高精度視覺識別與運(yùn)動控制系統(tǒng)在科技館展品設(shè)計研發(fā)中的實(shí)踐運(yùn)用

音袁 王家偉 劉立成 莊萬水

摘 要 本文基于高精度視覺識別與運(yùn)動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，針對機(jī)器人智能展品的發(fā)展現(xiàn)狀及原理方法等進(jìn)行簡要論述。結(jié)合一種典型的實(shí)時智能機(jī)器人科普展品“冰球機(jī)器人”的研發(fā)成果，闡述工業(yè)數(shù)字高速攝像機(jī)視覺識別系統(tǒng)和伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理及重要作用，擬開發(fā)一個完整的冰球機(jī)器人運(yùn)動伺服平臺并實(shí)現(xiàn)實(shí)時智能控制，重點(diǎn)探討該機(jī)器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及技術(shù)重難點(diǎn)的解決方案，以期能為國內(nèi)科技館同類科學(xué)展品的設(shè)計創(chuàng)新起到一定參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞 視覺識別系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng) 人工智能 冰球機(jī)器人

0 引言

集成計算機(jī)高精度視覺識別系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)，是現(xiàn)階段智能設(shè)備設(shè)計與改造中的熱門應(yīng)用技術(shù)之一，該系統(tǒng)通過計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和圖像采集處理技術(shù)，利用高清相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行尋找并驅(qū)動電機(jī)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取運(yùn)動控制，以實(shí)現(xiàn)對預(yù)定運(yùn)動目標(biāo)的處理，能夠大幅提高機(jī)器智能化水平，在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中被廣泛運(yùn)用[1]。與此同時，通過科技館中的科普項(xiàng)目來展示相關(guān)復(fù)雜技術(shù)也成為一種易于被大眾接受的新型傳播途徑。

本文正是基于高精度視覺識別與運(yùn)動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，并以“冰球機(jī)器人”的研發(fā)成果為例，展示一種人工智能的，能夠感知、預(yù)測、決策和協(xié)調(diào)運(yùn)動的，真正實(shí)現(xiàn)與人類體育競技對抗的自動化智能機(jī)器，以期能為科技館同類科學(xué)展品設(shè)計創(chuàng)新起到一定的參考和借鑒作用。

1 研究背景分析

機(jī)器人展品是科技館展品的重要組成部分之一。機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)、人工智能等多學(xué)科知識，代表著機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在日本，人們認(rèn)為機(jī)器人是任何高級的自動化機(jī)械;歐美國家則指出，機(jī)器人應(yīng)該是有計算機(jī)控制的，通過編排程序具有可以變化的、多功能的自動化機(jī)械[2]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織給機(jī)器人下的定義為：一種可編程和多功能的用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變的、可編程動作的專門系統(tǒng)[3]。

通過對國內(nèi)外50多家大型科技場館進(jìn)行問卷調(diào)查統(tǒng)計，了解到80%以上的觀眾對機(jī)器人技術(shù)充滿期待和興趣，特別是機(jī)器人的高精度、靈活性技術(shù)，機(jī)器人平衡技術(shù)，仿生機(jī)器人技術(shù)，擬人型機(jī)器人等受到廣大觀眾的關(guān)注[4]。但是，目前科技館行業(yè)同類機(jī)器人互動方式的產(chǎn)品一般采用機(jī)械臂形式，成本高、無機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，無法體現(xiàn)機(jī)電軟件一體化的科普功能，且存在表現(xiàn)形式落后、缺乏互動性和創(chuàng)新性等諸多問題，難以滿足公眾探索機(jī)器人技術(shù)的興趣和愿望，也無法系統(tǒng)展示機(jī)器人技術(shù)的構(gòu)成和發(fā)展[5]。因此，探索機(jī)器人展品研發(fā)規(guī)律具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2019年第九屆蕪湖科博會中，全新優(yōu)化設(shè)計的冰球機(jī)器人首度亮相，得到業(yè)內(nèi)人士和市民群眾的廣泛關(guān)注。本展項(xiàng)為人機(jī)互動的競技游戲裝置，冰球機(jī)器人通過捕捉冰球運(yùn)動位置，實(shí)時計算出預(yù)測的軌跡并即刻做出相對的反應(yīng)。當(dāng)參與者按下“開始”按鈕后便可取出冰球開始擊球，同時相機(jī)高速檢測冰球位置，記錄當(dāng)前時間和位置;連續(xù)記錄3個位置后，AI系統(tǒng)計算出冰球的運(yùn)動速度和方向，結(jié)合電機(jī)的位置和運(yùn)動速度，計算出最佳碰撞點(diǎn)和碰撞時間，驅(qū)動電機(jī)動作;冰球進(jìn)入對方球門后，傳感器做出判斷得分并顯示到屏幕上，冰球則通過回球軌道落回到指定位置，方便參與者取出;當(dāng)?shù)梅诌_(dá)到設(shè)定規(guī)則要求后，比賽結(jié)束，系統(tǒng)顯示比賽結(jié)果。

