《機(jī)器人入門與實(shí)踐》教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：本文分析了《機(jī)器人入門與實(shí)踐》教學(xué)中常見(jiàn)的不足。根據(jù)課程特點(diǎn)，將課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了項(xiàng)目化處理，專門設(shè)計(jì)出機(jī)器視覺(jué)教學(xué)項(xiàng)目，以機(jī)器視覺(jué)代替人眼完成目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、判斷和測(cè)量等基本任務(wù)。該方案充分利用三菱RV-2F工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器的視覺(jué)功能模塊，深入引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的照明進(jìn)行優(yōu)化，提高圖像模式識(shí)別準(zhǔn)確度。通過(guò)該教學(xué)改革和實(shí)踐可有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在有限課時(shí)內(nèi)提高學(xué)生的自主開(kāi)發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)；教學(xué)改革

1前言

隨著機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，目前全國(guó)的許多高校都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)課程，而且學(xué)生的人數(shù)也在逐年上升。機(jī)器視覺(jué)作為工業(yè)機(jī)器人一項(xiàng)核心技術(shù)，主要研究計(jì)算機(jī)模擬人的視覺(jué)功能進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、判斷和測(cè)量，是《機(jī)器人入門與實(shí)踐》課程中一個(gè)重要的教學(xué)項(xiàng)目。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，所有信息均來(lái)源于目標(biāo)圖像，目標(biāo)圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)極為關(guān)鍵。光源是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)圖像水平的重要因素，光源質(zhì)量直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)光源照明的適當(dāng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識(shí)別的難度，提高系統(tǒng)的定位、測(cè)量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高[1]。

目前教學(xué)中，由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)備配置較為固定，學(xué)生主要以操作為主，很難對(duì)視覺(jué)照明系統(tǒng)有深入的理解。而實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)光源照明的優(yōu)化，有效地提高圖像識(shí)別的質(zhì)量和效果，進(jìn)而提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率對(duì)課程學(xué)習(xí)具有重要意義。

本文工以工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器為主題，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)棋子的識(shí)別精確度不高的情況，提出一種機(jī)器人視覺(jué)照明系統(tǒng)優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中照明裝置進(jìn)行優(yōu)化，提高視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確度。

2機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成

典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。主要部件由機(jī)器視覺(jué)光源，光學(xué)鏡頭，工業(yè)相機(jī)，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成。

（1）光源

在目前的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部份之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別。其中，LED 光源憑借其諸多的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

（2）光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要。鏡頭的主要性能指標(biāo)有焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等。

（3）相機(jī)

相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機(jī)和CCD相機(jī)。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。

（4）圖像采集卡

在基于 PC 機(jī)的機(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。

（5）視覺(jué)傳感器

傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口，組成一個(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。

3光源技術(shù)

光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對(duì)比度的同時(shí)，應(yīng)保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。不合適的光源，會(huì)給機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)帶來(lái)很多麻煩，如攝像機(jī)的花點(diǎn)和過(guò)度曝光會(huì)隱藏很多重要信息；陰影會(huì)引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會(huì)增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個(gè)合適的光源。機(jī)器視覺(jué)中光源的分類主要以下幾種：

3.1 前光源

前光源是指光源放置在待測(cè)物前方，這種光照方式稱為“前光式照明”，如圖1所示。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，區(qū)別在于光源與被測(cè)物待測(cè)表面的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時(shí)，主要考慮被測(cè)物表面待測(cè)部分的機(jī)理。

3.2 背光源

背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置于待測(cè)物體背面，如圖2所示。通過(guò)背光源照射待測(cè)物體，相對(duì)攝像機(jī)形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部，使待測(cè)物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎(chǔ)。它主要應(yīng)用于被測(cè)對(duì)象的輪廓檢測(cè)、透明體的污點(diǎn)缺陷檢測(cè)、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測(cè)、軸承外觀和尺寸檢查、半導(dǎo)體引線框外觀和尺寸檢查等。

3.3 環(huán)形光源

環(huán)形光源能為待測(cè)物體提供大面積均衡的照明。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對(duì)齊。環(huán)形光源的優(yōu)點(diǎn)在于可直接安裝在鏡頭上（如圖3所示），與待測(cè)物體距離合適時(shí)，可大大減少陰影、提高對(duì)比度、可實(shí)現(xiàn)較大面積照明。但應(yīng)用距離不合適時(shí)會(huì)造成環(huán)形反光現(xiàn)象。

