(高清版)GB∕T 39005-2020 工业机器人视觉集成系统通 用技术要求

ICS25.040.30工业机器人视觉集成系统通用技术要求国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会GB/T39005—2020 I 3术语、定义和缩略语 4分类 3 5 5 99通信协议 附录A(资料性附录)工业机器人视觉集成系统坐标系标定 附录B(资料性附录)部件参数编码 IGB/T39005—2020本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归口。本标准起草单位：深圳市大富科技股份有限公司、深圳市标准技术研究院、浙江瓿达机器人制造有限公司、配天机器人技术有限公司、博众精工科技股份有限公司、北京机械工业自动化研究所有限公司、浙江明泉工业装备科技有限公司、广州数控设备有限公司、杭州海康威视数字技术股份有限公司、广州备股份有限公司、深圳众为兴技术股份有限公司、深圳市巴伦技术股份有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、苏州市产品质量监督检验院、宁夏巨能机器人股份有限公司、张家港清研再制造产业研究院有限公司、深圳市全球通检测服务有限公司、中国科学院自动化研究所、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心(中国软件评测中心)、北京市商汤科技开发有限海康机器人技术有限公司、华南理工大学、浙江今跃机械科技开发有限公司、深圳市山龙智控有限公司、南京汇川图像视觉技术有限公司、北京发那科机电有限公司、浙江国自机器人技术有限公司、深圳市机器人标准检测技术学会、深圳市宝安区机器人产业技术创新促进中心、广东省标准化研究院、中国电子学会。1GB/T39005—2020工业机器人视觉集成系统通用技术要求协议以及视频流协议。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文GB/T4208外壳防护等级(IP代码)GB/T5226.1机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件GB11291.1工业环境用机器人安全要求第1部分：机器人GB/T12643机器人与机器人装备词汇GB/T14468.1工业机器人机械接口第1部分：板类GB/T14468.2工业机器人机械接口第2部分：轴类GB/T16977机器人与机器人装备坐标系和运动命名原则GB/T19582.1基于Modbus协议的工业自动化网络规范第1部分：Modbus应用协议GB/T20540.6测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3:PROFIBUS规范第6部分：应用层协议规范GB/T26804.5工业控制计算机系统功能模块模板第5部分：数字量输入输出通道模板通用技术条件GB/T29825机器人通信总线协议GB/T31230.6工业以太网现场总线EtherCAT第6部分：应用层协议规范JB/T10696.3电线电缆机械和理化性能试验方法第3部分：弯曲试验JB/T10825工业机器人产品验收实施规范IETFRFC768用户数据报文协议(UserDatagramProtocol)IETFRFC793传输控制协议(TransmissionControlProtocol)TIA-232采用串行二进制数据交换的数据终端设备和数据电路终接设备之间的接口(InterfaceBetweenDataTerminalEquipmentandDataCircuit—TerminatingEquipmentEmployingSerialBinaryDataInterchange)TIA-485用于平衡(差分)数字多点(连接)系统的生成器和接收器的电气特性(ElectricalCharac-teristicsofGeneratorsandReceiversforUseinBalancedDigitalMultipointSystems)GB/T39005—2020GB/T12643和GB/T16977界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1视觉单元visionunit态及对象质量等)的软硬件系统。