關(guān)于工業(yè)機器人上計算機視覺系統(tǒng)的應(yīng)用分析

薛峰

摘要：經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展促進了工業(yè)技術(shù)的不斷提升，我國工業(yè)生產(chǎn)中越來越多的開始應(yīng)用工業(yè)機器人。工業(yè)機器人技術(shù)不斷提升，在近年來發(fā)展速度較快。具有視覺能力的工業(yè)機器人比傳統(tǒng)機器人生產(chǎn)效率方面更高，在實踐過程中，我國機器人視覺系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)水平不斷提升，視覺技術(shù)是工業(yè)機器人實現(xiàn)長期發(fā)展的重要技術(shù)支撐。視覺控制技術(shù)涉及的內(nèi)容較多，需要在工業(yè)生產(chǎn)實踐中進行完善。本文以工業(yè)機器人上計算機視覺系統(tǒng)的應(yīng)用為研究核心，分析闡述了工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的基本原理和特點，提出了工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)措施。

Abstract： The rapid development of economy and society has promoted the continuous improvement of industrial technology， and more and more industrial robots have been applied in China's industrial production. Industrial robot technology is constantly improving and has developed rapidly in recent years. The production efficiency of industrial robots with vision ability is higher than that of traditional robots. In the process of practice， the design and application technology level of robot vision system in China is constantly improved， and vision technology is an important technical support for the long-term development of industrial robots. Visual control technology involves a lot of content and needs to be perfected in industrial production practice. This paper takes the application of computer vision system in industrial robot as the research core， analyzes and expounds the basic principle and characteristics of industrial robot vision system， and puts forward the technical measures for the application of industrial robot vision system.

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;視覺系統(tǒng);原理;應(yīng)用

Key words： industrial robot;visual system;the principle;application

0? 引言

工業(yè)發(fā)展需要技術(shù)上的推進，更需要理念上的更新。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人的使用大大提高了生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)的整體效能。工業(yè)機器人自身的發(fā)展水平需要技術(shù)上的提升，更需要在實踐中不斷積累經(jīng)驗。計算機視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人上的應(yīng)用，提高了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和精度。一套完整的視覺系統(tǒng)能夠使工業(yè)機器人做出準確的判斷，可以讓機器人適應(yīng)多變的工業(yè)環(huán)境，突出機器人操作的靈活性。計算機視覺系統(tǒng)對機器人的影響是多方面的，做好計算機視覺系統(tǒng)有利于工業(yè)機器人準確的識別操作，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化建設(shè)。

1? 工業(yè)機器人計算機視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 計算機視覺系統(tǒng)的組成

計算機視覺主要是解決機器如何“看”的問題，系統(tǒng)中有模擬攝像機、數(shù)字攝像機、圖像采集卡。在具體執(zhí)行中計算機視覺采用了攝像攝影機和電腦代替了人眼對目標進行識別跟蹤和測量。計算機視覺技術(shù)通過圖形處理使電腦處理更為合適人眼觀察和傳送給儀器檢測的圖像。計算機視覺系統(tǒng)的組成部分包括了程序控制、事件監(jiān)測、信息組織、物體與環(huán)境建模、交感互動等部分。計算機視覺系統(tǒng)還包括了畫面重建、事件檢測、目標跟蹤、目標識別、機器學(xué)習(xí)、索引建立、圖像恢復(fù)等內(nèi)容。計算機視覺系統(tǒng)在圖像獲取上需要明確光源場景和相機的設(shè)置，對圖像進行數(shù)字化處理和傳輸，運用現(xiàn)場工控機及軟件對圖像分析及動作。計算機視覺系統(tǒng)從被測物體的背景分別獲得高品質(zhì)、高對比度的圖像，運用工業(yè)相機的圖像穩(wěn)定性抗干擾能力來推進機器視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括攝像頭、照明設(shè)備、光電開關(guān)、PAC、PLC和機器人的結(jié)構(gòu)。工業(yè)攝像頭的主要用處是采集信息。攝像頭成像通透，色彩準確，曝光方式符合成像要求。例如最高分辨率、像素尺寸、傳感器類型、光學(xué)尺寸、幀率輸出顏色可以達到配置靈活的效果。硬件操作系統(tǒng)中需要明確設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)。為了便于工作現(xiàn)場操作，硬件設(shè)備中，PLC是負責(zé)采集數(shù)字的，并且進行數(shù)據(jù)輸出。根據(jù)用戶需要確定速度和位置控制。PLC是工業(yè)平板電腦由臺式機人機界面匹配的結(jié)合體，具有強大的抗干擾性，有利于工業(yè)現(xiàn)場操作。在操作系統(tǒng)中要明確各種參數(shù)，例如CPU、IAM磁盤防護等級、抗震動抗沖擊功耗、工作溫度、實時內(nèi)核編程軟件、監(jiān)控軟件、網(wǎng)口數(shù)量、以太網(wǎng)協(xié)議等。視覺系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要包括標定模塊、模板制作模塊、拍照模塊、圖像采集模塊、圖像分析模塊、數(shù)據(jù)交互模塊等。軟件的基礎(chǔ)是視覺精準測量的基礎(chǔ)，對于拍攝物體的不同特性要根據(jù)相機和拍攝的位置進行準確描述。在匹配需要參照物的模板時，采取實時獲取的圖像進行對比，軟件各模塊之間相互配合，完成圖像采集傳輸和處理，同時完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 計算機視覺系統(tǒng)的功能原理

