“新工科”背景下的視覺檢測與機(jī)器人技術(shù)

洪海濤

[摘 要]在“新工科”建設(shè)的時代背景下，結(jié)合高等院校中重要工科領(lǐng)域的測試技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，課題組探索了高校實施工程教育人才培養(yǎng)的新模式，找到兩種重要技術(shù)在教學(xué)過程中的有機(jī)融合與相互促進(jìn)的方式方法，為“新工科”人才培養(yǎng)模式提供了有力的支持。

[關(guān)鍵詞]“新工科”建設(shè);測試技術(shù);機(jī)器人;視覺檢測

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0074-03

國家正在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”“一帶一路”等一系列重大發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程科技人才，對于支撐服務(wù)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義，也是建設(shè)制造強(qiáng)國和創(chuàng)新型國家的重要前提。建設(shè)與發(fā)展“新工科”已然成為當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求，成為提高國家未來競爭力，贏得全球市場競爭的重要途徑，成為深化高校工程教育范式改革，滿足國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實需求。在這個前提下，2017年2月的“新工科”建設(shè)之“復(fù)旦共識”，和緊接著的“新工科”建設(shè)行動計劃之“天大行動”，提出了要探索建立工科發(fā)展新范式，吹響了“新工科”建設(shè)的號角。在教育部指導(dǎo)下，全國高校相繼開展了“新工科”建設(shè)的計劃和行動。

“新工科”建設(shè)和發(fā)展以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景，需要樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”，構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，探索實施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質(zhì)量”，建立完善中國特色工程教育的“新體系”，以實現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國。

“新工科”建設(shè)的背景下，人工智能、智能制造和機(jī)器人等技術(shù)進(jìn)入飛速的發(fā)展階段，同時，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造也進(jìn)入加速階段。如果學(xué)科和專業(yè)建設(shè)不能與時俱進(jìn)，帶來的影響將是坍塌式的，人才培養(yǎng)、隊伍建設(shè)和科研水平等，都會受到影響。那么，作為機(jī)械類專業(yè)，我們應(yīng)該如何適應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略下的“新工科”建設(shè)，如何樹立“新理念”，構(gòu)建“新結(jié)構(gòu)”，探索“新模式”，打造“新質(zhì)量”，建立“新體系”？

一、智能制造與機(jī)器人技術(shù)中的測試技術(shù)

在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革之際，高等教育的發(fā)展要在其中扮演重要角色，重視工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊密聯(lián)系和相互支撐。具有全新內(nèi)涵特征的“新工科”建設(shè)與發(fā)展，成為當(dāng)前高校探索實施工程教育人才培養(yǎng)的新模式。作為高等院校中重要工科領(lǐng)域的測試技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，在進(jìn)行新教學(xué)模式的研究和探討中地位非常重要。從教學(xué)的角度看，機(jī)器人技術(shù)的研究涉及眾多的技術(shù)領(lǐng)域，測試技術(shù)是其中非常重要的一部分。只有機(jī)器人配置了先進(jìn)配套的測試技術(shù)，才能成為智能化的自動機(jī)器人。傳統(tǒng)的工科教育里，這兩方面的技術(shù)基本是相互獨立的內(nèi)容，或者在教學(xué)上的關(guān)聯(lián)度并不大。通過新教學(xué)模式的研究和探討，找到這兩種重要技術(shù)在教學(xué)過程中的有機(jī)融合與相互促進(jìn)的方式方法，可為“新工科”人才培養(yǎng)模式提供有力的支持。

隨著我國生產(chǎn)制造智能化改造的需求日益凸顯，自動化升級的應(yīng)用更加深入，同時伴隨著下游3C制造業(yè)，以汽車零部件及配件制造、汽車整車制造為代表的汽車制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域回暖，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度增速非?？?。在這個大背景下，作為為我國制造行業(yè)培養(yǎng)人才的機(jī)械類專業(yè)，應(yīng)該以培養(yǎng)有志從事中國智能制造和高端自動化裝備的人才為導(dǎo)向，培養(yǎng)輸出的學(xué)生應(yīng)該以能從事智能裝備和機(jī)器人裝備設(shè)計、組裝、開發(fā)和使用維護(hù)等相關(guān)工作為目標(biāo)，在教學(xué)過程中體現(xiàn)“知識-技能”相結(jié)合的特點。

無論是智能制造還是機(jī)器人技術(shù)[1]，以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中核心的功能部分是智能化和自動化，因此會涉及計算電子電工、傳感檢測以及通訊控制等諸多學(xué)科領(lǐng)域，這是一個多學(xué)科相互合作、相互滲透、相互研究的跨學(xué)科領(lǐng)域。

