问题，如划痕、开裂、凹陷、突起、翘曲、弧度、平整度、平滑度、纹理。而且通过三维扫描还可以高精度地获得各部件间的间隙、面差、各部件的几何尺寸偏差。

按照本发明的一种实施方式，通过所述摄像机应用立体视觉测量获得包括三维坐标和颜色信息的点云信息，该点云信息能够与通过三维激光扫描仪获得的包括三维坐标和激光反射强度的点云信息相耦合。在此，耦合表示将具有相同三维坐标的颜色信息和激光反射强度信息相关联。由此得出能够完整还原车辆组合件表面情况的点云集合，在该点云集合中，对于每个表面上的三维坐标都存在相应的激光反射强度和颜色信息。通过这样的方式形成关于车辆组合件的完整的表面信息，由此能够重建车辆组合件的彩色的三维模型。在此，为了应用立体视觉测量，优选地可以基于人机协作机器人和/或车辆组合体借助于运输单元的可移动性对单目摄像机在不同位置所拍摄的图像应用立体视觉测量法。备选地还可以使用双目摄像机。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备包括读取装置，其用于读取车辆组合件和/或运输单元的编号，所述数据处理装置根据所述编号获取车辆组合件的标准数据并且将其与所采集的数据进行比较。在此，知晓车辆组合件和/或运输单元的编号有利于检测数据的归档，以便于日后追溯。在涉及混线生产的情况下，该实施方式是特别有利的。在混线生产系统中，通常在一条生产线上同时生产的车辆组合件可能属于不同的车型和/或同一车型的不同配置。例如，在同一条生产线上先后地、特别是相互穿插地为轿车和越野车生产其仪表板总成。还可能的是，用于同一车型的仪表板总成之间存在细微差异，如在部分接缝处安装镀铬饰条。这时，人工检测可能会混淆这些配置、甚至完全无法顾及这些细节。根据本发明的该实施方式，通过读取上述编号可以容易地获取相应车辆组合件的标准数据，如标准图像、标准尺寸、规定容差等。所述数据处理装置将上述标准数据与实际采集到的数据进行比较，从而得到与标准数据的偏差，例如在图像中各部件位置、形状、颜色等方面的差异，以及接缝处的间隙是否符合规定。所述读取装置可以包括扫码器、号码读取器、带有号码识别的光学传感器、RFID标签读取器或诸如此类。特别是所述车辆编号读取装置通过图像识别和/或无线通信来读取车辆组合件和/或运输单元的编号。特别是优选地，所述设置在人机协作机器人末端的摄像机用作为上述读取装置。由此简化按照本发明的检测设备的构成。

按照本发明的一种实施方式，所述三维激光扫描仪对车辆组合件进行整体扫描或者仅进行局部扫描。在此可以全面地扫描车辆组合件整体，以获得全面详尽的检测信息。然而，为了节省检测时间并且降低数据处理量和存储量，也可以仅对车辆组合件的部分位置进行抽检。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备的检测在输送单元停止的情况下进行，通过摄像机检测车辆组合件的停止位置偏差，用于所述人机协作机器人的控制装置根据所述停止位置偏差来补偿人机协作机器人的运动。例如，通过对摄像机所采集的图像识别来测量出输送单元将车辆组合件停放的停止位置与标准检测位置的偏差值。根据这个偏差值，如果偏差值为零，人机协作机器人在测量时的运动和定位是按预设程序和参照预设位置进行；如果偏差值不为零，则将该偏差值补偿到人机协作机器人预设定的轨迹和参照位置中，及时调整运行轨迹和测量点位置，保证能够对正确的位置进行测量。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备的检测在输送单元运动的情况下进行，通过摄像机采集车辆组合件的运动，所述用于所述人机协作机器人的控制装置使人机协作机器人的末端追踪所检测到的运动，和/或所述数据处理装置在数据处理中考虑所检测到的运动。在此，通过摄像机实现对随着输送单元运动的车辆组合件的实时的位置检测。由此，人机协作机器人能够追踪所检测到的运动，使得人机协作机器人末端实现对该运动的追踪，使人机协作机器人末端与车辆组合件同步运动或者将该运动叠加或扣除在车辆组合件静止情况下人机协作机器人末端原本应进行的检测运动。在这里，叠加表示人机协作机器人末端实施的运动不仅包含本应进行的检测运动分量还有车辆组合件随运输单元运动的分量，由此，人机协作机器人末端将相比于车辆组合件静止时实现更大的运动。扣除则例如表示，由于车辆组合件处于沿一个方向的匀速移动，则可以从原本的检测运动中免除人机协作机器人末端在这个方向上的移动。此外，所述数据处理装置在数据处理中考虑所检测到的运动，特别是补偿检测到的移动、振动、晃动等。

