趙丹 戴艷濤 謝吉龍

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150000）

在供給側(cè)改革背景下，用通過(guò)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新增強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)效率，提升其競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)器人在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生，并被有效應(yīng)用于工業(yè)生之中，效果顯著，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。因此，如何有效使用視覺(jué)伺服控制技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)機(jī)器人的控制能力，使其更好的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)也成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)話題，應(yīng)在有關(guān)方面提高重視，拓展研究深度和廣度。

1 機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成分析

機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)在構(gòu)成方面主要包括視覺(jué)系統(tǒng)、控制策略和機(jī)器人系統(tǒng)三部分組成。其中，視覺(jué)系統(tǒng)需要獲取精準(zhǔn)的視覺(jué)反饋信息，作為工作開(kāi)展的依據(jù)，其途徑為圖像獲取和視覺(jué)處理。接下來(lái)，需要通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制輸入[2]。具體如圖1所示。

圖1：機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

視覺(jué)系統(tǒng)主要由圖像獲取和視覺(jué)處理兩部分組成，其中，圖像獲取環(huán)節(jié)，需要使用相機(jī)模型對(duì)三維空間進(jìn)行投影處理，使其影響進(jìn)入二維圖像空間。視覺(jué)處理環(huán)節(jié)，則是有效使用獲取的圖像信息，完成視覺(jué)反饋。本次研究選擇的機(jī)器人為單目視覺(jué)，分析其視覺(jué)伺服控制技術(shù)。在視覺(jué)模塊構(gòu)成方面，主要包括光源、光學(xué)鏡頭、工業(yè)CCD 相機(jī)、圖像采集卡、圖像分析處理軟件、通信接口等部分。具體工作流程如下：首先，系統(tǒng)通過(guò)攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)體的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，形成圖像信息[3]。然后，通過(guò)新通訊設(shè)備將圖像屬性至主控系統(tǒng)之中，系統(tǒng)按照相關(guān)要求進(jìn)行信息分析和圖像特征提取，這一過(guò)程中的圖像特征必須能夠準(zhǔn)確反應(yīng)圖像的實(shí)際情況。接下來(lái)，使用計(jì)算工具進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，得出檢測(cè)結(jié)果，并將檢測(cè)結(jié)果上傳至機(jī)器人控制器之中，機(jī)器人控制器對(duì)其識(shí)別之后，發(fā)出控制指令。與此同時(shí)，形成運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的依據(jù)。最后，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人開(kāi)展實(shí)際工作。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 攝像機(jī)選擇

本文在研究中，對(duì)于視場(chǎng)要求為310*250，屬于矩形區(qū)域；系統(tǒng)分辨率要求為0.5mm；有關(guān)顏色和制式方面，選擇單色相機(jī)。主要因?yàn)槠浠叶刃畔⒖浦苯犹幚?，較為方便快捷，在精度方面優(yōu)于彩色相機(jī)；在通訊接口方面，多以工業(yè)以太網(wǎng)為主，而1394、Camera Link 等接口也較為常用。有關(guān)方面的相機(jī)接口選擇，需要綜合考量圖像數(shù)據(jù)傳輸距離、圖像數(shù)據(jù)大小等因素。綜合上述攝像機(jī)選型標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)使用CCD 傳感器數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，生產(chǎn)公司為BASLER 公司。除此以外，在攝像機(jī)使用之前，還需進(jìn)行性能測(cè)試，只有滿足設(shè)計(jì)要求、性能良好的攝像機(jī)才可作為應(yīng)用對(duì)象。

2.2 鏡頭選擇

在整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)之中，鏡頭主要用于光學(xué)成像。鏡頭選擇是否合理，將會(huì)影響成像清晰度。在進(jìn)行鏡頭選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮相機(jī)與目標(biāo)物體之間的距離、焦距大小、拍攝目標(biāo)的尺寸等因素。鏡頭計(jì)算公式如公式1所示，其中，y 代表像的大小，f 代表焦距，θ 代表半畫(huà)角。

且在完成鏡頭選擇之后，還需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，分析鏡頭選擇的合理性。經(jīng)過(guò)研究，本次設(shè)計(jì)選擇的鏡頭為MP-0814 百萬(wàn)變焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，生產(chǎn)廠家為日本Coputar 公司。具體參數(shù)如表1所示。

表1：MP-0814 百萬(wàn)變焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 照明方式及光源