3.1.2主控单元maincontrolunit通过执行用户编写的程序对与之相连接的工业设备进行控制的软硬件系统。3.1.3工业机器人视觉集成系统visionintegratedsystemforindustrialrobots3.1.4工业机器人视觉集成系统中作为基准的参照坐标系。3.1.5相机坐标系和图像坐标系的总称。3.1.63.1.73.1.8以目标工件为参照的坐标系。3.1.9获取目标图像信息的装置。3.1.10硬触发hardtrigger采用硬件信号来触发视觉传感器获取图像的方式。3.1.11采用软件信号来触发视觉传感器获取图像的方式。23GB/T39005—2020下列缩略语适用于本文件。CAN:控制器局域网络(ControllerAreaNetwork)DI/DO:开关量输入和开关量输出(DiscreteInput/DiscreteOutput)EtherCAT:以太网控制自动化技术(EthernetforControlAutomationTechnology)ID:身份识别文件(IdentityDocument)I/O:输入和输出(Input/Output)JPEG:联合图像专家组(JointPhotographicExpertsGroup)OCR:光学字符识别(OpticalCharacterRecognition)Png:便携式网络图形(PortableNetworkGraphics)ProfiBus:程序总线网络(ProcessFieldBus)TCP:传输控制协议(TransmissionControlProtocol)TCP/IP:传输控制协议和互联协议(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)UDP:用户数据报协议(UserDatagramProtocol)USB:通用串行总线(UniversalSerialBus)4分类工业机器人视觉集成系统按功能应用分为：b)定位系统；c)测量系统；d)检测系统；e)识别系统。工业机器人视觉集成系统按目标采集自由度分为：4.3按安装方式工业机器人视觉集成系统按安装方式分为：a)外置式系统(见图1);b)固定式系统(见图2);c)运动式系统(见图3)。4图1外置式系统示意图4n图2固定式系统示意图42*图3运动式系统示意图5GB/T39005—20205组成工业机器人视觉集成系统由主控单元、工业机器人和视觉单元组成，主控单元、工业机器人和视觉单元可集成为一个软硬件平台。主控单元进行流程总控，工业机器人负责运动控制，视觉单元负责视觉信息处理，主控单元根据应用的实际情况和复杂程度可有如图4所示几种形式：a)主控单元、工业机器人和视觉单元相对独立，工业机器人和视觉单元分别与主控单元进行交互，如图4中的(1)所示；b)工业机器人同时作为主控单元，如图4中的(2)所示。主主主控单元从T业机器人视觉单元图4工业机器人视觉集成系统组成5.2主控单元主控单元应提供与视觉单元、工业机器人以及外部系统之间进行信息传递的通信接口，以及用户进行操控的人机接口。5.3工业机器人工业机器人应提供与主控单元和视觉单元之间进行信息传递的通信接口，以及用户进行操控的人5.4视觉单元视觉单元应提供与主控单元和工业机器人之间进行信息传递的通信接口，以及用户进行流程定制、参数修改、二次开发等功能的可编程接口。6功能工业机器人应具备接收和执行主控单元或者视觉单元指令、向主控单元或者视觉单元发送数据和请求等功能。根据不同的应用场景，工业机器人视觉集成系统宜具有以下特定的应用功能：a)对于运动物体的识别以及拾取，系统应具备同步跟踪功能；6GB/T39005—2020b)在连续轨迹加工应用中，系统应具备实时轨迹跟踪功能。6.2视觉单元视觉传感器应支持硬触发、软触发(含连续触发)的图像获取方式。