基于視覺和工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取技術(shù)研究

郭克朝

（貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000）

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，越來越多的機(jī)器人被應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)中，其中，機(jī)器人的定位和抓取問題是在實(shí)際應(yīng)用中常見的問題。以前經(jīng)常會(huì)用固定產(chǎn)品的姿態(tài)和位置，再利用手動(dòng)示教與后期的動(dòng)作重現(xiàn)進(jìn)行控制抓取產(chǎn)品。若是示教位置和實(shí)際的位置出現(xiàn)偏差，傳統(tǒng)的方式就不再適用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)。

1 視覺識(shí)別抓取技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前，在機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的研究越來越廣泛，并引起了高度的關(guān)注，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)較多的科學(xué)技術(shù)成果，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了較好應(yīng)用，此后，自動(dòng)化的應(yīng)用速度呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式不足與缺陷日益顯現(xiàn)出來，已經(jīng)難于滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求。一些企業(yè)還是用人工作業(yè)方法來對(duì)產(chǎn)品不足和缺陷進(jìn)行檢測(cè)，如產(chǎn)品封箱、裝箱、搬運(yùn)等。人的體能有限，當(dāng)人體的能力達(dá)到極限時(shí)，也就到了疲勞期，就很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如錯(cuò)檢、漏檢，甚至操作失誤的情況會(huì)大幅度提高，因此，也就不能確保產(chǎn)品在質(zhì)量和數(shù)量等方面的各項(xiàng)指標(biāo)與要求[1]。然而，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，正好可以解決這個(gè)問題，還適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求，因此，在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)中，機(jī)器視覺技術(shù)便成為了最佳應(yīng)用方式，也是對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方法有效改善與提升。

2 工業(yè)機(jī)器人視覺識(shí)別系統(tǒng)的組成

2.1 視覺系統(tǒng)的硬件組成

由于工業(yè)發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)的需求，相關(guān)工作人員研發(fā)了工業(yè)相機(jī)和智能協(xié)作工業(yè)機(jī)器人視覺智能抓取系統(tǒng)。依據(jù)機(jī)器人視覺系統(tǒng)使用用途不同，攝像機(jī)在數(shù)量上的安置也會(huì)不同。大體上可以把機(jī)器人的視覺系統(tǒng)分為單目視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)以及多目視覺系統(tǒng)。單目視覺系統(tǒng)使用最普遍，只需要一臺(tái)攝像機(jī)就可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量，通常應(yīng)用在平面視覺當(dāng)中。與單目視覺系統(tǒng)相比，雙目視覺系統(tǒng)以及多目視覺系統(tǒng)新增了深度系統(tǒng)，它能更加準(zhǔn)確識(shí)別和定位立體空間內(nèi)的重要坐標(biāo)點(diǎn)，并以此作為抓取依據(jù)[2-3]。

在視覺系統(tǒng)應(yīng)用過程中，攝像機(jī)的參數(shù)是不用進(jìn)行標(biāo)定的，即使要標(biāo)定也比較方便，使用也相對(duì)簡(jiǎn)單。在機(jī)器人的視覺系統(tǒng)中有圖像獲取、圖像存儲(chǔ)、圖像處理和圖像理解等模塊。但在具體實(shí)際應(yīng)用過程中，機(jī)器人視覺系統(tǒng)中不會(huì)把這些全部包括在內(nèi)，只是包含最基本的兩個(gè)部分：圖像獲取和圖像處理。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的眼睛是相機(jī)，并且把上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行有效地連接。通過相機(jī)對(duì)目標(biāo)事物的拍攝把相關(guān)工件圖像傳送到上位機(jī)，對(duì)圖像進(jìn)行加工和處理，再由上位機(jī)把處理好的相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送給機(jī)器人，最后，由機(jī)器人完成抓取作業(yè)，再對(duì)圖像進(jìn)行采集、處理和傳遞，如此循環(huán)往復(fù)。

