薛峰

摘要：經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)的不斷提升，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中越來越多的開始應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不斷提升，在近年來發(fā)展速度較快。具有視覺能力的工業(yè)機(jī)器人比傳統(tǒng)機(jī)器人生產(chǎn)效率方面更高，在實(shí)踐過程中，我國(guó)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)水平不斷提升，視覺技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期發(fā)展的重要技術(shù)支撐。視覺控制技術(shù)涉及的內(nèi)容較多，需要在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行完善。本文以工業(yè)機(jī)器人上計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的應(yīng)用為研究核心，分析闡述了工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的基本原理和特點(diǎn)，提出了工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)措施。

Abstract： The rapid development of economy and society has promoted the continuous improvement of industrial technology， and more and more industrial robots have been applied in China's industrial production. Industrial robot technology is constantly improving and has developed rapidly in recent years. The production efficiency of industrial robots with vision ability is higher than that of traditional robots. In the process of practice， the design and application technology level of robot vision system in China is constantly improved， and vision technology is an important technical support for the long-term development of industrial robots. Visual control technology involves a lot of content and needs to be perfected in industrial production practice. This paper takes the application of computer vision system in industrial robot as the research core， analyzes and expounds the basic principle and characteristics of industrial robot vision system， and puts forward the technical measures for the application of industrial robot vision system.

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;視覺系統(tǒng);原理;應(yīng)用

Key words： industrial robot;visual system;the principle;application

0? 引言

工業(yè)發(fā)展需要技術(shù)上的推進(jìn)，更需要理念上的更新。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人的使用大大提高了生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)的整體效能。工業(yè)機(jī)器人自身的發(fā)展水平需要技術(shù)上的提升，更需要在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用，提高了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和精度。一套完整的視覺系統(tǒng)能夠使工業(yè)機(jī)器人做出準(zhǔn)確的判斷，可以讓機(jī)器人適應(yīng)多變的工業(yè)環(huán)境，突出機(jī)器人操作的靈活性。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的影響是多方面的，做好計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)有利于工業(yè)機(jī)器人準(zhǔn)確的識(shí)別操作，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化建設(shè)。

1? 工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)視覺主要是解決機(jī)器如何“看”的問題，系統(tǒng)中有模擬攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡。在具體執(zhí)行中計(jì)算機(jī)視覺采用了攝像攝影機(jī)和電腦代替了人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別跟蹤和測(cè)量。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)通過圖形處理使電腦處理更為合適人眼觀察和傳送給儀器檢測(cè)的圖像。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的組成部分包括了程序控制、事件監(jiān)測(cè)、信息組織、物體與環(huán)境建模、交感互動(dòng)等部分。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)還包括了畫面重建、事件檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、索引建立、圖像恢復(fù)等內(nèi)容。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在圖像獲取上需要明確光源場(chǎng)景和相機(jī)的設(shè)置，對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理和傳輸，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)及軟件對(duì)圖像分析及動(dòng)作。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)從被測(cè)物體的背景分別獲得高品質(zhì)、高對(duì)比度的圖像，運(yùn)用工業(yè)相機(jī)的圖像穩(wěn)定性抗干擾能力來推進(jìn)機(jī)器視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括攝像頭、照明設(shè)備、光電開關(guān)、PAC、PLC和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。工業(yè)攝像頭的主要用處是采集信息。攝像頭成像通透，色彩準(zhǔn)確，曝光方式符合成像要求。例如最高分辨率、像素尺寸、傳感器類型、光學(xué)尺寸、幀率輸出顏色可以達(dá)到配置靈活的效果。硬件操作系統(tǒng)中需要明確設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)。為了便于工作現(xiàn)場(chǎng)操作，硬件設(shè)備中，PLC是負(fù)責(zé)采集數(shù)字的，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。根據(jù)用戶需要確定速度和位置控制。PLC是工業(yè)平板電腦由臺(tái)式機(jī)人機(jī)界面匹配的結(jié)合體，具有強(qiáng)大的抗干擾性，有利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作。在操作系統(tǒng)中要明確各種參數(shù)，例如CPU、IAM磁盤防護(hù)等級(jí)、抗震動(dòng)抗沖擊功耗、工作溫度、實(shí)時(shí)內(nèi)核編程軟件、監(jiān)控軟件、網(wǎng)口數(shù)量、以太網(wǎng)協(xié)議等。視覺系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要包括標(biāo)定模塊、模板制作模塊、拍照模塊、圖像采集模塊、圖像分析模塊、數(shù)據(jù)交互模塊等。軟件的基礎(chǔ)是視覺精準(zhǔn)測(cè)量的基礎(chǔ)，對(duì)于拍攝物體的不同特性要根據(jù)相機(jī)和拍攝的位置進(jìn)行準(zhǔn)確描述。在匹配需要參照物的模板時(shí)，采取實(shí)時(shí)獲取的圖像進(jìn)行對(duì)比，軟件各模塊之間相互配合，完成圖像采集傳輸和處理，同時(shí)完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的功能原理