在這其中，要實現(xiàn)制造、裝備智能化和自動化，包括智能制造和機(jī)器人技術(shù)，以及相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，傳感檢測起到了至關(guān)重要的作用，它為智能系統(tǒng)和機(jī)器人裝備提供快速有效的信息獲取和處理傳導(dǎo)的功能。如果沒有高效可靠的傳感檢測與其他功能單元的有效結(jié)合，是無法實現(xiàn)真正有效的智能系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的。因此，在“新工科”建設(shè)的新時代，需要更加重視測試技術(shù)的研究和發(fā)展[2-3]。當(dāng)然，作為以培養(yǎng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略下的“新工科”人才的高校，重視和發(fā)展測試技術(shù)的教學(xué)基礎(chǔ)以及教學(xué)革新，是我們需要重點考慮的。

實現(xiàn)智能制造和機(jī)器人技術(shù)，以及其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，其中的關(guān)鍵是有效地獲取操作對象、操作環(huán)境以及操作裝備的諸多信息，并通過有效準(zhǔn)確的信息處理手段和判斷決策算法，通過合理有效的信息傳達(dá)手段，進(jìn)行準(zhǔn)確有效的操作控制[4]。所以，智能制造和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，實際上是機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的相互融合，你中有我，我中有你。任何的技術(shù)應(yīng)用，都不是獨立于其他技術(shù)領(lǐng)域之外的。作為智能化和自動化的裝備，僅有四肢和大腦是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有靈敏的感官，以及豐富的信息處理和診斷控制功能。靈敏的感官，就是智能裝備的傳感檢測系統(tǒng)。智能裝備的智能化、自動化程度越高，需要的感官功能越系統(tǒng)、越全面。實現(xiàn)裝備智能化和自動化的感官功能，可以模仿人類的感官功能，甚至超越人類的感官功能。

例如利用機(jī)器人進(jìn)行物品的抓取操作時，機(jī)械手爪對操作對象的抓緊力是需要合理控制的。否則，如果抓緊力太小，被抓取的物品可能會在提升運輸?shù)倪^程中掉落，造成財產(chǎn)損失甚至人員傷亡。如果抓緊力太大，被抓取的物品有可能變形甚至破碎。而且，當(dāng)被抓取的物品本身的硬度和材質(zhì)不同時，所需要施加的抓取力也是不同的，無法實現(xiàn)由機(jī)械手爪的驅(qū)動裝置直接給定，而是需要根據(jù)實際的抓取情況進(jìn)行相應(yīng)的計算和分析判斷，達(dá)到類似人手抓取軟硬不同的物體時會靈巧地施加不同的抓緊力一樣的作用。這個功能的實現(xiàn)，就需要傳感檢測技術(shù)，為機(jī)械手爪提供在抓取物品過程中施加到物品上的力，從而進(jìn)行計算分析，再根據(jù)合理的判斷規(guī)則來判斷究竟是需要繼續(xù)增加驅(qū)動力還是減少驅(qū)動力。具體實現(xiàn)方法，可以根據(jù)測試技術(shù)所提供的一些基本測試手段，結(jié)合機(jī)械手爪的具體結(jié)構(gòu)形式，以及操作對象的特性，選擇合適的測量方法和傳感器，并設(shè)計適合的速度和精度的信息處理系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的計算機(jī)軟件、硬件以及分析診斷和控制系統(tǒng)，完成相應(yīng)的機(jī)械手爪對物品抓取力度的控制。

同樣，機(jī)器人的姿態(tài)變換速度和行走速度的控制，需要速度檢測裝置實現(xiàn)信息提取，并將通過測試系統(tǒng)合理處理過的有效信息傳達(dá)給系統(tǒng)的大腦，通過大腦的分析判斷進(jìn)行速度的反饋控制。

以上有關(guān)力的檢測和速度的檢測，在測試技術(shù)中都有較為詳盡的闡述，同時也有相應(yīng)的一些實例來說明其應(yīng)用。但傳統(tǒng)的教學(xué)模式是，僅僅從測試技術(shù)的角度來說明其應(yīng)用，除了基礎(chǔ)學(xué)科以外，與其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)度并不是太大。要探索“新工科”背景的工程人才培養(yǎng)新模式，打造“新工科”背景的工程教育特色的“新質(zhì)量”，建立“新工科”背景的工程教育特色的“新體系”，就要改變傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式，將不同的學(xué)科領(lǐng)域在教學(xué)過程中融合起來。

針對這個目標(biāo)，在進(jìn)行相關(guān)知識的教學(xué)環(huán)節(jié)時，將不再單純地從測試技術(shù)的角度來向?qū)W生介紹傳感器的相關(guān)內(nèi)容，而是將智能制造和機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識融合，重點介紹相關(guān)的傳感檢測技術(shù)，但同時也要讓學(xué)生更深刻地理解到測試技術(shù)與智能制造和機(jī)器人技術(shù)的緊密關(guān)聯(lián)。

