基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用

摘要：本文通過(guò)說(shuō)明基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，探究了全局單目視覺目標(biāo)檢測(cè)和定位，分析了手上雙目立體視覺三維定位和軌跡規(guī)劃，從而有效提升多目視覺下工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用的總體水平。

關(guān)鍵詞：多目視覺;工業(yè)機(jī)器人;PC主機(jī)

得益于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步影響，使得工業(yè)機(jī)器人得以開發(fā)研制出來(lái)，對(duì)于一些惡劣環(huán)境中的工作，工業(yè)機(jī)器人完全可以替代人類完成，既使工作效率得以提升，又減小了實(shí)際的工作任務(wù)量。然而，從前的機(jī)器人僅可以根據(jù)人類設(shè)置的程序加以運(yùn)作，難以達(dá)到當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展的需要，智能化工業(yè)機(jī)器人是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。此種工業(yè)機(jī)器人具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，通過(guò)把工業(yè)機(jī)器人和視覺系統(tǒng)緊密結(jié)合到一起，對(duì)加快工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展速度非常有益。依靠機(jī)器人和視覺系統(tǒng)的結(jié)合方式，可以完成更多高難度與復(fù)雜的動(dòng)作和問(wèn)題，達(dá)到準(zhǔn)確觀察周圍環(huán)境情況的目的，同時(shí)加以合理應(yīng)對(duì)。所以，加大基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用力度十分關(guān)鍵。鑒于此，系統(tǒng)思考與分析基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的具體應(yīng)用方案顯得尤為必要，擁有一定的研究意義與實(shí)踐價(jià)值。

1 基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

設(shè)計(jì)多目視覺工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)把固定裝設(shè)在機(jī)器人上邊的全局單目相機(jī)和固定裝設(shè)在機(jī)械臂末端的局部雙目相機(jī)有效組合到一起，形成了多目視覺，以便指引工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)確操控[1]。總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

由圖1當(dāng)中能夠獲悉，多目視覺可以指引機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具體的流程是：全局單目相機(jī)針對(duì)目標(biāo)物實(shí)施初期定位處理，把目標(biāo)物的具體位置及時(shí)發(fā)送到相應(yīng)PC主機(jī);然后PC主機(jī)會(huì)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，使其能夠移動(dòng)到目標(biāo)物的周圍，借助機(jī)械臂末端的局部雙目相機(jī)，能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)物，同時(shí)把詳細(xì)的位置信息傳送到PC主機(jī)，由其對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，完成操控目標(biāo)物的任務(wù)[2]。

1.1 相機(jī)的標(biāo)定說(shuō)明

首先應(yīng)該明確空間當(dāng)中具體的點(diǎn)和圖像當(dāng)中像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)、外參標(biāo)定。運(yùn)用科學(xué)的張正友標(biāo)定算法，借助移動(dòng)棋盤，采用不一樣的視角、高度的棋盤圖像，達(dá)到科學(xué)標(biāo)定目標(biāo)物的效果。

1.2 手眼的標(biāo)定說(shuō)明

（1）全局單目相機(jī)的眼在手外標(biāo)定。借助眼在手外的相機(jī)固定形式，讓相機(jī)和機(jī)器人基座之間的位置關(guān)系能夠固定，并選擇棋盤格上的某一個(gè)固定角點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系，并且對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂末端相應(yīng)的位姿進(jìn)行讀取，完成拍攝目標(biāo)物的任務(wù)。

（2）局部雙目相機(jī)的眼在手上標(biāo)定，把相機(jī)裝設(shè)到機(jī)器人的機(jī)械臂的手上，借助恒定旋轉(zhuǎn)的手眼標(biāo)定算法，能夠得到相機(jī)和機(jī)械臂末端間存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1.3 雙目的標(biāo)定說(shuō)明

運(yùn)用雙目相機(jī)進(jìn)行不同相機(jī)的內(nèi)參系數(shù)標(biāo)定，同時(shí)對(duì)右攝像頭針對(duì)于左攝像頭的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)加以科學(xué)標(biāo)定，應(yīng)用Opencv下的雙目標(biāo)定算法實(shí)施標(biāo)定，進(jìn)而得到最優(yōu)的雙目標(biāo)定數(shù)值。