视觉单元应能对获取的图像数据进行处理，可包括但不限于以下单项或者多项功能：c)斑点功能：能够查找与背景区分明显的斑点；d)模式匹配：在图像中查找与模型相似的图形；e)OCR光学字符识别：在图像中识别字符；f)ID识别：在图像中识别一维码和二维码；g)3D识别与定位功能：包括对物体进行识别、定位以获得物体的位置(X,Y,Z)和姿态(A,B,i)颜色识别：通过对颜色进行分割，识别不同颜色的物体；j)工业表面质量：能够查找裂缝、凸起以及不平整等质量问题。视觉单元应可通过通信接口(I/O),TCP/IP,Modbus,RS232/RS485等输出如下状态信息：a)系统是否就绪；b)拍照输出信号：视觉单元在完成图像获取时输出状态变化；c)出错指示：当视觉单元出现影响正常运行的异常时输出告警状态指示。视觉单元应提供数据输出功能。输出的数据包含如下信息：a)直线信息，包括直线上两个点的坐标；h)物体3D位姿，包括位置(X,Y,Z)和姿态(A,B,C);i)物体2D位姿，包括位置(X,Y)和角度A;j)距离；特定视觉单元可以仅输出一种或者几种数据。6.2.5外部控制功能视觉单元应能够接受外部系统的控制命令来执行不同的操作，包括以下功能：7GB/T39005—2020d)停止运行(急停)。光源的选择应满足视觉单元的应用要求，使得目标物体特征与背景信息得到最佳分离。光源的外LED光源指定测试点的温度和驱动电流都不大于最大壳温和驱动电流条件下，按光衰3%时，寿命不低于15000h,按光衰7%时，寿命不低于25000h。基准光照度的发光面积不低于总面积的80%。安装位置应满足视觉集成系统的打光需求。b)亮度足够系统需求成像的景深；c)光源强度应能保持稳定。视觉单元应用的光源应使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从LED光源型号参数应符合表1的要求。8GB/T39005—2020表1LED光源型号参数表代码颜色波长/nm色温/K推荐应用场景R红600～720孔定位、线路板检测、透光膜厚度检测等G绿钣金、车加工等B蓝430～480钣金、车加工、金属印刷版等W白3300;3300～5000;适用性广，适合采集彩色图像红外780～1400LED屏检测等UV紫外ITO检测、布料缺陷检测、益胶检测等供应商应提供表2所列举的基本参数及信息，并应在产品说明书中标注结构形式及精度规格。表2工业镜头参数序号信息名称1名称2品牌3产地4分辨率5对比度6焦距7光圈值(F值)8视野(FOV)9工作距离景深接口7.3防护等级工业机器人视觉集成系统的外壳防护等级应满足工业机器人最终使用环境的要求并符合工业机器人产品标准的规定，测试方法应符合GB/T4208的规定。7.4抗振要求工业机器人视觉集成系统应防止视觉单元承受大的冲击和振动，在受到频率为5Hz～55Hz、振幅为0.15mm的振动时，工作应正常。工业机器人视觉集成系统的抗振应满足工业机器人最终使用环境的要求，符合产品标准中的规定，测试方法应符合JB/T10825的规定。9GB/T39005—2020应符合GB11291.1和GB/T5226.1的规定。a)出现异常时通知工业机器人进行急停操作的告警输出功能；b)相机坐标系标定准确性确认功能。工业机器人视觉集成系统的可靠性用平均失效间工作时间(MTBF)和故障平均修复时间(MTTR)8安装要求工业机器人应提供视觉单元集成所需的机械接口，并符合GB/T14468.1和GB/T14468.2的规定。视觉传感器安装在工业机器人本体上，可随工业机器人运动。视觉传感器安装应牢固，能抵抗振动，作业时与作业对象不发生干涉，且线缆采用JB/T10696.3的试验方法后应满足表3的抗折弯要求。相机传输数据接口电缆类型最小折弯半径抗折弯次数线缆最大长度USB2.0/3.0接口多芯双绞线小于6倍电缆外径不低于1000万次GigE千兆网接口多芯双绞线小于6倍电缆外径不低于1000万次1394FireWire接口多芯双绞线小于6倍电缆外径不低于1000万次CameraLink接口CameraLink线缆小于6倍电缆外径不低于1000万次视觉传感器安装在相对于工业机器人机座位姿不变的位置上。视觉传感器安装应牢固，与工业机器人及作业对象应不发生干涉。GB/T39005—2020与工业机器人、作业对象及其他周围环境应不发生干涉。