廖志青， 段海峰， 盧健能

（廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 廣東 廣州 510800）

0 引言

各種工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)于助推我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力功不可沒(méi)。機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了高鐵速度階段，尤其是柔性制造系統(tǒng)，視覺(jué)技術(shù)和智能工廠的快速發(fā)展，使得作為工作基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)大大落后于市場(chǎng)的發(fā)展及需求，而高校現(xiàn)有的智能制造課程卻集中在如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝分析，使得裝備的設(shè)計(jì)更為合理；完整的機(jī)器人應(yīng)用培養(yǎng)卻變成了一個(gè)容易被忽視的部分，作為機(jī)器人智能化體現(xiàn)之一的視覺(jué)技術(shù)更是無(wú)法被學(xué)習(xí)[1-2]。

理實(shí)一體化教學(xué)是在一定的理論指導(dǎo)下，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)以實(shí)踐應(yīng)用為載體，鞏固理論知識(shí)、形成技能、提高綜合素質(zhì)的教學(xué)過(guò)程。智能制造課程學(xué)習(xí)應(yīng)該以工業(yè)機(jī)器人為核心，按照智能制造工程領(lǐng)域閉環(huán)的流程進(jìn)行教學(xué)，并配合以機(jī)器人應(yīng)用及視覺(jué)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，才能使學(xué)生真正意義上的理解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在行業(yè)中的具體應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用方法。

1 機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程實(shí)驗(yàn)裝置概述

機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程中所用實(shí)驗(yàn)裝置包括一臺(tái)桌面機(jī)器人（Dobot Magician）、兩種氣動(dòng)夾具以及相應(yīng)的視覺(jué)裝置，具體由機(jī)器人、光源、視覺(jué)相機(jī)、氣泵、夾具和支撐部件組成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程實(shí)驗(yàn)裝置

按照安裝要求安裝好各部件并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕泳€、調(diào)試以后，該實(shí)驗(yàn)裝置便可以使用；配以機(jī)器人控制軟件DobotStudio 便可以實(shí)現(xiàn)Dobot Magician 機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)、示教再現(xiàn)、寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)、激光雕刻、3D 打印等功能；采用視覺(jué)數(shù)據(jù)采集軟件MVS 采集視覺(jué)數(shù)據(jù)；采用視覺(jué)分析處理軟件DobotVisionStudio，便可以根據(jù)多種應(yīng)用場(chǎng)景快速組合算法，設(shè)計(jì)機(jī)器人動(dòng)作路徑和視覺(jué)應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件或被測(cè)物的查找、測(cè)量、缺陷檢測(cè)等功能的應(yīng)用。

2 機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程知識(shí)圖譜及內(nèi)容安排

根據(jù)機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程需要，設(shè)計(jì)教學(xué)大綱、教學(xué)日歷和課件，提煉課程知識(shí)圖譜如圖2所示，課程內(nèi)容包括機(jī)器人控制學(xué)習(xí)、視覺(jué)信息采集、視覺(jué)方案知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)以及機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用案例4 個(gè)部分。包含了如何從機(jī)器人視覺(jué)設(shè)備采集視覺(jué)信息，如何對(duì)采集到的視覺(jué)信息進(jìn)行查找、測(cè)量、分析以及根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)工程應(yīng)用的視覺(jué)方案，最后利用硬件機(jī)器人進(jìn)行視覺(jué)方案的運(yùn)行和驗(yàn)證[3-4]。

圖2 機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程知識(shí)圖譜

該課程設(shè)計(jì)為32 個(gè)學(xué)時(shí)，包括8 個(gè)學(xué)時(shí)的機(jī)器人理論學(xué)習(xí)及實(shí)操學(xué)習(xí)，18 個(gè)學(xué)時(shí)的視覺(jué)軟件及知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和6 個(gè)學(xué)時(shí)的視覺(jué)案例的實(shí)踐；圖2 中的數(shù)字表示了每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的課時(shí)數(shù)，包含理論和實(shí)踐兩類內(nèi)容，完成機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化的課程模式；課程目的為學(xué)生可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的工程應(yīng)用視覺(jué)方案。