2 全局單目視覺目標(biāo)檢測(cè)和定位探究

2.1 SURF模版匹配下的目標(biāo)物識(shí)別和定位分析

當(dāng)完成單目相機(jī)的圖像采集結(jié)束后，應(yīng)該科學(xué)處理圖像，獲得目標(biāo)物處于圖像當(dāng)中的位置，有助于基于特征點(diǎn)的模版匹配算法獲取良好的運(yùn)用成效，可以精準(zhǔn)定位目標(biāo)物處于圖像中的方位，計(jì)算出目標(biāo)物的具體三維信息。具體步驟見圖2。

2.1.1 利用圖像科學(xué)處理算法

應(yīng)用相機(jī)進(jìn)行圖像拍攝的過(guò)程當(dāng)中，易于被不同環(huán)境方面的因素干擾，致使圖片的質(zhì)量不符合相關(guān)要求。所以，開展提取特征和識(shí)別之前，應(yīng)該科學(xué)處理圖像。利用此項(xiàng)措施，可以使成像過(guò)程中形成的噪聲得以消失，在圖像中體現(xiàn)出要測(cè)定的部分，使后期處理的效率得以提高，保證了特征提取和識(shí)別的科學(xué)性。

2.1.2 做好實(shí)驗(yàn)分析工作

基于對(duì)算法穩(wěn)定性驗(yàn)算的目的，此次研究以各個(gè)目標(biāo)物作為對(duì)象加以測(cè)試，依次制作出相應(yīng)的模版，借助特征點(diǎn)提取的模版匹配算法可以準(zhǔn)確匹配和識(shí)別其中的圖像，然后對(duì)識(shí)別成功次數(shù)進(jìn)行正確記錄，具體的統(tǒng)計(jì)情況見表1。

對(duì)檢測(cè)識(shí)別錯(cuò)誤的圖片進(jìn)行科學(xué)分析，錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因?yàn)橄鄼C(jī)應(yīng)用的光源屬于室內(nèi)較為昏暗的自然光，導(dǎo)致目標(biāo)物的邊緣處于某種狀況時(shí)較為模糊，造成目標(biāo)物的輪廓提取產(chǎn)生了一定的偏差問(wèn)題，也造成了匹配的錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)科學(xué)處理相機(jī)光源之后，需要科學(xué)加以處理。測(cè)定誤差的形式為：將機(jī)械臂基坐標(biāo)系當(dāng)成基礎(chǔ)坐標(biāo)系，把目標(biāo)物表面中心的坐標(biāo)P neat減去算法計(jì)算得到的目標(biāo)物坐標(biāo)Pw，得出誤差P erro。開展數(shù)次實(shí)驗(yàn)，把Perror進(jìn)行求和之后取平均，獲得不同方向的平均誤差。具體的平均誤差見表2。

對(duì)誤差進(jìn)行分析得知，目標(biāo)物到相機(jī)的深度信息測(cè)定不夠準(zhǔn)確，人工測(cè)量誤差無(wú)法規(guī)避。從表2獲悉，全局單目相機(jī)下的定位難以達(dá)到多目視覺機(jī)器人系統(tǒng)的定位需要，所以，需運(yùn)用局部雙目視覺進(jìn)行定位。

2.2標(biāo)志物下的目標(biāo)物定位分析

利用標(biāo)志物的定位方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)當(dāng)中顆粒物檢測(cè)機(jī)的定位工作，對(duì)軌跡規(guī)劃十分有利。因?yàn)轭w粒物檢測(cè)機(jī)自身結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、模塊很多，應(yīng)粘貼標(biāo)志物在顆粒物檢測(cè)機(jī)的上面，見圖3。