2.2 視覺系統(tǒng)的軟件組成

在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中，硬件再完美也不可能獨(dú)立完成抓取工作，需要上位機(jī)的配合，對(duì)相應(yīng)的軟件進(jìn)行控制操控，這樣才會(huì)順利完成抓取工作，所以，要從實(shí)際的任務(wù)和需求來對(duì)軟件編程進(jìn)行編寫，使其與視覺智能抓取軟件系統(tǒng)相匹配。通過軟件系統(tǒng)以圖像進(jìn)行獲取、處理、模板匹配和機(jī)械的手眼定位等功能來完成通訊功能和軟件外部界面的設(shè)計(jì)，通過控制智能協(xié)作機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取的任務(wù)。在以視覺系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程中，若想實(shí)現(xiàn)抓取的準(zhǔn)確度，就要對(duì)機(jī)器人和工業(yè)相機(jī)進(jìn)行手眼的精準(zhǔn)標(biāo)定，這是抓取環(huán)節(jié)一個(gè)重要部分。主要目的是對(duì)相機(jī)所拍攝物體在經(jīng)過數(shù)字化的圖像處理后，可以得到有用的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)機(jī)器人下一步操作進(jìn)行有效指導(dǎo)和控制。這個(gè)過程需要利用二維圖像信息經(jīng)過內(nèi)部計(jì)算得出實(shí)際空間信息，進(jìn)而可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確有效定位。

2.3 視覺光源的選擇

光源不僅在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里面具有較大作用，在機(jī)器人系統(tǒng)里面也是不可替代的關(guān)鍵部分。光源不僅僅為工作提供照亮，光源選擇也可以對(duì)環(huán)境噪聲起到很好抑制作用，提高信噪比，可以更加清晰地看見圖像中工件的輪廓，大大加強(qiáng)了工件的特征量對(duì)比度。視覺系統(tǒng)打光的好壞直接影響著圖像采集的成敗。較高質(zhì)量的圖像和適合的光源是相互作用的。若是沒有選擇合適的光源，對(duì)于圖像后期處理也會(huì)有一定影響。所以確定一款與所用鏡頭相機(jī)相匹配的光源十分重要。還要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中工件特點(diǎn)來對(duì)光源進(jìn)行選擇，比如表面比較光滑的金屬，就要選擇防止反光的藍(lán)光或紅光來打光，這樣會(huì)取得較好效果；對(duì)于深景的情況就應(yīng)選擇平行無影光源來消除深景。當(dāng)然。要具體問題具體分析，要依據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況來進(jìn)行光源選擇，進(jìn)而提高發(fā)光效率和使用壽命。

3 基于視覺和工業(yè)機(jī)器人動(dòng)態(tài)抓取的誤差和性能

在視覺引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓取過程中，在操作中的每一個(gè)環(huán)節(jié)上都會(huì)存在著或多或少的誤差，為了進(jìn)一步對(duì)視覺的穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，就要進(jìn)行多次、大量的抓取實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析和研究。在整體的系統(tǒng)當(dāng)中，其抓取的準(zhǔn)確度是由機(jī)器人系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、成像系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)精度和對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確度來決定，這也是最重要的三個(gè)組成因素[4]。機(jī)器人系統(tǒng)的精準(zhǔn)度主要分為兩種：一種是機(jī)器人自身的制造精準(zhǔn)度，另一種是手眼標(biāo)定系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。機(jī)器人的制造精度主要是由于在進(jìn)行機(jī)器人制造和裝配時(shí)產(chǎn)生的定位誤差，手眼系統(tǒng)的誤差主要是在對(duì)手眼進(jìn)行定位的過程中進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的誤差，通常會(huì)利用提高手眼標(biāo)定的精度來提高機(jī)器人整個(gè)體系的精度。造成成像系統(tǒng)精度的誤差是由于在相機(jī)成像過程中會(huì)使圖像發(fā)生變形，而且由于光照條件不同，也會(huì)對(duì)相機(jī)的標(biāo)定造成不同程度影響。圖像控制算法的誤差也是系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵組成環(huán)節(jié)，把圖像算法不斷地進(jìn)行優(yōu)化，提高識(shí)別定位精準(zhǔn)度，進(jìn)而提升整體視覺精確度。若是利用傳統(tǒng)示教方式進(jìn)行抓取操作時(shí)，那么在編程過程中，工件中心位置完全是由人的肉眼來進(jìn)行確定，可能就會(huì)造成0.5mm～1mm的定位誤差，特別是對(duì)較小工件進(jìn)行操作時(shí)極易產(chǎn)生較大的定位誤差，甚至?xí)?dǎo)致一些不必要的麻煩。與此同時(shí)，在進(jìn)行抓取和識(shí)別的速度上也要比傳統(tǒng)的示教形式方便快速很多，這樣就在很大程度上縮短了生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)而提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