計算機視覺系統(tǒng)是生物視覺系統(tǒng)的補充，計算機視覺系統(tǒng)模仿了人類和各類動物的視覺狀態(tài)。在計算機視覺系統(tǒng)中，依靠軟件和硬件實現(xiàn)人工智能系統(tǒng)的操作，計算機視覺系統(tǒng)運用了計算機科學(xué)、工程信號學(xué)、物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認知科學(xué)等方面的內(nèi)容。計算機視覺系統(tǒng)在制造業(yè)檢驗、文檔分析、醫(yī)療診斷和軍事等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計通過讀取圖像采集卡轉(zhuǎn)過來的攝像頭的數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)定原始圖像對比分析，判定被檢查對象質(zhì)量是否損害，是否存在誤差，然后再后期進行數(shù)據(jù)分析，改進生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)中的瑕疵，提高生產(chǎn)效率。在具體應(yīng)用中圖像處理、模式識別、圖像理解等都納入到系統(tǒng)程序中。例如圖像匹配采用的是輪廓形狀的匹配方案，有利于更好的分辨物體的類型，根據(jù)標準參考模板對物體進行匹配。在執(zhí)行過程中要明確模板信息，信息數(shù)據(jù)的類型，根據(jù)圖像的坐標信息進行圖像匹配，將匹配結(jié)果處理發(fā)送到程序中。電腦硬盤內(nèi)存儲著大量的信息工具。模板圖片和生成的模板文件根據(jù)坐標信息和選擇的情況讀取相應(yīng)信息，這是圖像采集設(shè)備將圖像傳入程序時進行匹配計算的過程。如果打開軟件后，匹配不完整，軟件就會提示出現(xiàn)錯誤。多模板匹配發(fā)揮了軟件的功能，在多次匹配以后形成良好的循環(huán)，更加準確的識別圖像。

2? 計算機視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人上的應(yīng)用

2.1 工業(yè)機器人計算機視覺系統(tǒng)的構(gòu)建

工業(yè)機器人中計算機視覺系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。硬件設(shè)備中包括CCD攝像頭，攝像機像素為P：500（H）*582（V），分辨率為420，成像使用為1/33CCD，攝像機具有自動背景光補償?shù)墓δ?。圖像采集卡主要采用CCD攝像頭配的MV-200工業(yè)圖像處理。圖像的分辨率和清晰度較高，可以實現(xiàn)工業(yè)圖像精準度，具有一定的穩(wěn)定性。在應(yīng)用過程中，要求圖像采集卡圖像，畫面清晰流暢，工控機以計算機為主。軟件部分組成主要有圖像匹配軟件圖像處理與獲取軟件，圖像定標和定位算法軟件。工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)與工業(yè)機器人本體和設(shè)備有關(guān)，在應(yīng)用過程中圖像處理獲取圖像以及匹配圖像攝像機定位等都要借助openCV的視覺進行設(shè)計，建立空間點和攝像機的對應(yīng)點，把握攝像機的基準位置，通過清晰的視圖像采集來計算出攝像機的參數(shù)。計算機運用C語言調(diào)節(jié)圖進行動態(tài)鏈接。攝像機中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)化圖像處理，對獲取圖像進行分析，建立圖像與實物的匹配特征，根據(jù)已有的模型來匹配數(shù)據(jù)，獲取真實有效的圖像。例如機器人在現(xiàn)場應(yīng)用中根據(jù)相機采集的圖片可以判斷出物品的形態(tài)。無論是物體有規(guī)律分布還是無規(guī)律分布或者是任意角度的轉(zhuǎn)換，軟件都可以根據(jù)各種模板的轉(zhuǎn)換角度做出相應(yīng)的匹配。圖像與模板的匹配進行雙面采集，圖像采用輪廓制作模板，模板完成以后與圖像匹配，每次匹配都會計算出一個衡量模板的結(jié)果，這就是圖像與形態(tài)輸出的結(jié)果，每一次匹配計算都接近實際物體，如果是目標物體體積很小，就會出現(xiàn)多個目標相似的數(shù)值，在此基礎(chǔ)上進行多個輪換模板的匹配就能夠獲得最終的結(jié)果。