按照本发明的一种实施方式，所述数据处理装置在通过摄像机和三维激光扫描仪两者之一确定出不合规的安装误差和/或外观缺陷时利用另一个进行核验。通过这样的方式，在两种不同的检测数据中对同一个问题进行双重校验，由此降低检测中的误差，提高检测的准确性。

按照本发明的一种实施方式，人机协作机器人使其末端的摄像机在至少两个不同位置上采集车辆组合件的图像，所述数据处理装置根据这些图像以及在所述至少两个不同位置之间的位移重建车辆组合件的三维模型。在此同样应用立体视觉测量法。而且，仅仅基于现有的单目摄像机就能实现粗略地对要检测的车辆组合件进行立体建模。这样，最大化地利用按照本发明的检测设备的现存部件完成尽可能更多检测任务。

按照本发明的一种实施方式，在所建立的车辆组合件的三维模型中确定预定义的特征部位，由此选取所述三维激光扫描仪的扫描位置和/或规划人机协作机器人为进行所述扫描而需要执行的移动路径。特别是，所述特征部位为表面上亮度和/或灰度强烈变化的部位。这样的部位通常代表棱边、缝隙、台阶、饰条等，而对这些部位测量间隙、面差又是特别需要的。由此，按照本发明的检测设备可以自行寻找需要检测的位置而无需用户预先规定。这样能实现检测设备的智能化。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备包括设置在人机协作机器人末端的抓具或机械手。通过这样的方式，按照本发明的检测设备不仅能够实现视觉检测，还能够进行运动功能检测。优选地，利用所述抓具或机械手对车辆组合件实施操纵，例如按压按键、旋拧旋钮、开关手套箱或车门、翻折遮阳板、拨动换气格栅等等。特别优选地，在所述抓具或机械手中设置有传感器，以用于测量在操纵车辆组合件时反馈的阻力和/或力矩。通过所述传感器能够进一步地定量地对车辆组合件的运动功能进行评价。上述抓具或机械手可以与摄像机和三维激光扫描仪以各种方式集成在人机协作机器人的末端。例如可以将抓具或机械手与摄像机和三维激光扫描仪集成在末端上的可旋转部件的对置的两端上。此外，考虑可枢转到背后地或可收纳地安装所述抓具或机械手。使得所述抓具或机械手不会妨碍摄像机和三维激光扫描仪的检测。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备包括存档装置，其用于存储关于车辆组合件的数据。通过对车辆组合件的数据存档可以实现为每个车辆组合件建立其生产档案，便于日后的质量查询和质量追溯。

按照本发明的一种实施方式，所述检测设备包括报警装置，其用于在确定出不合规的安装误差和/或外观缺陷时向用户报警、特别是发出表示禁行的光学信号和/或声学信号。按照本发明的检测设备优选设置在相应的车辆组合件装配步骤之后、特别是紧邻于车辆组合件装配场所地设置。由此，在装配结束之后可以马上进行检验，以便于立即知晓装配正确与否。在装配了错误的部件或者未按照规定进行装配时，检测设备的报警装置将立即通过灯光和/或声音反馈给装配人员，从而装配人员可以就地马上进行错误更正、例如换上正确的部件或者调整部件的安装。在此，视觉信号可以通过灯光的点亮与熄灭、灯光颜色、灯光的动态效果等给出；而听觉信号可以通过提示音、语音、音乐等给出。优选发出听觉信号，因为装配人员不必耗费时间去观察相应的灯光而仅需将注意力集中于下一装配步骤。按照这一实施方式，只有在其中以正确的方式符合规定地安装了正确的部件的车辆组合件才能够被放行，继而沿生产线继续组装。由此，能够以极高的效率保证合格率，提高车辆组合件质量，减少返工维修所耗费的工时。特别是，所述检测设备包括显示装置，其用于向用户用图像显示检测结果和/或确定出的不合规的安装误差和/或外观缺陷。所述显示器显示以下中的至少一项：参考图像、采集的图像与参考图像的差异、正确部件以及车辆配置。由此，装配人员通过输出装置的显示器能够清楚地了解部件装配的问题所在，方便其进行部件更换或者部件改装或重装。特别是，在所述显示装置上，所确定的不合规的安装误差和/或外观缺陷标记在由摄像机采集的图像上。优选地，所述显示装置显示以下中的至少一项：参考图像、检测图像与参考图像的差异、正确部件布局和配置。由此，装配人员通过显示装置能够清楚地了解装配的问题所在，方便其进行部件更换或者部件改装或重装。

按照另一方面，本发明还涉及一种车辆组合件生产系统，其包括用于输送车辆组合件的输送单元以及按照本发明的检测设备。需要说明的是，按照本发明的车辆组合件生产系统的各个实施方式和技术效果可以参照以上对于检测设备的说明。通过本发明的车辆组合件生产系统能够实现自动化的检验、高效的生产、降低的错误率、提高的车辆组合件装配合格率以及缩减的人工成本和时间成本。