工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展及其運(yùn)用

劉亦晴

摘 要：本文分析工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展及其運(yùn)用。首先分析出工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的概念和分類。其次分析出工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)存在的瓶頸，包括攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、視覺坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)兩種技術(shù)問題。最后分析出工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域，在制造業(yè)、物流業(yè)都有其運(yùn)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，為相關(guān)企業(yè)帶來了很多的便利，在提升企業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，大幅度降低企業(yè)人工成本，從而可以說工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景和無限的潛力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;智能視覺引導(dǎo);技術(shù)運(yùn)用

0 引言

隨著我國人口紅利不斷減少，制造業(yè)普遍面臨生產(chǎn)成本提高的壓力，與此同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，也使消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品定制化、個(gè)性化需求不斷提升，制造業(yè)所面臨柔性化和智能化升級(jí)的壓力，也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人代替手工勞動(dòng)不但可以提升制造業(yè)生產(chǎn)效率、降低制造費(fèi)用，還有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人只能應(yīng)用于簡(jiǎn)單搬運(yùn)、焊接等場(chǎng)景，隨著一些具有感知能力和協(xié)同能力的智能機(jī)器人得到應(yīng)用，使得機(jī)器人能夠完成裝配、分揀等復(fù)雜工作，具備部分與人或動(dòng)物類似的智能。

1 工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的概念

2018年中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)銷量約15萬臺(tái)套，全球占比超過三分之一，位居世界第一位。隨著國內(nèi)工業(yè)企業(yè)不斷進(jìn)步和發(fā)展，在對(duì)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量需求持續(xù)增長的同時(shí)，對(duì)機(jī)器人的智能性要求也不斷增加，早期的示教再現(xiàn)型機(jī)器人無法感知工作環(huán)境的變化，越來越無法滿足企業(yè)對(duì)機(jī)器人應(yīng)對(duì)復(fù)雜操作流程的需求。

為了感知工作環(huán)境的變化，工業(yè)機(jī)器人采取增加傳感器的方式，其中視覺傳感器由于成本較低、采集信息量大等特點(diǎn)，成為應(yīng)用最為廣泛的傳感器系統(tǒng)。機(jī)器人視覺系統(tǒng)主動(dòng)采集機(jī)器人工作環(huán)境的圖像信息，并通過智能視覺技術(shù)對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理，獲取機(jī)器人操作所需的的信息數(shù)據(jù)，引導(dǎo)機(jī)器人的動(dòng)作，使機(jī)器人更具靈活性和精確性，從而極大地拓展了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，具有視覺的機(jī)器人能夠自動(dòng)識(shí)別和抓取工件，使得自動(dòng)化生產(chǎn)線布局發(fā)生巨大改變，大量的視覺機(jī)器人被嵌入柔性化、智能化的自動(dòng)生產(chǎn)線中，從而大幅度提升生產(chǎn)線的效率。

2 工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的分類

在視覺機(jī)器人系統(tǒng)中，攝像機(jī)相當(dāng)于系統(tǒng)的眼睛，多軸工業(yè)機(jī)器臂相當(dāng)于系統(tǒng)的手臂，所以視覺機(jī)器人也通常被稱作“手眼系統(tǒng)”，因?yàn)閿z像機(jī)安裝位置不同，可分為兩種類型的系統(tǒng)。

2.1 固定式手眼系統(tǒng)

固定式手眼系統(tǒng)中攝像機(jī)采取固定方式，通過支架安裝在機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)一個(gè)固定位置，在機(jī)器人工作時(shí)攝像頭靜止不動(dòng)。攝像頭的視覺范圍覆蓋機(jī)械臂的操作范圍，系統(tǒng)坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系，系統(tǒng)識(shí)別工作目標(biāo)，并將目標(biāo)工件的位置姿態(tài)等信息傳遞給機(jī)械臂，機(jī)械臂根據(jù)系統(tǒng)反饋的信息調(diào)整執(zhí)行單元的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的智能操作。

2.2 移動(dòng)式手眼系統(tǒng)

