機(jī)器視覺智能機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)初探

孫昕 周德旭 甘子?xùn)|

摘?要：當(dāng)前，在無損檢測的過程中，需要進(jìn)行大量的人工操作，導(dǎo)致檢測結(jié)果精度較低，檢測效率低下。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，就可以通過利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行無損檢測，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)無損檢測系統(tǒng)的優(yōu)化與升級，提高無損檢測的精度和效率。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)具有四個(gè)自由度，在檢測的過程中，可以對整個(gè)三維空間進(jìn)行全面立體的檢測，同時(shí)還具有較高的適應(yīng)性。同時(shí)，通過利用多種先進(jìn)的技術(shù)來完善整個(gè)系統(tǒng)，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的精度和效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;人工智能;機(jī)器人;無損檢測

1?緒論

當(dāng)代對于無損檢測的定義就是：在不損壞試件的前提之下，以物理或化學(xué)方法為手段，通過利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)施等，對試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行檢查和檢測。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了許多無損檢測的手段。比如，通過利用X射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測等等。通過利用機(jī)器來代替人眼進(jìn)行檢測，將所檢測的試件轉(zhuǎn)化為數(shù)字符號，再利用圖像系統(tǒng)對這些信息進(jìn)行運(yùn)算，從而進(jìn)行控制，這就是機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺的最大特點(diǎn)就是自動(dòng)化程度較高，具有較高的生產(chǎn)柔性，在我國許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在無損檢測的過程中，通過將機(jī)器人與機(jī)器視覺相結(jié)合，從而使機(jī)器人擁有視覺，能夠極大地提高機(jī)器人的檢測效率，同時(shí)還能夠拓寬監(jiān)測的范圍，具有廣大的市場前景。

2?機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過在機(jī)器人中安裝高性能運(yùn)動(dòng)控制卡，再加上交流伺服系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，保證機(jī)器人能夠靈活地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)軸的底端，安裝無損檢測的部件，再通過上位機(jī)進(jìn)行操控，如下圖所示。

機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間的立體檢測，需要使機(jī)器人在xyz三個(gè)方向上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使檢測頭在w方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)無損檢測設(shè)備的需要進(jìn)行檢測系統(tǒng)的選擇。在機(jī)器人系統(tǒng)之中，采用高強(qiáng)度高直線度的鋁型材作為直線運(yùn)動(dòng)單元，在每個(gè)軸伺服電機(jī)中配備NEUGART精密衛(wèi)星，從而有效地提高機(jī)器人的負(fù)載能力，保證機(jī)器人的性能。為了能夠適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境，在進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用龍門式或掛壁式的方式。采用機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)，能夠有效地減少人工操作，提高檢測的效率和精準(zhǔn)度。

3?無損檢測系統(tǒng)

無損檢測系統(tǒng)具有多種，包括X射線檢測、磁粉檢測、超聲波檢測等，其中，超聲波檢測具有檢測對象廣泛，具有較強(qiáng)的穿透能力、檢測速度較快、檢測成本較低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字化超聲波探傷儀利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過將所接受的回波進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的處理，這種檢測方式，可以對材料的缺陷進(jìn)行檢測，獲得精準(zhǔn)的評估。在機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)之中，可以通過采用便攜式超聲探傷儀進(jìn)行檢測，利用RS232通信口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。X射線探傷儀也是無損檢測工作的重要設(shè)備之一，通過利用X射線的性質(zhì)，將射線透過物質(zhì)，可以使光物感光或者發(fā)生熒光。但是，當(dāng)射線穿過物質(zhì)之后，會(huì)導(dǎo)致一定能量的消散，同時(shí)還有一些能量要轉(zhuǎn)化為熱能和化學(xué)能，能量的衰減會(huì)受到物質(zhì)的原子量和透照厚度以及射線波長的長度影響。利用X射線探傷儀，能夠?qū)υS多材料的零部件進(jìn)行無損檢測，從而確保材料內(nèi)部是否具有缺陷，在我國許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在我國許多企業(yè)中，一些設(shè)備的無損檢測還是采用手工為主，具有很大的弊端，檢測效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，因此，通過利用機(jī)器視覺智能機(jī)器人無損檢測的方式，能夠有效的降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測的精度和效率。

4?控制系統(tǒng)的工作方式和智能控制技術(shù)

4.1?控制系統(tǒng)的工作方式

控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中最重要的部分之一，控制著機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和操作，通過實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的多種插補(bǔ)操作的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三維空間的立體檢測，能夠極大地提高檢測的精度和效率。在機(jī)器人系統(tǒng)之中，通過利用高級語音對機(jī)器人進(jìn)行命令發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)或者各軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，利用控制卡進(jìn)行電壓的輸出，在通過電壓驅(qū)動(dòng)伺服放大器，實(shí)現(xiàn)賜福放大器的工作，再由電機(jī)頂端的編碼器將位置發(fā)送為控制卡之中，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)操作過程的控制。對于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的控制卡，可以采用多種命令方式進(jìn)行控制環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，通過利用編程等操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)控制系統(tǒng)的工作，如果運(yùn)動(dòng)軌跡位置，那么可以先手動(dòng)的使機(jī)器人進(jìn)行檢測位置的確定，之后再進(jìn)行編程的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作。

4.2?控制系統(tǒng)的智能控制技術(shù)