計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)是生物視覺系統(tǒng)的補(bǔ)充，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)模仿了人類和各類動(dòng)物的視覺狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，依靠軟件和硬件實(shí)現(xiàn)人工智能系統(tǒng)的操作，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)運(yùn)用了計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程信號(hào)學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等方面的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在制造業(yè)檢驗(yàn)、文檔分析、醫(yī)療診斷和軍事等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過讀取圖像采集卡轉(zhuǎn)過來的攝像頭的數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)定原始圖像對(duì)比分析，判定被檢查對(duì)象質(zhì)量是否損害，是否存在誤差，然后再后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)中的瑕疵，提高生產(chǎn)效率。在具體應(yīng)用中圖像處理、模式識(shí)別、圖像理解等都納入到系統(tǒng)程序中。例如圖像匹配采用的是輪廓形狀的匹配方案，有利于更好的分辨物體的類型，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考模板對(duì)物體進(jìn)行匹配。在執(zhí)行過程中要明確模板信息，信息數(shù)據(jù)的類型，根據(jù)圖像的坐標(biāo)信息進(jìn)行圖像匹配，將匹配結(jié)果處理發(fā)送到程序中。電腦硬盤內(nèi)存儲(chǔ)著大量的信息工具。模板圖片和生成的模板文件根據(jù)坐標(biāo)信息和選擇的情況讀取相應(yīng)信息，這是圖像采集設(shè)備將圖像傳入程序時(shí)進(jìn)行匹配計(jì)算的過程。如果打開軟件后，匹配不完整，軟件就會(huì)提示出現(xiàn)錯(cuò)誤。多模板匹配發(fā)揮了軟件的功能，在多次匹配以后形成良好的循環(huán)，更加準(zhǔn)確的識(shí)別圖像。

2? 計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用

2.1 工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的構(gòu)建

工業(yè)機(jī)器人中計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。硬件設(shè)備中包括CCD攝像頭，攝像機(jī)像素為P：500（H）*582（V），分辨率為420，成像使用為1/33CCD，攝像機(jī)具有自動(dòng)背景光補(bǔ)償?shù)墓δ堋D像采集卡主要采用CCD攝像頭配的MV-200工業(yè)圖像處理。圖像的分辨率和清晰度較高，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)圖像精準(zhǔn)度，具有一定的穩(wěn)定性。在應(yīng)用過程中，要求圖像采集卡圖像，畫面清晰流暢，工控機(jī)以計(jì)算機(jī)為主。軟件部分組成主要有圖像匹配軟件圖像處理與獲取軟件，圖像定標(biāo)和定位算法軟件。工業(yè)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人本體和設(shè)備有關(guān)，在應(yīng)用過程中圖像處理獲取圖像以及匹配圖像攝像機(jī)定位等都要借助openCV的視覺進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立空間點(diǎn)和攝像機(jī)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，把握攝像機(jī)的基準(zhǔn)位置，通過清晰的視圖像采集來計(jì)算出攝像機(jī)的參數(shù)。計(jì)算機(jī)運(yùn)用C語言調(diào)節(jié)圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接。攝像機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化圖像處理，對(duì)獲取圖像進(jìn)行分析，建立圖像與實(shí)物的匹配特征，根據(jù)已有的模型來匹配數(shù)據(jù)，獲取真實(shí)有效的圖像。例如機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中根據(jù)相機(jī)采集的圖片可以判斷出物品的形態(tài)。無論是物體有規(guī)律分布還是無規(guī)律分布或者是任意角度的轉(zhuǎn)換，軟件都可以根據(jù)各種模板的轉(zhuǎn)換角度做出相應(yīng)的匹配。圖像與模板的匹配進(jìn)行雙面采集，圖像采用輪廓制作模板，模板完成以后與圖像匹配，每次匹配都會(huì)計(jì)算出一個(gè)衡量模板的結(jié)果，這就是圖像與形態(tài)輸出的結(jié)果，每一次匹配計(jì)算都接近實(shí)際物體，如果是目標(biāo)物體體積很小，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)相似的數(shù)值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多個(gè)輪換模板的匹配就能夠獲得最終的結(jié)果。