通過(guò)實(shí)踐研究可知，當(dāng)前LED 光源具有響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、對(duì)于各種環(huán)境均具有較強(qiáng)適應(yīng)力的特點(diǎn)，因此，成為首選的光源。接下來(lái)，根據(jù)光源進(jìn)行照明方式選擇，主要包括平面照明、環(huán)形光源等模式。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，環(huán)形光源具有一定優(yōu)勢(shì)，可以與相機(jī)鏡頭進(jìn)行同軸組合安裝，自上而下進(jìn)行照明，照明范圍較大，高度較高，明亮度較強(qiáng)，能夠達(dá)到系統(tǒng)有關(guān)成像方面的要求，因此，使用較廣。本次設(shè)計(jì)，采取LED 環(huán)形光源，生產(chǎn)廠家為日本CCS 公司。

2.4 軟件系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)

2.4.1 圖像采集與處理

在實(shí)踐過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象圖像進(jìn)行采集時(shí)，需要借助相應(yīng)的函數(shù)強(qiáng)化實(shí)際工作效果。而這一函數(shù)來(lái)自圖像采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，屬于與之對(duì)應(yīng)的控制函數(shù)。在這一函數(shù)的支撐下，完成對(duì)攝像機(jī)獲取的視頻信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)采集。與此同時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其統(tǒng)一為BMP 格式，存入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于識(shí)別和使用。接下來(lái)，還要對(duì)圖像實(shí)施平滑、去噪等處理，并合理選擇灰度閾值，實(shí)施圖像的二值化處理，從而使圖像更加精細(xì)，有利于特征識(shí)別，并為空間定位提供有效支撐。

2.4.2 提取攝像機(jī)的定標(biāo)和坐標(biāo)

為了優(yōu)質(zhì)高效進(jìn)行坐標(biāo)提取，需要進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)，保證攝像機(jī)和實(shí)際空間點(diǎn)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。但是，在機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)中使用視覺(jué)伺服控制時(shí)，坐標(biāo)系并不唯一，形成“三位一體”的坐標(biāo)系，即機(jī)器人坐標(biāo)系、作業(yè)平臺(tái)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系，且每個(gè)坐標(biāo)系皆存在各自的特點(diǎn)。其中，圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖像左上部，屬于直角坐標(biāo)系，其單位設(shè)計(jì)為像素。在實(shí)踐過(guò)程中，可以使用像素的行數(shù)表示坐標(biāo)系的X 軸，像素的列數(shù)表示Y 軸?；诒阌趯?shí)際操作和精準(zhǔn)定位的視角考慮坐標(biāo)系設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)在視覺(jué)系統(tǒng)中構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)，準(zhǔn)確定位圖像某一輪廓點(diǎn)與實(shí)際圖形真實(shí)點(diǎn)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，應(yīng)在機(jī)器人坐標(biāo)系、作業(yè)平臺(tái)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系三者之間建立變換準(zhǔn)則，使其能夠準(zhǔn)確變換，形成統(tǒng)一的坐標(biāo)系。基于此設(shè)計(jì)如下變換矩陣：

在上述矩陣之中，（X,Y）在代表某個(gè)點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，而其在圖像坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)則為（u，v），將像素作為單位，兩個(gè)矩陣參數(shù)設(shè)計(jì)各有不同，前者為相機(jī)內(nèi)參數(shù)，后者為相機(jī)外參數(shù)。其中，基準(zhǔn)點(diǎn)選定為相機(jī)內(nèi)參數(shù)，即（cx，cy），通常位于圖像中心位置。焦距也以像素作為單位，具體為（fx，fy）。對(duì)于攝像機(jī)的坐標(biāo)位置，可以用旋轉(zhuǎn)矩陣R 和平移向量t 表示。在實(shí)操過(guò)程中，對(duì)于像素點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)，可以通過(guò)矩陣逆解來(lái)確定。

2.4.3 實(shí)時(shí)控制技術(shù)

視覺(jué)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)控制對(duì)于整個(gè)控制工作開(kāi)展意義重大，只有保證控制的實(shí)時(shí)性，才能根據(jù)實(shí)際需求及時(shí)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)行調(diào)整，強(qiáng)化服務(wù)效果。在具體操作時(shí)，得出機(jī)器人坐標(biāo)之后，系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)信息啟動(dòng)并運(yùn)行決策程序，形成機(jī)器人運(yùn)行控制指令。與此同時(shí)，在MOTOCOM32 庫(kù)之中調(diào)用針對(duì)性的函數(shù)，準(zhǔn)確控制機(jī)器人終端執(zhí)行設(shè)備。從而對(duì)特征點(diǎn)位置自動(dòng)確認(rèn)，令機(jī)器人按照預(yù)定計(jì)劃完成操作。

2.5 噪聲處理技術(shù)

