智能機(jī)器人視覺體系結(jié)構(gòu)模塊化探討

摘要：智能機(jī)器人的機(jī)器視覺是指將計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)與智能機(jī)器人技術(shù)相互融合，從而使機(jī)器人在應(yīng)用的過程中，能夠與周圍的環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕换?，現(xiàn)如今，機(jī)器視覺是智能機(jī)器人研究及發(fā)展的重點(diǎn)方向。通過機(jī)器視覺，使得智能機(jī)器人具有動(dòng)態(tài)跟蹤、視覺抓取等功能，提升智能機(jī)器人的智能性，并促使其具備更為廣闊的應(yīng)用前景。在本文中，首先闡述了智能機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，接著探討了智能機(jī)器人的視覺體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人;視覺體系結(jié)構(gòu);模塊化

隨著智能機(jī)器人的發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用范圍變得越來越廣泛，由此人們對(duì)智能機(jī)器人的要求越來越高，視覺功能為近年來在智能機(jī)器人應(yīng)用過程中所提出的要求，基于現(xiàn)有智能機(jī)器人視覺體系結(jié)構(gòu)研究方法的基礎(chǔ)上，提出了模塊化建設(shè)智能機(jī)器人視覺體系結(jié)構(gòu)的方法。

一、智能機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

從廣義上來看，機(jī)器人是指能夠模擬人類及其他生物的行為或思想的一切機(jī)械，比如機(jī)器貓，而從狹義上來看，機(jī)器人的定義存在的爭(zhēng)議比較多，比如有學(xué)者認(rèn)為，具備電腦程序的機(jī)器人即為智能機(jī)器人，比如爬蟲機(jī)器人?，F(xiàn)如今，通用的智能機(jī)器人定義是由美國機(jī)器人協(xié)會(huì)所規(guī)定的：一種可編程和多功能的操作機(jī)，其組成部分通常包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等。

現(xiàn)如今，各個(gè)國家研究的熱點(diǎn)問題之一就是智能機(jī)器人，在國家工業(yè)化水平的衡量中，具有十分重要的作用[1]。在工業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)，智能機(jī)器人是一種人造機(jī)械裝置，程序設(shè)定之后即可自動(dòng)完成任務(wù)，可以取代部分工人，完成工業(yè)生產(chǎn)中一些機(jī)械化的操作，還可以協(xié)助人們工作，提升人們的工作效率。智能機(jī)器人在國內(nèi)外的應(yīng)用都十分廣泛，在國外，機(jī)器人的研究及應(yīng)用都比較早，主要集中于美國、日本以及歐洲。截止到2014年，工業(yè)機(jī)器人的銷售額比去年增加了30%左右，這其中，我國工業(yè)機(jī)器人的銷售數(shù)量顯著增加。隨著智能機(jī)器人應(yīng)用數(shù)量的增多，關(guān)于智能機(jī)器人的研究也會(huì)成倍增長(zhǎng)，并研制出功能更全的新型機(jī)器人，提升國家的工業(yè)化水平及綜合國力。

二、智能機(jī)器人的視覺體系結(jié)構(gòu)

（一）研究方法

人類在感知周圍的環(huán)境、辨別文字和圖片時(shí)，所利用的均是自身的視覺功能，而機(jī)器人在運(yùn)行的過程中，要想感知周圍的環(huán)境，同樣需要具備良好的視覺功能。至今為止，對(duì)于視覺，人們了解程度還比較差，在研究人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，難度非常大。關(guān)于機(jī)器視覺的一般性問題，有學(xué)者從哲學(xué)及認(rèn)知心理學(xué)的角度出發(fā)，但認(rèn)知與了解的效果并不如意。實(shí)際上，研究機(jī)器視覺時(shí)，應(yīng)該在機(jī)器人的大背景中來進(jìn)行，通常，機(jī)器人的視覺系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)功能：一，能夠準(zhǔn)確識(shí)別文字，辨別圖形圖像的特征;二，識(shí)別場(chǎng)景中存在的簡(jiǎn)單物體，并對(duì)物體進(jìn)行定位;三，探測(cè)目標(biāo)物的位置，計(jì)算與之的距離，識(shí)別多個(gè)目標(biāo)物體時(shí)，可掌握物體之間的空間關(guān)系;四，分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況;五，探測(cè)場(chǎng)景中存在的障礙物，預(yù)測(cè)動(dòng)目標(biāo)，進(jìn)行防撞分析;六，規(guī)劃科學(xué)的運(yùn)動(dòng)路徑;七，判定目標(biāo)物體的顏色、亮度等;八，與外部環(huán)境進(jìn)行良好的交互[2]。對(duì)于一個(gè)機(jī)器人來說，機(jī)器視覺僅需具備上述功能中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)即可，要想實(shí)現(xiàn)這一功能，在研究時(shí)，可采用選擇性完成某項(xiàng)功能的方法。