2.2 工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)案例

以美國(guó)康耐視公司的視覺系統(tǒng)為例，工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，依托攝像機(jī)模型和透視技術(shù)，選用透視效果較好的設(shè)備，運(yùn)用透視技術(shù)，把三維物體轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖形實(shí)現(xiàn)投影變換。從初期圖像獲得來處理CCD或者是CMOS圖像進(jìn)行二維灰度圖中提取三維特征，對(duì)圖像進(jìn)行量化處理，把圖像信息分成像素點(diǎn)，將這些亮點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入計(jì)算機(jī)處理，在邊緣檢測(cè)中運(yùn)用各種算子強(qiáng)化圖像中的像素點(diǎn)，在這項(xiàng)工作作中需要區(qū)分roberts算子和索貝爾算子以及高斯偏導(dǎo)濾波器。從二維圖像中提取三維特征的算法，對(duì)設(shè)備有一定的要求，之后通過數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行分析，解釋轉(zhuǎn)換為符號(hào)，在具體應(yīng)用中采用的是三維立體視覺的解決方案，目前都是采用3D視覺技術(shù)來提高工業(yè)機(jī)器人的工作精度，同時(shí)強(qiáng)化其速度和可靠性，讓機(jī)器人真正擁有眼睛。目前所使用的視覺系統(tǒng)多數(shù)為立體視覺法，結(jié)構(gòu)光法以及激光掃描法。隨著3D視覺技術(shù)開發(fā)水平不斷提高，工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可以自動(dòng)完成位置變化，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)作。例如工作中的主要程序?yàn)楣ぜㄎ?，檢測(cè)器探測(cè)物體，進(jìn)行圖像采集，攝像機(jī)掃描，啟動(dòng)脈沖打開燈光照明，攝像機(jī)曝光后，開始一幀圖像的掃描和輸出，圖像采集部分接收模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化存放處理器，對(duì)圖像進(jìn)行分析識(shí)別處理獲得處理結(jié)果。例如機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)，在分揀機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用中，針對(duì)于分檢工作的具體要求，進(jìn)行了各種方案的匹配。在確定使用基于輪廓形狀的匹配方法上來編輯視覺軟件。在軟件功能方面建立各種模塊，各種模塊兒對(duì)軟件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在具備設(shè)備型號(hào)和參數(shù)上明確設(shè)定要求。硬件總體結(jié)構(gòu)符合生產(chǎn)的需要，針對(duì)模板制作，圖像處理方法進(jìn)行設(shè)定，一般運(yùn)用探究算子運(yùn)行原理調(diào)試內(nèi)部參數(shù)，完成模板制作。模板匹配技術(shù)主要是基于圖像金字塔結(jié)構(gòu)的圖像匹配算法。分揀機(jī)器人應(yīng)用中，并不是簡(jiǎn)單固定模塊的匹配，而是設(shè)計(jì)多種模板進(jìn)行匹配，針對(duì)多個(gè)種類進(jìn)行旋轉(zhuǎn)搜索定位，通過大量的實(shí)驗(yàn)確定匹配參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在軟件方面設(shè)定軟件標(biāo)定原理，研究一種優(yōu)化的軟件標(biāo)的方法，在坐標(biāo)處理和發(fā)送部分針對(duì)于分揀機(jī)器人的結(jié)構(gòu)有效測(cè)試軟件容錯(cuò)能力。分揀機(jī)器人軟件功能設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用在傳送帶方面，傳送帶要求機(jī)器人在工作范圍之內(nèi)將特定物品識(shí)別后抓取，系統(tǒng)總體要求是物品進(jìn)入到拍攝區(qū)域以后，拍攝圖片，對(duì)圖片進(jìn)行分析，得出物品的種類圖像。

3? 結(jié)語

計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人上應(yīng)用可以使工業(yè)機(jī)器人具有自動(dòng)跟蹤和定位的要求，通過數(shù)據(jù)模型來實(shí)施定位，目標(biāo)機(jī)器人可以系統(tǒng)地利用計(jì)算機(jī)視覺圖像采集裝置來識(shí)別外部環(huán)境。工業(yè)機(jī)器人才會(huì)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的操作和智能化的推進(jìn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效控制，工業(yè)機(jī)器人可以對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行靈活的掌握。在未來的發(fā)展建設(shè)中，工業(yè)機(jī)器人在視覺系統(tǒng)上需要引用更多先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人智能化水平的不斷提升，從技術(shù)領(lǐng)域來提高工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)效率。

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