8.2.2视觉传感器关键零部件的安装工业镜头安装在工业相机上，在可更换镜头的视觉单元中，根据不同的镜头类型及参数应在工业相机安装位置预留出足够的空间以保证镜头的安装，并应符合以下要求：a)镜头与作业区域之间在拍摄过程中无障碍物遮挡；b)镜头安装方式应保证其足够稳固，满足7.4中的抗振要求；c)光源的安装应保证其足够的稳固，使其能够提供稳定的照明环境；d)遮光罩的安装应保证其足够的稳固，使其能够提供稳定的干扰光遮蔽功能。8.3坐标系要求工业机器人与视觉单元安装后，参见附录A所示方法对工业机器人视觉集成系统进行坐标系的标定，建立工业机器人坐标系与视觉单元坐标系的关联。9通信协议9.1非视频流通信协议主控单元和工业机器人、主控单元和视觉单元、工业机器人和视觉单元通信传输可采用表4所示通信协议并符合相应的标准要求。表4通用通信协议序号协议名称所应符合的标准网络层次应用方式1Modbus应用层可扩展2EtherCAT应用层可扩展3ProfiBus应用层可扩展4传输层可封装5传输层可封装6数据链路层可封装7RS232/RS485TIA-232/TIA-485数据链路层可封装8视觉集成系统专用协议对应用层进行专用定义，对数据链路层及物理层不做专用要求，视觉集成系统专用协议定义了标准的报文格式，实现工业机器人和视觉单元的互联互通。9.1.2.2应用层帧结构应用层帧结构见表5。帧长度为不定长，传输顺序为大端字节序，高位字节在前，低位字节在后。GB/T39005—2020表5应用层帧结构表字段名字段长度说明长度Length2字节(B)表示报文以字节为单位的总长度，包括长度位本身协议类型ProtocolType1字节(B)0x00为标准协议。0x01为私有协议，表示命令码和数据区采用私有编码帧标志Flag1字节(B)BIT0:0-请求/1-应答BIT1:0-不需应答/1-需应答扩展3字节(B)用于新功能扩展命令码Command1字节(B)表示操作命令：0x01:读数据。读取的具体数据由数据区的部件编号和部件数据编码决定。此时的标志flag的bit1应为1,即请求报文接收者应做出应答。0x02:读所有的数据，此时数据区为空。接收者需要将其所有与该连接相关的所有数据发送给请求者。此时的标志flag的bitl应为1。即要求请求报文接收者应做出应答。0x03:写数据，如果请求报文发送者需要应答(请求报文标志flag的bit1为1),则请求报文接收者将执行之后的数据返回给请求报文发送者数据区CommandData部件编号2字节(B)对部件数据所属的部件的抽象表示，范围为0～0x09FF。编号具体代表的部件由实际设备和应用决定部件数据编码2字节(B)部件数据编码表示某个部件的某种属性数据数据不定长根据部件数据编码不同而不同。对于读命令请求报文该字段为空部件编号2字节(B)如果部件编号和上一个部件编号相同可以省略部件数据编码2字节(B)数据不定长部件数据编码如表6所示，部件参数编码参见附录B。表6部件数据编码部件数据编码数据名称数据构成数据类型单位字节总长度说明机座坐标系X毫米(mm)24字节(B)机座坐标系Y毫米(mm)Z毫米(mm)A度(°)B度(°)C度(°)GB/T39005—2020表6(续)部件数据编码数据名称数据构成数据类型单位字节总长度说明工件坐标系X毫米(mm)24字节(B)表示工件坐标系的空间位置及姿态Y毫米(mm)Z毫米(mm)A度()B度(°)C度(°)工具坐标系X毫米(mm)24字节(B)表示工具坐标系的空间位置及姿态Y毫米(mm)Z毫米(mm)A度(°)B度(°)C度(°)物体3D位姿X毫米(mm)24字节(B)视觉单元所识别的物体相对于工件坐标系的坐标和姿态。3D模式识别的结果使用该部件编码Y毫米(mm)Z毫米(mm)A度(°)B度()C度(°)物体2D位姿X毫米(mm)12字节(B)视觉单元所识别的物体在工件坐标系X轴和Y轴组成的2D坐标平面中的坐标和姿态。