3 機(jī)器人坐標(biāo)學(xué)習(xí)及示教編程簡(jiǎn)析

Dobot Magician 機(jī)器人是一款桌面級(jí)智能機(jī)器人，由底座、大臂、小臂、末端工具等組成；底座上有電源開(kāi)關(guān)及狀態(tài)指示燈，用以顯示機(jī)器人的狀態(tài)，如圖3 所示；該機(jī)器人的動(dòng)作由4 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)，分別為J1、J2、J3、J4關(guān)節(jié)點(diǎn)，在這4 個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)將形成機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，從而驅(qū)動(dòng)Dobot Magician 機(jī)器人按要求在其工作空間內(nèi)移動(dòng)；設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)（基坐標(biāo)系）及末端坐標(biāo)點(diǎn)（工具坐標(biāo)系），后面的示教再現(xiàn)將采用基坐標(biāo)系進(jìn)行編程。

圖3 Dobot Magician 機(jī)器人坐標(biāo)分析

DobotStudio 示教編程有兩種取點(diǎn)方式，一種是直接將機(jī)器人末端移到指定位置存點(diǎn)（需要按住機(jī)器人小臂上的專用示教按鈕）；另一種方式是在機(jī)器人控制軟件機(jī)器人動(dòng)作控制區(qū)域位置，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊區(qū)域內(nèi)的X、Y、Z、R 的坐標(biāo)位置和J1、J2、J3、J4的關(guān)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)將機(jī)器人末端位置移動(dòng)到的指定位置點(diǎn)，然后在位置點(diǎn)進(jìn)行存點(diǎn)；如果某一個(gè)位置的末端工具（實(shí)驗(yàn)里只有手爪、吸盤(pán)）發(fā)生動(dòng)作，可設(shè)定動(dòng)作模式，完成后可以進(jìn)行下一次存點(diǎn)；每存一次點(diǎn)，便會(huì)形成一行機(jī)器人動(dòng)作程序，當(dāng)所有動(dòng)作完成后保存；啟動(dòng)程序，機(jī)器人便會(huì)按照之前的示教動(dòng)作進(jìn)行工作，示教完成后還可以對(duì)程序進(jìn)行進(jìn)一步的修改，比如調(diào)整機(jī)器人速度、加速度、暫停時(shí)間等[5-6]。

4 機(jī)器人視覺(jué)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)及視覺(jué)案例分析

機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用主要包括定位測(cè)量、缺陷檢測(cè)、特征識(shí)別、組合視覺(jué)以及其他視覺(jué)需求。視覺(jué)分析及控制機(jī)器人軟件Dobot Vision Studio 主界面設(shè)定了視覺(jué)工作區(qū)、視覺(jué)方案流程圖區(qū)域、圖像顯示區(qū)和結(jié)果顯示區(qū)。視覺(jué)工作區(qū)包含了視覺(jué)方案設(shè)計(jì)的各種視覺(jué)工具，包括采集、定位、測(cè)量、識(shí)別、標(biāo)定、圖像處理、顏色處理、缺陷檢測(cè)、邏輯工具和通信等工具[7]；視覺(jué)方案流程圖區(qū)域?yàn)獒槍?duì)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的視覺(jué)方案的邏輯流程圖，包含了整套視覺(jué)應(yīng)用的主體內(nèi)容；流程圖中每一個(gè)元素單位都代表了視覺(jué)方案中的一個(gè)視覺(jué)邏輯細(xì)節(jié)，都需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行特定的參數(shù)設(shè)置；圖像顯示區(qū)為針對(duì)采集到的視覺(jué)圖像以及圖像模板進(jìn)行處理的顯示區(qū)，而結(jié)果顯示區(qū)則是根據(jù)視覺(jué)處理后的結(jié)果進(jìn)行顯示[8]。