具體的實現(xiàn)方式，考慮以機(jī)器人中的傳感檢測的綜合應(yīng)用為前提，以自動化生產(chǎn)線的裝配或抓取機(jī)器人為引子。選擇一個合理自由度的機(jī)器人樣本，結(jié)合相應(yīng)的圖片或視頻，介紹多種傳感器和檢測方法在智能制造和機(jī)器人上的應(yīng)用。要保證機(jī)械手爪在抓取零件的過程中，要有合適的握緊力，既不能抓得太松，保證可靠抓取，以免在提取運送的過程中脫落，也不能抓得太緊，以免降低零件質(zhì)量甚至將零件損壞，特別是一些非金屬零件或者一些薄壁零件。如何保證這個抓取力？考慮在機(jī)器人的手指關(guān)節(jié)處設(shè)置合適的力傳感器。這個力傳感器，可以考慮電阻式傳感器中的應(yīng)變片。在充分學(xué)習(xí)了應(yīng)變片的原理和后續(xù)的信號調(diào)理電路后，再回到機(jī)器人上，向?qū)W生講解如何在機(jī)器人的手爪上設(shè)置力傳感器以實現(xiàn)對抓取力的監(jiān)測。同時，也要引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮想象，思考依據(jù)傳感檢測的原理和要實現(xiàn)的對握緊的力量控制，還有沒有其他的方法和手段來實現(xiàn)，不同方法的特點主要有哪些。這樣既能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高對學(xué)習(xí)的興趣和關(guān)注度，同時也能在討論的過程中強(qiáng)化課堂上講授的關(guān)于測試技術(shù)的一些基本概念，以及如何有效地將測試技術(shù)應(yīng)用到智能制造和機(jī)器人技術(shù)上。

二、機(jī)器人技術(shù)與視覺檢測

在智能制造與機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)智能化和自動化的關(guān)鍵功能部分是傳感檢測。這些傳感檢測技術(shù)，包括傳統(tǒng)的位移檢測、速度檢測、力檢測、溫度檢測，以及更關(guān)鍵、更重要的聲音和視覺檢測。其中，在智能制造和機(jī)器人技術(shù)，尤其是機(jī)器人技術(shù)中，視覺檢測技術(shù)顯得尤為重要[4]。

機(jī)器人的視覺系統(tǒng)就好比人的眼睛，可以感知系統(tǒng)的操作環(huán)境、操作對象，相比較其他的傳感檢測裝置來說，能夠獲取相對來說更加豐富的信息，讓機(jī)器人借助其大腦——計算機(jī)軟硬件和信息處理分析算法，能夠從紛繁復(fù)雜的環(huán)境和背景中提取有利于系統(tǒng)運行的信息。

例如，在自由空間可自主行走的自動引導(dǎo)機(jī)器人，沒有固定不變的行走路線和明確的行走標(biāo)識，而是需要根據(jù)路徑的設(shè)置條件和環(huán)境的變化，自動識別并調(diào)整路徑，以獲取能有效通行的路徑，因此，就需要獲取其周圍環(huán)境的圖像信息，并通過算法處理后，依據(jù)診斷系統(tǒng)，判斷出預(yù)設(shè)路徑和當(dāng)前環(huán)境的差別，計算出一條新的行進(jìn)路線，并重新進(jìn)行規(guī)劃，指導(dǎo)和控制機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)。

再例如，自動化生產(chǎn)線的裝配或抓取機(jī)器人，由于可能要實現(xiàn)對不同零件的識別和抓取，因此需要有視覺傳感器，利用圖像測量的方法，采集到零件的高質(zhì)量圖像，進(jìn)行邊緣檢測，用算法識別出相應(yīng)的零件，通過坐標(biāo)變換計算并確定零件的坐標(biāo)位置，將這個坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為機(jī)械手爪的動作指令，指揮機(jī)械手爪去相應(yīng)的位置抓取零件。