在機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)之中，視覺(jué)系統(tǒng)存在噪聲，分析其來(lái)源，主要為相機(jī)感光元件存在噪聲，加之視覺(jué)處理算法精準(zhǔn)度較差，存在誤差，使噪聲問(wèn)題更加突出。為了有效解決這一問(wèn)題，采取如下技術(shù)：

2.5.1 使用魯棒的特征提取算法

通過(guò)實(shí)踐研究可知，圖像噪聲對(duì)于圖像特生提取影響相對(duì)較大，且對(duì)于像素較為敏感，因此，基于像素梯度的局部圖像特征提取受到噪聲影響較為突出，從而導(dǎo)致特征點(diǎn)提取錯(cuò)誤，匹配不科學(xué)的現(xiàn)象，致使系統(tǒng)狀態(tài)變量產(chǎn)生較大誤差，誘發(fā)控制系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)問(wèn)題，弱化機(jī)器人控制的穩(wěn)定性。在解決這一問(wèn)題時(shí)，可以對(duì)例外點(diǎn)進(jìn)行剔除，具體方法為RANSAC 算法、最小二乘法、霍夫變換法、M-estimators 算法等。

2.5.2 利用觀測(cè)器降低噪聲

為了強(qiáng)化降低噪聲的效果，可以使用觀測(cè)器對(duì)含有噪聲的特征向量實(shí)施狀態(tài)觀測(cè)，從而得出較為精準(zhǔn)的結(jié)果，弱化噪聲的影響。有關(guān)方面的常用方法包括Kalman 濾波法、粒子濾波法等方法。除此以外，對(duì)于需要使用圖像空間中速度信息的控制系統(tǒng)，存在圖像采樣頻率小而噪聲大的問(wèn)題，如果使用數(shù)值微分方法將會(huì)加大誤差，所以，也可以考慮使用觀測(cè)器直接觀察并估測(cè)的模式。

3 機(jī)器人視覺(jué)伺服控制技術(shù)應(yīng)用保障措施

3.1 體現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的針對(duì)性

在機(jī)器人視覺(jué)伺服控制技術(shù)應(yīng)用之前，必須對(duì)服務(wù)對(duì)象詳細(xì)了解，總結(jié)其有關(guān)方面的需求，并在國(guó)家相關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)之上，合理進(jìn)行技術(shù)選擇和使用。例如，在保證技術(shù)應(yīng)用滿足使用需求的前提下，應(yīng)分析技術(shù)的可操作性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性、發(fā)展性等情況，盡量降低技術(shù)操作難度，減少操作風(fēng)險(xiǎn)。除此以外，在有關(guān)方面技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮“人機(jī)”結(jié)合的管理思想，注重相關(guān)人員素質(zhì)的提升，盡量減少人工操作對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。

3.2 加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)管理

機(jī)器人視覺(jué)伺服控制技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)建立針對(duì)性的管理機(jī)制，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管理，及時(shí)根據(jù)其實(shí)際情況，進(jìn)行技術(shù)調(diào)整和優(yōu)化，強(qiáng)化服務(wù)效果。例如，某一設(shè)備雖然在初期滿足使用要求，但由于長(zhǎng)期使用，存在老化問(wèn)題，性能弱化，加之工業(yè)生產(chǎn)要求發(fā)生變化，對(duì)于機(jī)器人的控制要求提升，因此，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行控制設(shè)備更換和系統(tǒng)升級(jí)，做到與時(shí)俱進(jìn)。與此同時(shí)，還要建立針對(duì)性的管理制度，設(shè)置專職的管理人員，實(shí)現(xiàn)“專人、專職、專責(zé)”的“三?！惫芾砟Ｊ?。

3.3 增加相關(guān)技術(shù)研發(fā)投入

為了強(qiáng)化機(jī)器人視覺(jué)伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果，應(yīng)注重相關(guān)方面技術(shù)研發(fā)投入，有效使用新技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)改進(jìn)和升級(jí)。例如，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控程序，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行搜集，并分析其是否正常，如果存在不正常的情況，將及時(shí)預(yù)警，管理人員及時(shí)進(jìn)行問(wèn)題解決。還可以設(shè)置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整程序，可以根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，強(qiáng)化控制能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，新時(shí)期背景下，相關(guān)方應(yīng)注重機(jī)器人視覺(jué)伺服控制技術(shù)應(yīng)用方面的研究，有效使用新技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)改進(jìn)和升級(jí)，強(qiáng)化其控制效果。在這一過(guò)程中，應(yīng)注重?cái)z像機(jī)、鏡頭、照明方式等方面的選擇，并有效進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程管理，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題，保證機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)行。