4.1 視覺(jué)方案知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

不同的視覺(jué)工程方案需要選擇相應(yīng)的視覺(jué)工具和算法模塊組合使用，每一個(gè)視覺(jué)方案都是由若干個(gè)視覺(jué)工具按照視覺(jué)邏輯算法組合而成；針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)視覺(jué)方案，需要熟悉各種視覺(jué)工具和算法模塊；如圖4 所示，一套完整的視覺(jué)工程方案往往包括視覺(jué)采集、視覺(jué)分析、圖像處理、邏輯運(yùn)算、通信和機(jī)器人工具六個(gè)模塊，有些簡(jiǎn)單的視覺(jué)方案可能會(huì)缺少某些不需要的模塊。

圖4 工程視覺(jué)應(yīng)用視覺(jué)工具和算法模塊組合流程

4.2 視覺(jué)案例分析

下面以字符缺陷視覺(jué)檢測(cè)案例進(jìn)行教學(xué)范例，目的是檢測(cè)字符是否存在差異、缺陷，并找出有缺陷的字符，利用機(jī)器人將其搬運(yùn)分類；樣本字符如圖5-1所示，其中某一個(gè)“Detection”中的字母C 上設(shè)定了缺陷標(biāo)志。

圖5 字符檢測(cè)樣本及字符視覺(jué)訓(xùn)練模板

需要說(shuō)明的是在進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)之前，需要先對(duì)該字符進(jìn)行模板特征設(shè)定，即訓(xùn)練字符模板，如圖5-2所示。

根據(jù)字符缺陷視覺(jué)檢測(cè)要求設(shè)計(jì)視覺(jué)方案流程如圖6 所示；整套方案由字符上端的相機(jī)對(duì)字符進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照采集視覺(jué)信息；然后由視覺(jué)軟件對(duì)該圖像進(jìn)行特征識(shí)別、位置修正及圖像處理，得到最清晰的需檢測(cè)的視覺(jué)字符，接著與字符視覺(jué)訓(xùn)練模板進(jìn)行對(duì)比分析，從而找出有缺陷的字符，并進(jìn)行標(biāo)定轉(zhuǎn)換[9]。

圖6 字符缺陷視覺(jué)檢測(cè)方案流程

字符圖像分析后，如圖7-1 所示，如字符沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷，軟件圖像顯示區(qū)和結(jié)果區(qū)會(huì)顯示OK 標(biāo)志；如圖7-2 所示，發(fā)現(xiàn)字符上有缺陷標(biāo)志，則會(huì)顯示NG標(biāo)志，并將該結(jié)果傳送條件檢測(cè)模塊。

圖7 字符缺陷檢測(cè)結(jié)果

如圖8 所示，得到字符缺陷檢測(cè)結(jié)果以后，條件檢測(cè)模塊會(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果輸入分支模塊，再由分支模塊判定機(jī)器人執(zhí)行結(jié)論，即機(jī)器人執(zhí)行結(jié)果是通過(guò)吸盤(pán)將字符分別搬運(yùn)至有缺陷或無(wú)缺陷區(qū)進(jìn)行分類[10]。

圖8 條件檢測(cè)和分支模塊參數(shù)設(shè)定

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人及視覺(jué)理實(shí)一體化課程不但包含了機(jī)器人、視覺(jué)技術(shù)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，還進(jìn)行了機(jī)器人示教編程實(shí)操和機(jī)器人視覺(jué)案例設(shè)計(jì)及實(shí)操；既鞏固了機(jī)器人理論知識(shí)，同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)機(jī)器人、機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用的了解；相較于教學(xué)體系過(guò)多地偏向理論教學(xué)的課程設(shè)置，能使學(xué)生真正意義上的理解工業(yè)機(jī)器人及視覺(jué)技術(shù)在行業(yè)中的具體應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用方法；能更好地與企業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用相鍥合，培養(yǎng)出企業(yè)真實(shí)需求的機(jī)器人人才；對(duì)于助推我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、智能制造工程領(lǐng)域發(fā)展起到一定的作用。