目前國內(nèi)科技館中大多數(shù)機(jī)器人都是通過表演動作來展示效果，形式較為單一[6]，而本裝置基于高精度視覺識別與運(yùn)動控制系統(tǒng)，通過參與者直接和機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互趣味比賽，讓觀眾更直觀感受到機(jī)器人的運(yùn)動控制和處理能力，驚嘆于冰球機(jī)器人精準(zhǔn)動作的神奇之處。如此，通過機(jī)器人展品將觀眾單一的輸入導(dǎo)出為多種輸出，使展品本身具備更持久的生命力。

2 展項(xiàng)基本描述

冰球機(jī)器人是一個集高精度視覺識別、人工智能和高速運(yùn)動控制于一體的互動科普裝置，主要由臺體、冰球機(jī)器人、防護(hù)機(jī)構(gòu)組成，它利用外部感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動作控制。觀眾手持互動裝置，點(diǎn)擊開始按鈕，與機(jī)器人開始冰球?qū)?zhàn)，同時屏幕顯示對戰(zhàn)時間和得分情況。利用2臺伺服電機(jī)、運(yùn)動軌道、1臺工業(yè)相機(jī)和上位機(jī)組成控制系統(tǒng)，采用氣浮臺面模擬實(shí)際冰球低摩擦運(yùn)動，結(jié)合燈光、回球軌道、臺體和半封閉防護(hù)罩組成一個冰球機(jī)器人。比賽時機(jī)器人通過工業(yè)相機(jī)識別跟蹤冰球動作，通過AI計算判斷出最佳擊球位置、時間和速度，控制擋塊準(zhǔn)時運(yùn)行至指定位置將球擊回，當(dāng)傳感器檢測到球進(jìn)球門后回合結(jié)束，從而完成一場冰球比賽過程。

如圖1所示，參觀者參與時，通過點(diǎn)擊開始和難易程度按鈕，啟動游戲，然后手拿擊球器將球片擊打向機(jī)器人方向，系統(tǒng)攝像頭將采集球片數(shù)據(jù)，并通過算法控制機(jī)構(gòu)動作，將球準(zhǔn)確無誤擊回參與方，以此反復(fù)，直至一方進(jìn)球，球片通過回收機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至臺體前端，參與者拿起球片進(jìn)行下一場比拼。當(dāng)單方進(jìn)球滿5個時，則游戲結(jié)束，顯示屏實(shí)時顯示擊球軌跡畫面和得分情況。

[圖1 冰球機(jī)器人展品效果圖]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科學(xué)教育與博物館＼2019-5＼圖＼高精度視覺識別-1.tif>

如圖2所示，本展品包括七個部分，主要模塊名稱分別為：冰球互動擊球機(jī)構(gòu)、球片浮動平臺、球片回收機(jī)構(gòu)、攝像頭采集部分、計算機(jī)部分、顯示器部分、多媒體部分。攝像頭部分進(jìn)行球片運(yùn)動軌跡采集并輸入計算機(jī)部分，計算機(jī)部分控制冰球互動擊球機(jī)構(gòu)進(jìn)行擊球，并將得分結(jié)果輸出到顯示器部分。球片在浮動平臺上小阻力運(yùn)動，并通過球片回收機(jī)構(gòu)回收至臺體前端。

如圖3所示，冰球互動擊球機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、同步帶、X向滑軌、Y向滑軌、擊球部分、主動輪、張緊從動輪、換向輪等部件構(gòu)成。機(jī)構(gòu)啟動時，左右伺服電機(jī)帶動主動輪轉(zhuǎn)動，擊球部分在同步帶的帶動下，通過從動輪和換向輪實(shí)現(xiàn)動作。機(jī)構(gòu)通過左右電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度差值實(shí)現(xiàn)擊球部分的X向、Y向、斜向運(yùn)動，并結(jié)合程序算法實(shí)現(xiàn)互動擊球。

