游 洋
(湖南省岳陽市第一中學(xué),岳陽 414000)
2018年10月11日,波士頓動(dòng)力公司發(fā)布了人形機(jī)器人Atlas凌空三跳視頻,視頻中機(jī)器人Atlas在一個(gè)短程助跑后,先是越過了一個(gè)圓木障礙物,接著又凌空三跳,依次跳過三個(gè)從低到高的臺(tái)階,這一系列動(dòng)作即使是真正人類來做難度系數(shù)也非常高。早在2017年11月,機(jī)器人Atlas就已經(jīng)具有較高的運(yùn)動(dòng)功能,它先是穩(wěn)穩(wěn)地跳上一個(gè)盒子,接著轉(zhuǎn)身完成了一個(gè)漂亮的后空翻動(dòng)作,如圖1所示。
圖1 波士頓動(dòng)力機(jī)器人Atlas表演后空翻
根據(jù)波士頓動(dòng)力官方說法,機(jī)器人Atlas之所以進(jìn)步如此之快,是因?yàn)樵谒砩鲜褂昧讼冗M(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù),從而使它在運(yùn)動(dòng)過程中,通過機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別周圍環(huán)境中的標(biāo)記物來確定自己所處的位置,計(jì)劃下一步將要站定的位置,最終精準(zhǔn)地落在預(yù)設(shè)位置并確保自己在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)也不會(huì)摔倒。
機(jī)器人Atlas設(shè)計(jì)初衷是執(zhí)行各類搜救任務(wù),它的飛速進(jìn)步使得我們看到了機(jī)器人為人類服務(wù)的可能,也看到了視覺系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義。機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要功能是代替人眼來進(jìn)行測(cè)量與判斷,如今機(jī)器視覺系統(tǒng)已被應(yīng)用在很多領(lǐng)域,后續(xù)的發(fā)展將更加深遠(yuǎn)。
人類的很多發(fā)明靈感都是來自于大自然,比如雷達(dá)的設(shè)計(jì)來源于蝙蝠、潛水艇設(shè)計(jì)靈感來自魚、直升飛機(jī)設(shè)計(jì)靈感來自蜻蜓等。機(jī)器視覺系統(tǒng)模型也是源自現(xiàn)實(shí)生活,那就是人類的視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)從圖像獲取、處理到執(zhí)行操作都是在模擬人類眼睛功能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而來,其中主要包括光源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像采集與數(shù)字化、智能圖像處理與決策和控制執(zhí)行模塊等,具體工作過程如圖2所示。
圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)工作原理圖
機(jī)器視覺系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)時(shí)的流程如下:當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入視野區(qū)后,機(jī)器視覺系統(tǒng)為了使被測(cè)目標(biāo)與其他不重要事物產(chǎn)生明顯區(qū)別,將會(huì)啟動(dòng)自身配備光源,照射被測(cè)目標(biāo);然后,圖像捕捉系統(tǒng)中的攝像頭錄制視頻,并一幀一幀地輸出到圖像采集系統(tǒng),圖像采集系統(tǒng)將輸入模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為處理器或計(jì)算機(jī)可以分析的數(shù)字信號(hào),處理器或計(jì)算機(jī)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理、分析、識(shí)別,得出測(cè)量結(jié)果或邏輯控制值;最后,由控制執(zhí)行模塊執(zhí)行測(cè)量結(jié)果。
在上述分析中,可以看出波士頓動(dòng)力機(jī)器人Atlas已經(jīng)可以如同人類一般在在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)作,這一切都要?dú)w功于機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)使機(jī)器設(shè)備具備了類似人的視覺功能,能夠替代人工進(jìn)行檢測(cè),相比人工檢測(cè),機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),提高了產(chǎn)品合格率,并可持續(xù)提供有效檢測(cè)數(shù)據(jù),替企業(yè)節(jié)省了開支。另外,在人類無法工作的危險(xiǎn)環(huán)境或不能滿足人眼可視要求的環(huán)境下,利用機(jī)器視覺系統(tǒng)依然可以照常工作,有效保障工作進(jìn)度,提高生產(chǎn)線自動(dòng)化和柔性水平。總之,機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),主要功能可總結(jié)為三個(gè)方面內(nèi)容。