鑒于顆粒物檢測(cè)機(jī)自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)是固定的，在獲取標(biāo)志物的具體三維坐標(biāo)之后，能夠推導(dǎo)出顆粒物檢測(cè)機(jī)的上下料口、控制按鈕詳細(xì)的空間信息。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，使其移動(dòng)到顆粒物檢測(cè)機(jī)的控制按鈕處的位置，當(dāng)誤差<3mm時(shí)判定成功，記錄成功的次數(shù)。持續(xù)改變顆粒物檢測(cè)機(jī)放置的位置，開展多次實(shí)驗(yàn)，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)之前失敗的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)分析后，得知原因?yàn)樘幱谙鄳?yīng)極端時(shí)，光線受到顆粒物檢測(cè)機(jī)的遮擋影響，導(dǎo)致標(biāo)志物出現(xiàn)顯著的明暗改變，造成其難以得到檢測(cè)，出現(xiàn)定位錯(cuò)誤的現(xiàn)象。并整理了定位誤差數(shù)據(jù)，獲取平均誤差見表4。

3 手上雙目立體視覺三維定位和軌跡規(guī)劃的分析

3.1 多目立體視覺三維定位的說(shuō)明

將多目視覺的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)當(dāng)作參考和支撐，可以準(zhǔn)確得到目標(biāo)物的具體三維信息情況，完成左右視圖的圖像處理任務(wù)，并以雙目立體視覺三維重建原理當(dāng)作有效依據(jù)，得到目標(biāo)物處于左相機(jī)坐標(biāo)系下的具體空間坐標(biāo)，進(jìn)而明確機(jī)器人基坐標(biāo)系下的實(shí)際空間位置。詳細(xì)的步驟是：左視圖一一圖像的處理一一目標(biāo)物位于圖像當(dāng)中的具體方位、角度;左右視圖一一立體校正處理一一立體匹配一一形成視差圖;最后形成點(diǎn)云圖，得到目標(biāo)物的具體三維坐標(biāo)。運(yùn)用兩個(gè)相機(jī)拍攝相同物體，使空間當(dāng)中的定點(diǎn)映射處于各個(gè)角度之下的圖像投影點(diǎn)能夠相匹配，形成視差圖，完成物體空間三維的重建任務(wù)。一般的立體匹配算法涵蓋了針對(duì)區(qū)域的立體匹配算法、針對(duì)特點(diǎn)的立體匹配算法、針對(duì)相位的立體匹配算法。在此過(guò)程當(dāng)中，可以結(jié)合相應(yīng)的匹配基元處于左右視圖內(nèi)搜索的匹配點(diǎn)，借助極線約束的作用，達(dá)到減少匹配視覺的效果，使匹配效率得以提升。當(dāng)完成立體匹配以后，獲悉目標(biāo)點(diǎn)的詳細(xì)信息，達(dá)到目標(biāo)物三維重建的目的，形成空間的三維信息。

3.2 針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的分析

根據(jù)有關(guān)機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，能夠掌握機(jī)械臂不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人末端位姿之間存在的關(guān)聯(lián)，并對(duì)接觸目標(biāo)物過(guò)程中機(jī)械臂不同關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、移動(dòng)距離進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算?；趯?duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)有效控制，使其更加安全的目的，應(yīng)該做好機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃工作，一般處于機(jī)器人關(guān)節(jié)空間當(dāng)中運(yùn)用插值方式能夠完成軌跡規(guī)劃的任務(wù)，并將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑上結(jié)點(diǎn)的具體空間位置信息當(dāng)作參考，構(gòu)建方程進(jìn)行求解，讓機(jī)器人能夠迅速地從起點(diǎn)到終點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。一般而言，能夠運(yùn)用三類不同的插值方法完成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間內(nèi)的插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)。

4 結(jié)論

從此次論文的闡述與分析當(dāng)中，可以獲知，系統(tǒng)分析和思考基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的具體應(yīng)用方案顯得尤為必要，具有一定的研究意義與實(shí)踐價(jià)值。本文通過(guò)說(shuō)明基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，探究了全局單目視覺目標(biāo)檢測(cè)和定位，分析了手上雙目立體視覺三維定位和軌跡規(guī)劃：多目立體視覺三維定位的說(shuō)明、針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的分析。希望此次研究和分析的內(nèi)容與結(jié)果，能夠得到有關(guān)多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員的關(guān)注和重視，并且從中獲取到相應(yīng)的啟發(fā)與幫助，以便增強(qiáng)基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際成效，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)基于多目視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介

王寶（1986-），男，山東省禹城市人。碩士研究生，助教。研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。