4 基于視覺和工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取技術(shù)的應(yīng)用

4.1 相機(jī)校準(zhǔn)

在進(jìn)行分揀操作的過程中，要做的第一個(gè)步驟就是要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，使其與所分揀的材料或是工件相匹配，這是機(jī)器人在機(jī)器視覺引導(dǎo)下進(jìn)行分揀工件的基礎(chǔ)操作。若是缺乏了攝像機(jī)的校準(zhǔn)，機(jī)器的視覺校準(zhǔn)也就不能達(dá)到。相機(jī)標(biāo)定是一個(gè)圖像的坐標(biāo)系，它建立在工業(yè)機(jī)器人和輸送帶上的材料或工件的空間位置上，對(duì)兩者間關(guān)系進(jìn)行對(duì)比和分析。

4.2 工件識(shí)別和定位

為把機(jī)器人操作失誤率控制在最小范圍之內(nèi)，一定要保證在系統(tǒng)的運(yùn)作過程中工件的識(shí)別和定位十分準(zhǔn)確，盡可能降低誤差，而決定這兩項(xiàng)工作可以準(zhǔn)確無誤完成的主要技術(shù)是圖像匹配技術(shù)應(yīng)用[5]。在實(shí)際操作時(shí)，工作人員會(huì)根據(jù)材料不同來對(duì)技術(shù)進(jìn)行選擇，使二者相適合。從當(dāng)前發(fā)展水平來看，圖像匹配技術(shù)包括三種形式，即相機(jī)匹配、區(qū)域匹配以及特征匹配。在這三種形式中，最為常見和使用最為廣泛是特征匹配，主要原因是由于另外兩種形式太過于依賴灰度的查詢。1）識(shí)別工件。識(shí)別工件就是對(duì)圖像進(jìn)行辨認(rèn)。一般情況下，在對(duì)圖像識(shí)別過程中，要對(duì)準(zhǔn)備處理的工件進(jìn)行圖像錄取，再?gòu)囊唁浫氲南到y(tǒng)中找到與其類似工件，經(jīng)過圖像處理技術(shù)使工件與背景相分離，提供二進(jìn)制處理完成后的圖像，進(jìn)而對(duì)比其相似的形狀與特征，完成圖像的識(shí)別工作。2）工件定位。工件識(shí)別可以使機(jī)器人準(zhǔn)確地完成抓取工作，但是若想獲取抓取對(duì)象的準(zhǔn)確位置就要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為了可以使工件位置計(jì)算準(zhǔn)確，要對(duì)相機(jī)所拍攝圖像進(jìn)行全面分析與研究。要對(duì)圖像中工件的背景和位置進(jìn)行對(duì)比，并把位置設(shè)置成攝像機(jī)的坐標(biāo)，工件坐標(biāo)由攝像機(jī)的坐標(biāo)來確定[6]。

4.3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

為了可以控制機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取運(yùn)動(dòng)，要對(duì)預(yù)處理攝像機(jī)的圖像進(jìn)行研究，得到工件的精準(zhǔn)坐標(biāo)。這時(shí)，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)坐標(biāo)對(duì)機(jī)器手爪發(fā)出操作信號(hào)，等到輸送到指定的位置，機(jī)器人就可以依據(jù)指令進(jìn)行分揀，并放到指定的位置，從而快速、精準(zhǔn)地完成分揀工作。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人抓取技術(shù)的引入和應(yīng)用，不僅節(jié)省了時(shí)間，還在很大程度上提高了生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)抓取主要是依靠人工分揀，不但會(huì)耗費(fèi)大量人力，效果還不是十分理想，效率低，而且成本較高。機(jī)器視覺圖像采集和識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)，使機(jī)器人和視覺數(shù)據(jù)的通訊得到了有效控制，對(duì)以后分揀裝置發(fā)展起到較大促進(jìn)作用。