2D模式识别的结果使用该部件编码Y毫米(mm)A度(°)距离D毫米(mm)4字节(B)距离点的3D坐标X毫米(mm)12字节(B)点相对于工件坐标系的笛卡尔坐标Y毫米(mm)Z毫米(mm)坐标X毫米(mm)4字节(B)点在工件坐标系X轴和Y轴组成的2D坐标平面中的坐标Y毫米(mm)2D直线毫米(mm)8字节(B)2D直线上的点1和点2在工件坐标系X轴和Y轴组成的2D坐标平面中的坐标毫米(mm)毫米(mm)毫米(mm)GB/T39005—2020部件数据编码数据名称数据构成数据类型单位字节总长度说明毫米(mm)12字节(B)2D圆的圆心在工件坐标系X轴和Y轴组成的2D坐标平面中的坐标毫米(mm)半径毫米(mm)2D圆弧毫米(mm)13字节(B)2D圆弧的圆心、圆弧起点、圆弧终点在工件坐标系X轴和Y轴组成的2D坐标平面中的坐标毫米(mm)半径毫米(mm)圆弧起点X毫米(mm)圆弧起点Y毫米(mm)圆弧终点Y毫米(mm)圆弧终点Y毫米(mm)2D斑点质心X坐标毫米(mm)20字节(B)斑点方向的定义取决于视觉单元的定义质心Y坐标毫米(mm)方向度(°)面积平方毫米(mm²)周长毫米(mm)字符串字符串—不定长采用UTF-8编码字符串—不定长表示ID(二维码、条形码)中的字符串以及中心的坐标中心X坐标毫米(mm)中心Y坐标毫米(mm)长毫米(mm)宽毫米(mm)字符串—不定长表示光学图像中的字符串、字符串中心的坐标以及外接矩形的长和宽中心X坐标毫米(mm)中心Y坐标毫米(mm)长毫米(mm)宽毫米(mm)零部件检验是否合格—1字节(B)表征工件是否通过检测相机坐标系X毫米(mm)24字节(B)表示相机坐标系的空间位置以及姿态Y毫米(mm)Z毫米(mm)A度(°)B度(°)C度(°)GB/T39005—2020表6(续)部件数据编码数据名称数据构成数据类型单位字节总长度说明0xA00x13相机帧率Float帧(FPS)4字节(B)FPS:FramesPerSecond,每秒传输帧数0xA00x14触发方式1字节(B)相机的触发方式0xA00x15曝光时间Float毫秒(ms)4字节(B)相机的曝光时间0xB00x01触发1字节(B)触发相机拍照指令H.264—不定长视频流H.265—不定长视频流不定长图片Png不定长图片0xDF0x00~供应商自定义供应商自定义0xFF0x01~0xFFOXFE用户自定义用户自定义注1:Float类型是满足ISO/IEC/IEEE60559标准的32位单精度浮点数，Int8表示8位整数，Char[]表示以0结尾的字符串数组；注2:“—”代表无意义。a)H.264;b)H.265。GB/T39005—2020(资料性附录)工业机器人视觉集成系统坐标系标定A.1标定方式工业机器人视觉集成系统坐标系的标定，是将工业机器人坐标系与视觉单元坐标系关联起来，可以世界坐标系O。-X₀-Y₀-Z。为基准，将工业机器人坐标系中的工件坐标系Ow-Xw-Yw-Z。和视觉单元坐标系中的图像坐标系O₁-X;-Y₁-Z;通过相机坐标系Oc-X.-Ye-Z。建立转换关系，世界坐标系、工件坐标系、相机坐标系与图像坐标系关系图详见图A.1。也可以工业机器人坐标系中的其他坐标系与视觉单元坐标系中的图像坐标系建立转换关系。相机(镜头)图A.1中O₀-X₀-Y₀-Z。坐标系为世界坐标系，0w-Xw-Yw-Zw坐标系为工件坐标系，0e—A.2标定方法A.2.1概述工业机器人坐标系的标定及视觉单元坐标系的标定是指使用标准的模板和方法对其准确度进行校正，工业机器人坐标系的标定可通过其工具坐标系的标定实现，并实现工业机器人坐标系和视觉单元坐标系的统一。A.2.2工业机器人工具坐标系标定工业机器人进行工作时，根据工作内容和要求的不同，如果在工业机器人的末端固定不同的工具，需要对不同的工具进行工具坐标系Or-Xr-Yr-Zr的标定。工具坐标系Or-Xr-Yr-Zr的标定一般分为工具中心点(TCP)的位置标定以及工具坐标系姿态(TCF)标定两部分，如图A.2所示。GB/T39005—2020图A.2工业机器人工具坐标系标定图工业机器人工具坐标系标定可按照下列标定步骤进行：a)标定算法运动学模型：根据实际应用场景，在进行工具中心点(TCP)标定过程中，控制工业机器人进行多次定位，并记录相应的角度值，建立通用运动学模型如下：TFT=T;其中，{B}为机座坐标系，{E}为机械接口坐标系，{T}为工具坐标系，T;为工业机器人工具坐标系相对于机座坐标系O₁-X₁-Y₁-