2.2 工業(yè)機器人計算機視覺系統(tǒng)的實現(xiàn)案例

以美國康耐視公司的視覺系統(tǒng)為例，工業(yè)機器人計算機視覺系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，依托攝像機模型和透視技術(shù)，選用透視效果較好的設(shè)備，運用透視技術(shù)，把三維物體轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖形實現(xiàn)投影變換。從初期圖像獲得來處理CCD或者是CMOS圖像進行二維灰度圖中提取三維特征，對圖像進行量化處理，把圖像信息分成像素點，將這些亮點進行轉(zhuǎn)換，輸入計算機處理，在邊緣檢測中運用各種算子強化圖像中的像素點，在這項工作作中需要區(qū)分roberts算子和索貝爾算子以及高斯偏導(dǎo)濾波器。從二維圖像中提取三維特征的算法，對設(shè)備有一定的要求，之后通過數(shù)據(jù)處理器進行分析，解釋轉(zhuǎn)換為符號，在具體應(yīng)用中采用的是三維立體視覺的解決方案，目前都是采用3D視覺技術(shù)來提高工業(yè)機器人的工作精度，同時強化其速度和可靠性，讓機器人真正擁有眼睛。目前所使用的視覺系統(tǒng)多數(shù)為立體視覺法，結(jié)構(gòu)光法以及激光掃描法。隨著3D視覺技術(shù)開發(fā)水平不斷提高，工業(yè)機器人計算機視覺系統(tǒng)可以自動完成位置變化，實現(xiàn)高精度運作。例如工作中的主要程序為工件定位，檢測器探測物體，進行圖像采集，攝像機掃描，啟動脈沖打開燈光照明，攝像機曝光后，開始一幀圖像的掃描和輸出，圖像采集部分接收模擬信號，進行數(shù)字轉(zhuǎn)化存放處理器，對圖像進行分析識別處理獲得處理結(jié)果。例如機器視覺識別技術(shù)，在分揀機器人系統(tǒng)應(yīng)用中，針對于分檢工作的具體要求，進行了各種方案的匹配。在確定使用基于輪廓形狀的匹配方法上來編輯視覺軟件。在軟件功能方面建立各種模塊，各種模塊兒對軟件整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。在具備設(shè)備型號和參數(shù)上明確設(shè)定要求。硬件總體結(jié)構(gòu)符合生產(chǎn)的需要，針對模板制作，圖像處理方法進行設(shè)定，一般運用探究算子運行原理調(diào)試內(nèi)部參數(shù)，完成模板制作。模板匹配技術(shù)主要是基于圖像金字塔結(jié)構(gòu)的圖像匹配算法。分揀機器人應(yīng)用中，并不是簡單固定模塊的匹配，而是設(shè)計多種模板進行匹配，針對多個種類進行旋轉(zhuǎn)搜索定位，通過大量的實驗確定匹配參數(shù)，對參數(shù)進行優(yōu)化。在軟件方面設(shè)定軟件標定原理，研究一種優(yōu)化的軟件標的方法，在坐標處理和發(fā)送部分針對于分揀機器人的結(jié)構(gòu)有效測試軟件容錯能力。分揀機器人軟件功能設(shè)計主要是應(yīng)用在傳送帶方面，傳送帶要求機器人在工作范圍之內(nèi)將特定物品識別后抓取，系統(tǒng)總體要求是物品進入到拍攝區(qū)域以后，拍攝圖片，對圖片進行分析，得出物品的種類圖像。

3? 結(jié)語

計算機視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人上應(yīng)用可以使工業(yè)機器人具有自動跟蹤和定位的要求，通過數(shù)據(jù)模型來實施定位，目標機器人可以系統(tǒng)地利用計算機視覺圖像采集裝置來識別外部環(huán)境。工業(yè)機器人才會真正實現(xiàn)數(shù)字化的操作和智能化的推進。計算機系統(tǒng)對機器人進行有效控制，工業(yè)機器人可以對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進行靈活的掌握。在未來的發(fā)展建設(shè)中，工業(yè)機器人在視覺系統(tǒng)上需要引用更多先進的技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)機器人智能化水平的不斷提升，從技術(shù)領(lǐng)域來提高工業(yè)機器人的生產(chǎn)效率。

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