機(jī)器視覺系統(tǒng)鎖定檢測(cè)目標(biāo)后,通過光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像捕捉系統(tǒng)采集圖像信息,再通過處理器對(duì)圖像信息進(jìn)行處理,最終對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。整個(gè)操作過程,觀測(cè)者和被觀測(cè)目標(biāo)無需直接接觸,所以不會(huì)對(duì)任何一方造成影響,而且通過精密的計(jì)算系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)分析更加真實(shí)有效,提高了觀察結(jié)果的可靠性。
受外界環(huán)境條件限制,人眼可視光譜范圍有限,通??梢姽獠ㄩL范圍為400~760nm,其他波長范圍內(nèi)光線不能被看到;其次,人眼灰度分辨力差,一般只能分辨64個(gè)灰度級(jí),再加上空間分辨率差,不能觀看微小的目標(biāo);最后,人眼可觀測(cè)速度受限,無法看清較快速運(yùn)動(dòng)物體。
但機(jī)器視覺系統(tǒng)可視光譜范圍,除紫外線到紅外線光譜范圍外,還可識(shí)別X光,同時(shí)能識(shí)別256個(gè)灰度級(jí)。如果配備特殊光學(xué)鏡頭,還可以觀測(cè)小到微米大到天體的目標(biāo)。并且當(dāng)前機(jī)器視覺系統(tǒng)快門時(shí)間可達(dá)10μs,可以快速捕捉高速運(yùn)動(dòng)物體。
機(jī)器視覺系統(tǒng)本身具備機(jī)械作業(yè)功能,即它只要能夠啟動(dòng),就可以進(jìn)行工作。相比人類的勞動(dòng)極限,機(jī)器視覺系統(tǒng)可以長時(shí)間、穩(wěn)定地工作。相比較人類無法長時(shí)間對(duì)同一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀察,機(jī)器則不存在這個(gè)問題,在器件壽命允許的范圍內(nèi),可進(jìn)行長時(shí)間測(cè)量、分析、識(shí)別任務(wù),并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。
機(jī)器視覺起源于20世紀(jì)50年代,但在我國起步較晚,所以我國機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展水平與世界國家相比有較大差距。但隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,如今中國已經(jīng)成為了機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展最活躍的國家之一,據(jù)《2013—2017年中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示,我國機(jī)器視覺市場規(guī)模達(dá)到8.3億元,同比增長48.2%??深A(yù)計(jì)的是,隨著機(jī)器視覺技術(shù)的成熟與發(fā)展,該技術(shù)將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。下面筆者闡述不同行業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用途徑。
制造機(jī)器人可以通過接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動(dòng)作。因此制造機(jī)器人視覺系統(tǒng)工作原理就是機(jī)器人在接受示教時(shí),內(nèi)置視覺處理器記錄依次記錄工作任務(wù)各個(gè)位置。,執(zhí)行后續(xù)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)時(shí),機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)依次再現(xiàn)之前記錄位置,從而完成一系列動(dòng)作。制造機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域很多,如移動(dòng)機(jī)器人,可以用來搬運(yùn)電子、紡織、煙卷、醫(yī)療、食品和紙張等柔性物品,避免人工操作帶來的損耗;再例如點(diǎn)焊機(jī)器人,可用于汽車整車焊接工作,而且焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接;再比如真空機(jī)器人,這種機(jī)器人主要在真空環(huán)境下工作,目前主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè),實(shí)現(xiàn)了元器件在真空腔室內(nèi)的傳輸目標(biāo)。