移動(dòng)式手眼系統(tǒng)中攝像機(jī)安裝在機(jī)械臂的本體上，在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)攝像頭也一同移動(dòng)。在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人為六自由度工業(yè)機(jī)械臂，每個(gè)自由度對(duì)應(yīng)著一個(gè)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式分別是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。通常的視覺工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景是在機(jī)器臂的末端安裝執(zhí)行單元，執(zhí)行單元與機(jī)械臂通過法蘭連接，無論執(zhí)行單元是抓取、裝配或是其他動(dòng)作夾具，對(duì)于機(jī)器人控制的最終目的都是要確保執(zhí)行單元的位置和姿態(tài)，也相當(dāng)于控制單元連接法蘭的位置和姿態(tài)。為此，移動(dòng)式手眼系統(tǒng)的攝像頭一般安裝在執(zhí)行單元連接法蘭盤上，搭建移動(dòng)式手眼系統(tǒng)的坐標(biāo)系，相當(dāng)于控制器所取得的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)是基于執(zhí)行單元法蘭面的。

在工業(yè)領(lǐng)域的視覺機(jī)器人大多采取移動(dòng)式手眼系統(tǒng)，因?yàn)榕c移動(dòng)式手眼系統(tǒng)相比，固定式手眼系統(tǒng)有一定的局限性，一是由于攝像機(jī)不跟隨機(jī)械臂向目標(biāo)移動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)距離攝像頭較遠(yuǎn)時(shí)，需要攝像機(jī)具有較高的精度，以減小絕對(duì)誤差;二是當(dāng)機(jī)械臂靠近目標(biāo)，執(zhí)行單元對(duì)目標(biāo)進(jìn)行操作時(shí)，有可能會(huì)造成對(duì)目標(biāo)的遮擋。

3 工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)存在的瓶頸

3.1 攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)

攝像機(jī)是圖像采集系統(tǒng)最主要的硬件，是能否得到高質(zhì)量圖像信息的關(guān)鍵所在，攝像機(jī)標(biāo)定對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)的精度影響極大，如標(biāo)定精度較低會(huì)導(dǎo)致后續(xù)系統(tǒng)中源圖像精度整體降低，攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)是視覺引導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸之一。傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定法過程較為復(fù)雜，采用高精度的標(biāo)定板，通過對(duì)比標(biāo)定板與圖像中標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，建立模型參數(shù)約束方程，得出攝像機(jī)畸變參數(shù)。攝像機(jī)自標(biāo)定法則無需標(biāo)定板，通過對(duì)比多幅圖像相同特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，此方法較為靈活，但精度不高。攝像機(jī)主動(dòng)視覺標(biāo)定法通常應(yīng)用于移動(dòng)式手眼系統(tǒng)，攝像機(jī)跟隨機(jī)械臂移動(dòng)，在設(shè)定的軌跡采集多幅圖像，根據(jù)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)和圖像中特征點(diǎn)坐標(biāo)求解。盡管應(yīng)用上述標(biāo)定技術(shù)，可以一定程度上消除攝像機(jī)硬件誤差，得出一個(gè)較為合理的模型，但距離理想的成像圖像仍有差距，在高精度的場(chǎng)合仍是制約視覺引導(dǎo)技術(shù)的瓶頸。

3.2 視覺坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)

攝像機(jī)標(biāo)定后可以為視覺引導(dǎo)系統(tǒng)提供所需目標(biāo)的圖像信息，但該圖像信息的坐標(biāo)是基于視覺坐標(biāo)系的，尚無法為機(jī)器人提供可靠的信息反饋，只有建立了機(jī)器人坐標(biāo)系與視覺坐標(biāo)系的關(guān)系之后，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)才能真正發(fā)揮作用，視覺坐標(biāo)系標(biāo)定技術(shù)相當(dāng)于坐標(biāo)系之間的聯(lián)絡(luò)和橋梁功能，搭建合理的視覺坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的關(guān)系，是工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 物流搬運(yùn)和分揀

物流行業(yè)因?yàn)槠湫袠I(yè)特點(diǎn)需要大量人工進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)性搬運(yùn)等勞動(dòng)，隨著人工成本不斷增長，行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人代替人工工位的需求較為強(qiáng)烈，無視覺的傳統(tǒng)機(jī)器人只能應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，應(yīng)用場(chǎng)景極為有限，而實(shí)際的物流行業(yè)中工件的種類多、位置不固定、形狀不統(tǒng)一，配備了智能視覺引導(dǎo)識(shí)別系統(tǒng)的機(jī)器人則可以輕松應(yīng)對(duì)工件和環(huán)境的變化，應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展的同時(shí)，也提高了機(jī)器人設(shè)備的操作精度，從而使物流搬運(yùn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率大幅提升。