（二）建立機(jī)器視覺模塊結(jié)構(gòu)模型

在建立視覺結(jié)構(gòu)模型時(shí)，建立的基礎(chǔ)為機(jī)器人分層體系結(jié)構(gòu)，由此一來，視覺系統(tǒng)能夠良好地與總系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)銜接，同時(shí)，依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)層次，將自己所承擔(dān)的特定任務(wù)完成。上層機(jī)器人任務(wù)分解將指令發(fā)出之后，按照傳感器的各種調(diào)用命令被分解，實(shí)現(xiàn)不同種類傳感器的調(diào)用，比如視覺傳感器、觸覺傳感器等，之后，進(jìn)一步分解調(diào)用命令，比如視覺調(diào)用命令，分解時(shí)，以具體的任務(wù)為依據(jù)，將不同層次的視覺子模塊調(diào)用出來，接著，在以具體需要為依據(jù)，將視覺數(shù)據(jù)庫調(diào)用出來，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試，完成任務(wù)[3]。上述視覺結(jié)構(gòu)模型具有分層化的特點(diǎn)，且具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，比如每個(gè)模塊的功能都是特定的，并且在實(shí)際使用的過程中，功能模塊可依據(jù)需要進(jìn)行增減。

（三）機(jī)器視覺集成傳感體系

為了上述設(shè)計(jì)方案具有較高的可行性，還需要設(shè)計(jì)機(jī)器視覺集成傳感體系。利用光點(diǎn)掃描法掃描近距離面形測(cè)量，并利用激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)距成像，之后，將二者集中到一起。該體系中的半導(dǎo)體激光器包含2個(gè)，分別在水平方向和垂直方向上放置，以便于發(fā)出不同的線偏振光，這2個(gè)半導(dǎo)體激光器經(jīng)過整圓、準(zhǔn)直后，再在偏振耦合器中經(jīng)過，實(shí)現(xiàn)配合，此時(shí)，其中1個(gè)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方式為直流，激光束發(fā)出時(shí)，光強(qiáng)恒定，完成近距離面形的測(cè)量工作，而另一個(gè)半導(dǎo)體激光器受到注入式電流的調(diào)制，光強(qiáng)出現(xiàn)變化，變化幅度為正弦，完成遠(yuǎn)距離的測(cè)量。在機(jī)器視覺集成傳感體系系統(tǒng)中，位置敏感探測(cè)器和雪崩光電探測(cè)器完成信號(hào)距離的測(cè)量工作。

結(jié)論

在研究智能機(jī)器人的視覺體系結(jié)構(gòu)時(shí)，以其原有的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用模塊化的思想，提出了分層模塊化結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了集成傳感體系，滿足了智能機(jī)器人機(jī)器視覺的設(shè)計(jì)要求。智能機(jī)器人具備機(jī)器視覺功能之后，將會(huì)提升其與周圍環(huán)境的交互性，并可以在模塊功能的指引下完成特定功能，由此促使智能機(jī)器人具有更為廣闊的應(yīng)用空間?，F(xiàn)階段，本研究還存在一定的不足之處，而這正是下一步研究工作的主要方向，目的在于更好完善智能機(jī)器人的機(jī)器視覺功能，進(jìn)而更好地發(fā)揮智能機(jī)器人的作用，提升我國的工業(yè)化水平。

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[3]任福繼，孫曉.智能機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，21：32-38.

作者簡(jiǎn)介：

郭力銘（1988—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱劍橋?qū)W院，助教，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化機(jī)器人。