三菱 RV-2F工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器主要由三菱 RV-2F工業(yè)機(jī)器人（如圖4）、三菱 FX3U系類PLC、三菱 GOT1000 系類觸摸屏、三菱 MR-J4 系類伺服、康耐視工業(yè)相機(jī)、邦納安全光幕等設(shè)備組成[2]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通中國(guó)象棋進(jìn)行棋子的抓取、擺放、識(shí)別，以及棋盤上對(duì)棋子的移動(dòng)、吃子等動(dòng)作。該系統(tǒng)中視覺(jué)系統(tǒng)照明正是采用了環(huán)狀照明光源，如圖5所示。

4工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器環(huán)形光源分析

最初的環(huán)形照明光源內(nèi)部采用純水平排列的LED，可以為整個(gè)工件提供較為均勻的照明，其照明原理如圖6所示。

這種環(huán)形結(jié)構(gòu)照明光源將LED顆粒安裝在平面結(jié)構(gòu)上，因設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且組裝簡(jiǎn)便，成本較低。但這種照明最大的缺點(diǎn)是視場(chǎng)中心的亮度不夠均勻，由CCD獲取的圖像存在中心亮度低，環(huán)形四周亮度高的缺陷。這種照明和COGNEX 1100工業(yè)視覺(jué)傳感器成像鏡頭的光闌大小很難形成好的匹配，獲取圖像的特征部分細(xì)節(jié)會(huì)被掩蓋，給In-Sight Explorer視覺(jué)的取模和圖像判別帶來(lái)不少困難。

為了更好的獲取到均勻的照明光源，可以將圖6中LED顆粒的排列陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用非球面的結(jié)構(gòu)形式，將LED照明顆粒鑲嵌在非球面表明，最終通過(guò)多角度擴(kuò)散方式給工件提供照明。其照明原理如圖7所示。

采用圖7所示的非球面環(huán)狀光源與現(xiàn)有普通LED環(huán)形光源相比，優(yōu)點(diǎn)在于能產(chǎn)生統(tǒng)一、表面均勻的照明效果。兩種比較如圖8和圖9所示。通過(guò)比較圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)后者所能提供的照明更均勻柔和。

5工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器環(huán)形光源分析

In-Sight Explorer電子表格視圖用于康耐視In-Sight Micro系工業(yè)視覺(jué)傳感器的編程界面[3]，如圖10所示。三菱 RV-2F工業(yè)機(jī)器人象棋視覺(jué)系統(tǒng)使用圖像對(duì)比指令FindPatterns，界面如圖11所示。對(duì)圖像取模后進(jìn)行對(duì)比，得出相似值后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，發(fā)送二進(jìn)制數(shù)到網(wǎng)絡(luò)。

如圖11所示，一般相機(jī)的曝光時(shí)間只需要調(diào)整到2-3秒左右，總分為100分，得分判斷值一般取60-70即可。分值的取得是靠圖像特征的對(duì)比，當(dāng)?shù)梅种荡笥诘梅峙袛嘀禃r(shí)，則后面數(shù)值會(huì)顯示為1，當(dāng)沒(méi)有通過(guò)得分判斷值時(shí)，后面顯示數(shù)值為0。1表示圖像識(shí)別成功，0表示圖形識(shí)別失敗。

將優(yōu)化的光源安裝到工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)系統(tǒng)中，選取同類的拍攝棋子圖像在不同的照明光源下進(jìn)行拍攝取圖形，如下圖12和13所示。

通過(guò)圖像的比較可以發(fā)現(xiàn)圖13所拍攝的圖片亮度更高，均勻度更好。兩張圖片經(jīng)過(guò)取模操作和系統(tǒng)比較后發(fā)現(xiàn)圖13成功實(shí)現(xiàn)了圖像的識(shí)別，圖12出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤。

6結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)三菱 RV-2F工業(yè)機(jī)器人象棋視覺(jué)系統(tǒng)的照明進(jìn)行改造，將常見(jiàn)的純水平排列LED環(huán)形照明光源優(yōu)化為非球面排列LED環(huán)形照明光源，有效地提高了目標(biāo)物體的照明亮度和均勻度，提高了視覺(jué)系統(tǒng)的圖像識(shí)別成功率。該教學(xué)項(xiàng)目讓學(xué)生以一種簡(jiǎn)便直觀的形式了解并掌握工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)優(yōu)化的方法，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓九強(qiáng).機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及應(yīng)用.（北京）高等教育出版社，2009.12

[2]三菱電機(jī)工業(yè)機(jī)器人CR750/CR751控制器操作說(shuō)明書——功能和操作的詳細(xì)說(shuō)明 [M].三菱電機(jī)（上海）有限公司

[3]In-Sight Micro 視覺(jué)傳感器安裝手冊(cè)[M].康耐視（上海）有限公司