服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族的一個(gè)小眾類別,但他應(yīng)用范圍卻十分廣泛,涉及領(lǐng)域包括維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清潔、保安、救援以及監(jiān)護(hù)等工作。有了機(jī)器視覺系統(tǒng),服務(wù)機(jī)器人能夠幫助人類解決很多問題,比如護(hù)士助手機(jī)器人,可以幫助護(hù)士做一些簡單的事情,如運(yùn)送醫(yī)療器材設(shè)備和藥品、為病人送飯、報(bào)表、信件,運(yùn)送試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)結(jié)果等等;再比如腦外科機(jī)器人,可以做腦外科手術(shù),手術(shù)過程中無人為因素影響,操作更精準(zhǔn);再比如清洗機(jī)器人,過去很多樓外的清洗工作都是由人工作業(yè)完成的,工作速度慢而且容易發(fā)生意外事故,造成人員傷亡。清洗機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況靈活自如地行走和擦洗,而且具有很高可靠性,大大降低了作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)和成本。
軍事機(jī)器人是為了應(yīng)對(duì)外來戰(zhàn)場,在未來戰(zhàn)場中,機(jī)器人戰(zhàn)士將成為主要兵力。戰(zhàn)爭發(fā)生時(shí)機(jī)器人士兵能適應(yīng)惡劣環(huán)境,更好地完成任務(wù)。很久以前,美國就曾經(jīng)將機(jī)器人部署到阿富汗,潛入漆黑洞穴拍攝照片并向外發(fā)送圖。目前也已經(jīng)可以在一些國家軍事行動(dòng)中看到機(jī)器人的身影,部分國家也開始使用軍事機(jī)器人代替人工進(jìn)行站崗、放哨、排雷除暴。此外軍事機(jī)器人還有很多其它應(yīng)用,比如步兵機(jī)器人,可以在戰(zhàn)場中通過任何障礙,并向敵方發(fā)射子彈;再比如背包機(jī)器人,能在巷戰(zhàn)環(huán)境中捕捉、分辨狙擊手細(xì)微動(dòng)作。
除了工業(yè)大國的身份,中國農(nóng)業(yè)發(fā)展也不可小覷,而在這個(gè)過程中,機(jī)器視覺系統(tǒng)也能夠發(fā)揮重要作用。比如水稻種子精選,通過機(jī)器視覺系統(tǒng)可以更精準(zhǔn)地對(duì)種子品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),判斷種子類型,檢測(cè)發(fā)霉、破損種子;再比如玉米粒計(jì)數(shù)機(jī)器人,可用通過機(jī)器視覺系統(tǒng)鎖定玉米穗?yún)^(qū)域,先提取玉米穗行,然后測(cè)量穗行粒數(shù),最后統(tǒng)計(jì)在穗情況,給出分析結(jié)果;再比如插秧機(jī)器人,機(jī)器視覺系統(tǒng)先提取水田圖像及水田苗,然后確定水田苗行、列及田埂位置,進(jìn)行插秧。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用還有很多,比如水田管理機(jī)器人、水田微型除草機(jī)器人、旱田作業(yè)機(jī)器人等。
航空航天機(jī)器人可以代替人類進(jìn)行宇宙探索工作。例如2013年11月26日,我國國防科技工業(yè)局宣布首輛月球車命名為“玉兔號(hào)”,該月球車是一個(gè)小型化、低功耗、高集成的機(jī)器人,它能夠在凹凸不平的月球表面行駛,完成了月球探測(cè)、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù);再例如日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的Int-Ball,它是個(gè)很小的漂浮球體,可以記錄宇航員在國際空間站上的活動(dòng)情況,并將其發(fā)給地面人員;再比如美國宇航局下屬的約翰遜航天中心設(shè)計(jì)制造的Robonaut 2,能夠在宇航員的指揮下執(zhí)行重復(fù)性、危險(xiǎn)性較高的任務(wù)。
機(jī)器視覺系統(tǒng)與人類視覺系統(tǒng)類似,可以快速獲取大量信息,適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,處理分析數(shù)據(jù)。隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展,使得機(jī)器人在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用,比如制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等,不僅解放了社會(huì)勞動(dòng)力,而且提升了生產(chǎn)效率。隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)研究的日漸成熟,機(jī)器人將會(huì)更好地為人類社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。