工件分揀是物流業(yè)一項(xiàng)重要工作，人工操作效率低、工作強(qiáng)度高，傳統(tǒng)的機(jī)器人無法應(yīng)對(duì)，給機(jī)器人增加了視覺引導(dǎo)系統(tǒng)之后，攝像頭拍攝工件所在區(qū)域的圖像，經(jīng)優(yōu)化處理后傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析背景和目標(biāo)工件，判斷目標(biāo)工件的數(shù)量、位置、姿態(tài)、種類，下達(dá)指令給機(jī)器人，通過機(jī)械臂的執(zhí)行單元抓取相應(yīng)的目標(biāo)工件，搬運(yùn)至不同的分類區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人工分揀工作的替代。

4.2 柔性制造業(yè)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人大量應(yīng)用于自動(dòng)化產(chǎn)線上，傳統(tǒng)的機(jī)器人主要承擔(dān)代替人工的抓取、搬運(yùn)、旋轉(zhuǎn)、放置等工作，機(jī)器人按程序執(zhí)行設(shè)定好的動(dòng)作，一旦工件位置、形狀出現(xiàn)偏差，或者周圍環(huán)境發(fā)生變化，均導(dǎo)致生產(chǎn)線故障停產(chǎn)。配備了智能視覺引導(dǎo)識(shí)別系統(tǒng)的機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)工件的定位、識(shí)別和檢測(cè)，當(dāng)目標(biāo)工件位置和姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，機(jī)器人可自動(dòng)感知和應(yīng)變，通過視覺引導(dǎo)識(shí)別系統(tǒng)智能調(diào)整動(dòng)作，生產(chǎn)線開動(dòng)率大幅度提升。機(jī)器人視覺引導(dǎo)技術(shù)給工業(yè)機(jī)器人增加了基于視覺的感知能力，不僅可以感知目標(biāo)工件的形狀、顏色、位姿等信息，還可以感知其工作環(huán)境的變化信息，計(jì)算機(jī)綜合相關(guān)信息經(jīng)分析、比對(duì)、判斷后下達(dá)處理指令給工業(yè)機(jī)器人，大幅度增強(qiáng)了工業(yè)機(jī)器人對(duì)環(huán)境和目標(biāo)工件變化的應(yīng)對(duì)能力，視覺機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景得以大范圍擴(kuò)展，成為較為成熟的子系統(tǒng)嵌入柔性制造自動(dòng)化生產(chǎn)線中。

4.3 視覺檢測(cè)系統(tǒng)

隨著機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的智能特性越來越突出，不但可以完成較為復(fù)雜的人工操作，在部分領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出比操作工人更高的精確性和準(zhǔn)確性。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，具有智能視覺的機(jī)器人可以完成對(duì)目標(biāo)工件的特征檢測(cè)、間隙測(cè)量、缺陷判別、計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤等，視覺機(jī)器人動(dòng)作速度快、抗干擾能力強(qiáng)、精度高，而且測(cè)量時(shí)與被測(cè)工件無物理接觸，在汽車、印刷、裝備制造等行業(yè)工業(yè)機(jī)器人視覺檢測(cè)系統(tǒng)成為較為常見的應(yīng)用。配備智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)的機(jī)器人一般設(shè)置在生產(chǎn)線末端或者重要的質(zhì)量控制工位，視覺檢測(cè)系統(tǒng)可以利用紅外線等技術(shù)，檢測(cè)到人力視力無法觀察的情況，還可以進(jìn)一步將檢測(cè)信息轉(zhuǎn)化為肉眼可見的圖像，從而使視覺機(jī)器人應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。由于視覺機(jī)器人能夠長時(shí)間持續(xù)工作，使得視覺檢測(cè)系統(tǒng)效率和可靠性也更高，在視覺檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用智能視覺機(jī)器人具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

5 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。通過在制造業(yè)相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)，能夠有效提高的企業(yè)的生產(chǎn)效率，并大幅度降低人工成本，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化升級(jí)改造?？梢哉f，工業(yè)機(jī)器人智能視覺引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)，為制造業(yè)帶來了便利，也促進(jìn)了制造業(yè)向個(gè)性化、定制化產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，但在相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，也遇到發(fā)展的瓶頸，所以需要積極探索并研究解決方案，如何將智能視覺系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人更好地進(jìn)行系統(tǒng)集成，使視覺工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，在工作環(huán)境變化或者工件出現(xiàn)異常時(shí)，使工業(yè)機(jī)器人更加智能、更加精確，不僅需要更精密的硬件，也需要不斷改進(jìn)視覺算法，不斷優(yōu)化對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制，逐步提升工業(yè)機(jī)器人智能化技術(shù)水平，從而推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域智能技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

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