另外，在現(xiàn)在的“物聯(lián)網(wǎng)+”時代，從智能碼頭到智能運輸再到智能物流，無論哪一個層面，都涉及對相關(guān)管理和操控對象的智能操作。要實現(xiàn)智能操作，需要為智能控制系統(tǒng)或中央控制系統(tǒng)傳送操控對象的實時全面信息。而操控對象的信息獲取，當(dāng)然離不開設(shè)計合理的傳感檢測系統(tǒng)。為了獲取操控對象更全面和完整的信息，視覺和圖像檢測技術(shù)就必不可少，它可以為智能控制系統(tǒng)提供更豐富更全面的信息。例如極有發(fā)展前景的“物聯(lián)網(wǎng)+”中的智能集裝箱碼頭，要盡可能擺脫對人力的依賴，把人從繁重的勞動中解放出來，同時提高碼頭貨物堆放和運輸?shù)男逝c準(zhǔn)確性，除了要實現(xiàn)碼頭布置設(shè)計的科學(xué)性和規(guī)則性，增加龍門吊車操作的方便性之外，在貨物的堆放以及裝卸過程中，還要依靠高速有效的光學(xué)檢測系統(tǒng)或視覺檢測系統(tǒng)，為吊車提供明亮的“眼睛”，隨時觀測吊車的操作環(huán)境和操作對象，并通過類似人眼觀測系統(tǒng)的方法，為智能控制系統(tǒng)提供快速有效的應(yīng)急反應(yīng)，從而控制吊車進(jìn)行快速準(zhǔn)確的操作，避免在堆垛或裝卸的過程中出現(xiàn)碰撞或誤操作。但是，考慮到機(jī)器視覺系統(tǒng)和人眼視覺系統(tǒng)根本上的差別，所以，需要根據(jù)智能碼頭的控制要求，改變視覺系統(tǒng)的操控環(huán)境和操控對象視覺信息提取的方式，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的視覺檢測和操作控制。其中，視覺檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)，就會涉及傳感器設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、信息處理系統(tǒng)和算法設(shè)計，將它們?nèi)诤系揭黄穑涂梢允褂糜谥悄芗b箱碼頭的視覺檢測。

那么，以上的機(jī)器人裝備中的視覺檢測系統(tǒng)是如何設(shè)計和實現(xiàn)的？關(guān)于這方面的知識，我們回到測試技術(shù)中圖像傳感器和視覺檢測技術(shù)環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)圖像傳感器的原理，包括目前常用的CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器，以及其特殊的驅(qū)動和信號處理系統(tǒng)。然后結(jié)合計算機(jī)學(xué)科中的圖像處理算法，進(jìn)行圖像處理，利用邊緣檢測算法，獲取零件的輪廓和尺寸信息，并與標(biāo)準(zhǔn)庫里的物品信息進(jìn)行比較，確定出目標(biāo)，同時利用機(jī)器視覺的坐標(biāo)變換，計算出目標(biāo)的空間坐標(biāo)信息，再根據(jù)機(jī)器人的自由度分配情況，計算并確定出機(jī)械手的驅(qū)動指令，指揮機(jī)械手前往相應(yīng)的位置執(zhí)行相應(yīng)的操作。

這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中，將會涉及傳感檢測、視覺檢測技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，可以以傳感檢測和視覺檢測技術(shù)為核心，相應(yīng)地展開教學(xué)，讓學(xué)生充分了解學(xué)科知識之間的關(guān)聯(lián)性和融合性。

實現(xiàn)這樣的智能化和自動化的裝備，根據(jù)要求，設(shè)計合適的系統(tǒng)硬件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行算法分析和軟件實現(xiàn)，可以完善系統(tǒng)功能。也可以進(jìn)行更進(jìn)一步的知識擴(kuò)展，考慮利用虛擬儀器來實現(xiàn)基本的系統(tǒng)功能。對于圖像的處理和結(jié)果顯示等部分，可以通過虛擬儀器設(shè)計的方法來實現(xiàn)[5]。

此外，在實現(xiàn)視覺檢測應(yīng)用的過程中，還可以利用仿真的手段進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計和分析，所以，可以結(jié)合仿真課程，進(jìn)行測試技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的學(xué)習(xí)和設(shè)計[6]。

三、結(jié)論

作為“新工科”建設(shè)過程中重要的學(xué)科建設(shè)領(lǐng)域，機(jī)械類專業(yè)在其中起到核心和基礎(chǔ)的作用。加強(qiáng)各個學(xué)科領(lǐng)域之間的教學(xué)合作和互融，是實現(xiàn)“新工科”建設(shè)的基本保障。作為機(jī)械類專業(yè)中重要的學(xué)科知識領(lǐng)域，測試技術(shù)在其中又扮演著非常重要的角色，尤其是影響“中國制造2025”以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等方面發(fā)展的智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，測試技術(shù)起到非常重要的作用，它在其中扮演的角色與其他的學(xué)科密不可分，在教育教學(xué)過程中也需要更多地展現(xiàn)其學(xué)科的交叉性和融合性。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] 陳花玲.機(jī)械工程測試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] 熊詩波.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 伯特霍爾德·霍恩.機(jī)器視覺[M].蔣欣蘭，譯.北京：中國青年出版社，2014.

[5] 詹惠琴.虛擬儀器設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6] 張秀峰.MATLAB機(jī)電控制系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]