耿立明，王迪，楊威

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系，遼寧沈陽(yáng)，110167）

0 引言

機(jī)器視覺(jué)主要研究用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊，如圖1所示。首先，采用CCD攝像機(jī)或其它圖像拍攝裝置將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，然后轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出判斷結(jié)果[1]。

圖1 工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用是一項(xiàng)綜合技術(shù)，檢測(cè)精度更高，系統(tǒng)操作更為簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的環(huán)境，有合理的性價(jià)比，有通用的工業(yè)接口，能夠由普通工作來(lái)操作，有較高的容錯(cuò)能力和安全性，不會(huì)破壞工業(yè)產(chǎn)品，有較強(qiáng)的通用性和可移植性。其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。這些技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中是并列關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個(gè)成功的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)[2]。

目前，機(jī)器視覺(jué)已成功地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，大幅度地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，保證了生產(chǎn)的速度。例如產(chǎn)品包裝印刷質(zhì)量的檢測(cè)、飲料行業(yè)的容器質(zhì)量檢測(cè)、半導(dǎo)體集成塊封裝質(zhì)量檢測(cè)等。在制藥生產(chǎn)線上，使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以對(duì)藥品包裝進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否裝入正確的藥粒。

1 機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人智能分揀識(shí)別中的關(guān)鍵實(shí)用技術(shù)

■1.1 工業(yè)相機(jī)

利用工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行視覺(jué)定位的原理，設(shè)計(jì)視覺(jué)定位方法獲取分揀工作平面上工件的物理位置。針對(duì)智能機(jī)器分揀環(huán)節(jié)，將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人，使機(jī)器人確定目標(biāo)物料的位置，基于圖像傳感技術(shù)設(shè)計(jì)視覺(jué)識(shí)別、定位方法，獲得作業(yè)基準(zhǔn)線和目標(biāo)信息，完成相對(duì)定位[3]。

目前CCD 攝像機(jī)以其小巧、可靠、清晰度高等特點(diǎn)在商用與工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛地使用。CCD攝像機(jī)按照其使用的CCD器件可以分為線陣式和面陣式兩大類。線陣CCD 攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機(jī)前移過(guò)，才能獲得完整的圖像。它主要用于檢測(cè)條狀、筒狀產(chǎn)品，例如布匹、鋼板、紙張等。攝像機(jī)可以一次獲得整幅圖像的信息。

圖像傳感器的標(biāo)定及視覺(jué)定位，設(shè)計(jì)視覺(jué)定位方法獲取分揀工作平面上工件的物理位置。

■1.2 圖像采集及處理設(shè)備

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。它一般具有圖像信號(hào)的接收與A/D 轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的放大與數(shù)字化，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩喾N應(yīng)用[4][5]。

采用視覺(jué)傳感器的模塊化部件，更適合工業(yè)需求。這種視覺(jué)傳感器集成了光源、 攝像頭、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口，自成為一個(gè)智能圖像采集與處理單元，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法，并能使用PC機(jī)，利用專用組態(tài)軟件編制各種算法下載到視覺(jué)傳感器的程序存儲(chǔ)器中。視覺(jué)傳感器將 PC 的靈活性，PLC 的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起。用這樣的視覺(jué)傳感器和 PLC 可以更容易地構(gòu)成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[6]。

圖2 視覺(jué)傳感器

2 機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)機(jī)器人智能分揀識(shí)別中的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容

■2.1 設(shè)計(jì)基于視覺(jué)反饋的機(jī)器人模糊預(yù)測(cè)控制策略

圖3 基于視覺(jué)反饋的機(jī)器人模糊預(yù)測(cè)框架

分析模糊預(yù)測(cè)控制構(gòu)建模型的原理，構(gòu)建基于視覺(jué)反饋的機(jī)器人模糊預(yù)測(cè)控制策略，提取圖像中的目標(biāo)信息并依據(jù)不同目標(biāo)實(shí)施相關(guān)的匹配與識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別，提高其定位的快速性和準(zhǔn)確性。

采用CCW6.0以上版本，Modbus OPC Server軟件，以及MATLAB（OPC_TOOL），使用Modbus TCP/IP與OPC協(xié)議與MATLAB通訊。

通過(guò)處理當(dāng)前圖像信息的數(shù)據(jù)判斷跟蹤目標(biāo)類別，運(yùn)用模型預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)目標(biāo)未來(lái)狀態(tài)，對(duì)不同的前方目標(biāo)采用不同的權(quán)值來(lái)計(jì)算最優(yōu)控制輸入。

■2.2 利用羅克韋爾可編程邏輯控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制模塊搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

視覺(jué)分揀系統(tǒng)采用羅克韋爾工業(yè)機(jī)器人作為分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用羅克韋爾可編程邏輯控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作，分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃和工作空間。分析羅克韋爾可程邏輯控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制模塊功能，實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作。

結(jié)合我校羅克韋爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用羅克韋爾可編程邏輯控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制模塊，預(yù)測(cè)控制模型相結(jié)合的方法，構(gòu)建系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 結(jié)論

賦予機(jī)器人視覺(jué)是機(jī)器人研究的重點(diǎn)之一，其目的是要通過(guò)圖像定位、圖像理解，向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)反饋目標(biāo)或自身的狀態(tài)與位置信息。攝像機(jī)被固定在云臺(tái)下，一個(gè)機(jī)械手在一定范圍內(nèi)抓取和移動(dòng)工件，攝像機(jī)利用動(dòng)態(tài)圖像識(shí)別與跟蹤算法，跟蹤被移動(dòng)工件，始終保持其處于視野的正中位置。

基于機(jī)器視覺(jué)的定位方法能夠更好地克服傳統(tǒng)機(jī)器人示教編程完成分揀任務(wù)所存在的缺陷，對(duì)于多目標(biāo)，工件的形狀、尺寸和擺放位置不確定的分揀任務(wù)更加準(zhǔn)確、智能化,逐漸成為引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)目標(biāo)的抓取問(wèn)題很有前景的一類新型方法,且模糊預(yù)測(cè)控制構(gòu)建模型提高對(duì)工件識(shí)別精度方法在實(shí)際復(fù)雜分揀生產(chǎn)線中的應(yīng)用也不夠多，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該類方法的研究還不夠深入。