在檢測的過程中，由于所檢測的材料外形不一，為了能夠提高檢測的準(zhǔn)確性，減少不必要的檢測次數(shù)，在工件外形檢測的過程中，就需要引入神經(jīng)模糊算法進(jìn)行分類，從而減少檢測的示范次數(shù)，有效地提高檢測的效率。在獲取材料圖像的過程中，想要提高檢測系統(tǒng)整體的檢測速度，就可以采用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像獲取，并且將分辨率調(diào)為640×480的灰度圖像，從而有效地提高簡單的效率。神經(jīng)模糊算法需要利用模糊系統(tǒng)，在模糊系統(tǒng)中，主要是由模糊化、規(guī)則庫的建立和解模糊三個(gè)部分構(gòu)成，首先需要將材料的參數(shù)精確的輸入其中，再由數(shù)量轉(zhuǎn)化為模糊變量，然后將每個(gè)輸入量與不同數(shù)量的模糊輛進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸入量在被模糊化之后，采用建立規(guī)則庫的方式，對所模糊化的數(shù)據(jù)建立規(guī)則庫，通過利用IF…THEN…規(guī)則，完善整個(gè)規(guī)則庫的規(guī)則。解模糊是將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的過程，在獲得模糊量之后，就可以利用解模糊的方式，將所得到的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，從而得出數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用神經(jīng)模糊算法，除了利用模糊系統(tǒng)之外，還需要與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過利用樣品數(shù)據(jù)對模糊系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，在機(jī)械視覺智能機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)中，采用自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)ANFIS來實(shí)現(xiàn)，通過利用這個(gè)模糊推理系統(tǒng)，對所需要檢測的材料進(jìn)行匹配，對待結(jié)構(gòu)相類似的材料，就可以采用相類似的檢測方法，同時(shí)也可以采用相同的檢測點(diǎn)，從而不必逐一進(jìn)行試教工作，通過利用這一系統(tǒng)，只需要調(diào)用歷史檢測路徑和檢測點(diǎn)，從而提高檢測工作的效率，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的智能檢測。

5?圖像處理算法及軟件設(shè)計(jì)

5.1?彩色圖像分割算法

再利用無損檢測系統(tǒng)檢測的過程中，由于條件的限制性，所得到的圖像大多數(shù)以灰度圖為主，但是對于人類來說，人眼所能識(shí)別的顏色可多達(dá)上百萬種，但是只包含了少量的灰度色顏色，而無損檢測結(jié)果的灰度圖中所覆蓋的灰度色顏色較多，很難為人眼所識(shí)別，因此在過去利用人工無損檢測的過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的精度誤差。因此，在無損檢測的過程中，就需要將灰度圖轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬珗D像，通過利用偽彩色映射技術(shù)，將灰度顏色轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬伾?，從而提高人眼的視覺分辨率。在采用為彩色映射的方法時(shí)，需要對灰度圖像的RGB彩色空間中的分量單獨(dú)進(jìn)行線性變換，從而得出為彩色映射。之后需要對彩色圖像進(jìn)行區(qū)域分割，從而便于對整個(gè)圖像進(jìn)行檢測，再根據(jù)所分割的區(qū)域提取出具有缺憾的焊接區(qū)，完成整個(gè)檢測的過程。首先，在圖像分割完之后，提取一部分缺陷的區(qū)域，在對其中的顏色進(jìn)行平均，根據(jù)所獲得的平均顏色進(jìn)行估計(jì)，之后再對其他的區(qū)域進(jìn)行提取劃分。進(jìn)行圖像分割的主要目的是對RGB像素進(jìn)行分類，從而使在這個(gè)區(qū)域內(nèi)能夠只有一種顏色或者沒有顏色，便于進(jìn)行區(qū)分。

5.2?自適應(yīng)區(qū)域生長圖像分割算法

根據(jù)預(yù)先所定義的生長準(zhǔn)則，將像素和子區(qū)域集合成較大的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長。首先選取一組種子點(diǎn)，以這一點(diǎn)為開始進(jìn)行區(qū)域生長，再將其他區(qū)域中具有類似種子區(qū)域特點(diǎn)的領(lǐng)域像素附加到每個(gè)種子之上。采用區(qū)域生長的圖像分割算法，能夠獲得一個(gè)更好的結(jié)果，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在焊縫缺陷區(qū)域中，其中的像素往往具有一些較大的數(shù)字值，因此，通過采用直方圖的統(tǒng)計(jì)方式，對所有的像素?cái)?shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于直觀的進(jìn)行觀察，然后在選取灰度圖像中的直方圖中最大值和第一個(gè)主位置之間的差值，將這些區(qū)域進(jìn)行合并，最終得出一個(gè)自適應(yīng)區(qū)域生長圖像。

5.3?軟件設(shè)計(jì)

在機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)中，主要將軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為控制功能軟件設(shè)計(jì)和操作功能軟件設(shè)計(jì)，控制功能和操作功能是整個(gè)系統(tǒng)中必不可少的一部分，控制功能能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，而操作功能能夠進(jìn)行圖像顯示和處理。在系統(tǒng)中，通過利用舉例技術(shù)，實(shí)行整體分析，將一些功能較為相近的區(qū)域劃分到一體中，從而對全局進(jìn)行把控。

6?結(jié)語

通過設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺的機(jī)器人無損檢測系統(tǒng)，能夠有效地降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高無損檢測的精度和效率，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，未來必將得到廣泛的應(yīng)用。

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課題信息：遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：XLYC?1808044）

作者簡介：孫昕（1989—?），男，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)制造。