計算機(jī)部分由計算機(jī)、電機(jī)控制器構(gòu)成。計算機(jī)通過攝像頭采集數(shù)據(jù)，運(yùn)用算法控制伺服電機(jī)的啟動與停止。攝像頭采集部分由攝像頭、攝像頭固定支架組成。攝像頭對運(yùn)動中的球片進(jìn)行圖像采集，并將數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)，計算機(jī)中的程序通過算法算出球片運(yùn)動軌跡。顯示器模塊，顯示器模塊顯示當(dāng)前互動游戲的得分情況。

本展項(xiàng)設(shè)計特點(diǎn)：（1）利用高速工業(yè)相機(jī)動態(tài)跟蹤冰球運(yùn)動;（2）根據(jù)三點(diǎn)計算冰球運(yùn)動軌跡，計算出冰球的速度和方向;（3）采用補(bǔ)光技術(shù)，降低外界光源對冰球識別造成的影響;（4）采用半封閉結(jié)構(gòu)，運(yùn)動控制部分和參與者隔離開，安全性高;（5）采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡潔，運(yùn)行速度快;（6）采用氣浮機(jī)構(gòu)消除桌面摩擦力，模擬冰球真實(shí)動作。

3 原理闡釋與難點(diǎn)解決

冰球機(jī)器人主要由機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)、伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，是一個以CoreXY結(jié)構(gòu)為主體的機(jī)器人，它利用工業(yè)數(shù)字高速攝像機(jī)視覺系統(tǒng)，對桌面圖像實(shí)時監(jiān)測，利用圖像處理技術(shù)鎖定冰球的坐標(biāo)位置，通過不同時刻圖像的差異比對，計算出冰球的運(yùn)動軌跡并推導(dǎo)出冰球的運(yùn)動方向，然后由伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂高速并準(zhǔn)確的移動到預(yù)計位置上攔截并擊打冰球，實(shí)現(xiàn)冰球桌面互動的人機(jī)對戰(zhàn)。

經(jīng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)測試，預(yù)估觀眾擊球的速度可達(dá)到5 m/s以上，臺面的總長度是1.2 m，觀眾操作區(qū)域長度是0.4 m，實(shí)際機(jī)器人監(jiān)控有效區(qū)域是0.8 m，所以當(dāng)觀眾擊球后，機(jī)器人從識別冰球到反擊成功的最大時間只有0.16 s。若要冰球機(jī)器人贏球，那么對其快速定位和運(yùn)算識別功能則有很高的要求，亟待解決的就是電機(jī)運(yùn)動速度跟不上、識別速率較慢、吹風(fēng)不均勻?qū)е伦烂孀枇Υ蟮入y題。

通過反復(fù)的性能提升與方法改進(jìn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用USB 3.0高清工業(yè)相機(jī)，最高速度達(dá)210 fps（每秒幀數(shù)），圖像清晰度高，輔以采用OpenCV 3.0專業(yè)圖像處理技術(shù)，采用金字塔法同時生成一張大圖和一張小圖，結(jié)合幀差法，在小圖中快速識別運(yùn)動物體，確定運(yùn)動范圍，并在此范圍內(nèi)通過在大圖來識別定位冰球的精確位置。利用金字塔法，則可在實(shí)現(xiàn)冰球快速定位的同時還能保證識別精度。另外，將工業(yè)相機(jī)安裝在臺面正上方，周圍布置了補(bǔ)光系統(tǒng)，降低外界光線對冰球識別的干擾。經(jīng)試驗(yàn)，在相機(jī)采集過程可以同步實(shí)現(xiàn)冰球定位，識別速度達(dá)到相機(jī)最高速度110 fps，也就是機(jī)器人不到0.01 s就能捕捉畫面、找準(zhǔn)冰球，再計算出反擊位置，并控制電機(jī)的運(yùn)動速度和軌跡，進(jìn)行擊球，如圖4所示。

除了高精度視覺識別系統(tǒng)，還需要準(zhǔn)確快速的運(yùn)算控制系統(tǒng)——建立冰球運(yùn)動模型，結(jié)合相機(jī)定位冰球?qū)嶋H運(yùn)動位置，計算其運(yùn)動軌跡并快速做出反應(yīng)。冰球機(jī)器人采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡潔，運(yùn)行速度快，由于通過運(yùn)動控制卡直接控制電機(jī)，進(jìn)一步消除計算機(jī)與電機(jī)通訊延時。如，以計算出球位置到機(jī)器人擊球位置距離0.6 m，冰球速度2 m/s為例，時間差10 ms，末端距離差20 mm，識別角度偏差1度末端誤差就是10 mm。同時，還可通過設(shè)置電機(jī)最大運(yùn)動速度和反擊位置選取方法，來改變游戲模式的難易程度。

此外，冰球臺面排列許多整齊的氣孔，系統(tǒng)工作后有氣流噴出，而冰球下方為凹面，氣流沖擊凹面時就可以將冰球浮在臺面上，消除了臺面與冰球的摩擦力，即可真實(shí)模擬實(shí)際冰球在冰面上的光滑運(yùn)動，大大減少了運(yùn)動阻力。同時，安全性也是展品展項(xiàng)設(shè)計中的必備要素。本展項(xiàng)整體采用半封閉結(jié)構(gòu)，將包含運(yùn)行軌道的運(yùn)動控制部分用鋼化玻璃進(jìn)行封閉，只留縫隙供冰球運(yùn)動，防止高速運(yùn)動的機(jī)構(gòu)撞擊到參與者，消除安全隱患。

我們通過機(jī)器人技術(shù)互動體驗(yàn)系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，探索出機(jī)器人展品研發(fā)應(yīng)遵循的普遍規(guī)律總結(jié)如下：（1）充分做好現(xiàn)狀調(diào)查，理清機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向和科技館目標(biāo)需求，確定展示內(nèi)容與特殊要求。（2）將機(jī)器人研發(fā)與科技館展示技術(shù)相結(jié)合，確定互動展示形式。（3）對展品進(jìn)行詳細(xì)的功能分析，根據(jù)展示性、體驗(yàn)性和安全性確定展品組成與結(jié)構(gòu)。（4）機(jī)器人展品的整體設(shè)計需滿足安全可靠、維護(hù)方便、成本合理等要求。（5）同時注重操作的可重復(fù)性，科技館人流量大、展品使用頻率極高，要求展品體驗(yàn)滿足不同受眾群體的使用習(xí)慣，演示現(xiàn)象和效果在合理的時間內(nèi)能夠重復(fù)再現(xiàn)等。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，國家把科普基礎(chǔ)設(shè)施工程列為實(shí)施全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃的四大基礎(chǔ)工程之一，良好的政策給我國科技館事業(yè)帶來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。與此同時，科技部也按照國家重點(diǎn)研發(fā)計劃統(tǒng)一部署，啟動“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)工作。展品展項(xiàng)是科技場館長久發(fā)展的生命基石，而隨著科普場館戰(zhàn)略地位的逐步提高，社會各界對機(jī)器人展品的創(chuàng)新也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

冰球機(jī)器人是一款充滿競技智慧的高科技展品，重點(diǎn)展示人工智能在自動程序設(shè)計、視覺感知、反應(yīng)控制等諸多領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。通過把“高高在上”的機(jī)器人展品與人們熟悉的日常生活、休閑運(yùn)動相結(jié)合，進(jìn)一步為大眾創(chuàng)新提供支撐。希望此次創(chuàng)新實(shí)踐對同類機(jī)器人展品研發(fā)和全國科技館展品建設(shè)能夠起到一定的借鑒作用，特別是在快速定位和優(yōu)化運(yùn)算識別等互動機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，并借此引發(fā)業(yè)內(nèi)對一系列機(jī)器感知和控制技術(shù)的深入探索和相互交流。此外，我們也將繼續(xù)致力于利用前沿技術(shù)推動科學(xué)知識的普及與傳播，使科學(xué)更加平民化、更具親和力，實(shí)現(xiàn)科技館展品研發(fā)的新局面、新形勢。

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Abstract Based on the theoretical basis of high-precision visual recognition and motion control system， this paper briefly introduces the development status and principle methods of robot intelligent exhibits. Combining the research and development results of an intelligent "ice hockey robot"， the operation principle and function of the industrial digital high-speed camera visual recognition system and servo motion control system are expounded. It is proposed to develop a complete ice hockey robot motion servo platform and realize real-time intelligent control. The focus is on the design of the robot vision system and the solutions to the technical difficulties. The purpose is to provide a reference for the innovation of scientific exhibits in the same category of domestic science museums.

Keywords visual identification systemmotion， control systemartificial， intelligenceice， hockey robot