基于機器視覺的搬運機器人系統(tǒng)研究與軟件實現(xiàn)

劉蜀豫 付琴 周寧

【摘要】機器人如今在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，憑借其工作連續(xù)性、便于管理性提升了生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，使原材料等大宗商品的價格能夠不斷降低，助力中上游產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，以搬運機器人為主的機械工業(yè)化設(shè)備解放了勞動力，從此人工搬運已成為過去，但為了滿足智能制造國家總體布局要求，提高智能制造水平，基于機器視覺與智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能搬運如今已是搬運設(shè)備發(fā)展趨勢，本文以MT-R四自由度機器人為主要平臺，對實現(xiàn)機器視覺展開系統(tǒng)研究與軟件分析，為提升搬運智能化、高效化提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】機器視覺;搬運機器人;系統(tǒng)與軟件

引言：在工業(yè)生產(chǎn)加工進程中，由于實現(xiàn)不同功能機床設(shè)備位置設(shè)定在工廠不同位置，所以待加工零件往往需不斷變換平面與空間位置以實現(xiàn)不同加工工序，對于小型零部件可直接采用人工搬運進行位置轉(zhuǎn)移，但大型零部件設(shè)備必須通過搬運設(shè)備進行高度舉升與平面移動，傳統(tǒng)通過場內(nèi)叉車與龍門吊裝方式實現(xiàn)對大型工件搬運往往耗費大量時間確立加工位置與加工精度，使生產(chǎn)效率受限，無法滿足工業(yè)和行業(yè)需求。隨著智能化時代到來，傳感器、定位設(shè)備實現(xiàn)了技術(shù)躍遷發(fā)展，為工廠各種搬運設(shè)備提供了全新的程序與邏輯運算基礎(chǔ)，本文將對實現(xiàn)機器視覺辨別、確定搬運機器人進行系統(tǒng)研究與軟件實踐探究，為助力智能化工廠外部設(shè)備獻言獻策。

一、搬運機器人視覺定位系統(tǒng)研究

1.視覺定位系統(tǒng)研究

讓搬運機器人能夠“看得見、摸得著”所挪移工件的關(guān)鍵設(shè)備是工業(yè)高清運動攝像機，處于生產(chǎn)流水線的工件設(shè)備往往在傳送帶等運送裝置具有一定初速度，搬運機器人攝像機無法實現(xiàn)隨動功能，故選用高速動態(tài)攝像機以增加視覺定位系統(tǒng)容錯率，提高監(jiān)測范圍。視覺定位系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)對生產(chǎn)線運動物體精確識別與定位，由高清攝像頭進行圖像采集，將圖片信息上行傳輸至上位機，通過上位機進行二次處理，最終通過PLC串行口發(fā)送到搬運機器運動控制端，以實現(xiàn)對目標設(shè)備搬運進程。在視覺定位系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，上位機對視頻數(shù)據(jù)分析標定與轉(zhuǎn)碼是其定位核心，運用背景差分法分析視頻幀率并自行挑選最為清晰的照片對其進行點云分析與多維空間確定，并將其編譯結(jié)果下分至控制系統(tǒng)以實現(xiàn)對搬運機器人精確控制是上位機的核心功能。

2.圖像處理系統(tǒng)

在運動的視頻中截取清晰圖片并將圖片進行分析、效果增強、工件凸顯以及特征提取是圖像處理系統(tǒng)的主要任務(wù)。在機器視覺中，圖像是最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析提取出的圖片往往具有數(shù)千萬像素點，根據(jù)顏色數(shù)與圖像深度以及色域類可由機器自行分為單色圖像、灰度圖像、偽彩色圖像以及真彩色圖像，以便對圖像特征提取。在實際生產(chǎn)加工時，工件顏色與機床顏色極為相似，相近顏色在顏色分類后會由于照片畫質(zhì)壓縮后出現(xiàn)一系列噪點，導(dǎo)致圖片質(zhì)量下降，所以根據(jù)波形來消除噪聲，同時對中值濾波與高斯濾波進行抵消是平順畫質(zhì)最為關(guān)鍵步驟，用中值定理取得區(qū)域內(nèi)平均像素點的模式代替質(zhì)量參差不齊像素點方是構(gòu)建均值濾波常用做法，其可起到銳化像素點的良好效果，提升了圖片質(zhì)量整體性能。

3.攝像機標定

攝像機位置決定了拍攝角度與拍攝質(zhì)量，在描述攝像機成像模型時根據(jù)空間坐標變換形式應(yīng)定義圖像像素坐標系、圖像物理坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系。在圖像像素坐標系中，像素坐標表征了圖像點的灰度，圖像由原來色彩形式儲存被轉(zhuǎn)譯為像素組形式儲存。與之相比圖像物理坐標系只能單一化表征某一具體像素在內(nèi)存組存放行數(shù)與列數(shù)，需與表示實際物理位置圖像坐標系聯(lián)動使用，通過偏微分方程計算方式與線性齊次變換形式將像素坐標轉(zhuǎn)化為圖像物理坐標，達到靈活轉(zhuǎn)譯效果。攝像機坐標系以攝像機為三維空間光心，通過三指原則確立直角空間坐標系，其中將攝像機主光軸方向界定為Z軸，與世界坐標系方向設(shè)定標準一致。攝像機、搬運機器人與目標工件具體位置三者存在一定位置關(guān)系，為了精確描述其位置關(guān)系，選用搬運機器人作為基坐標系，建立世界坐標系，三維坐標通過過渡矩陣變換形式可變?yōu)闅W氏空間中的幾何向量，最終根據(jù)線性齊次變換確定工件具體位置，確定過程中攝像設(shè)備、機器人空間位置保持恒定不變。

二、視覺機器人控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

1.控制系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺與總體設(shè)計

本次研討搬運機器人是在windows10系統(tǒng)下基于VC++軟件開發(fā)，選用MFC類庫支撐算法程序，利用先進圖像處理軟件OpenCV對視覺捕捉圖像進行處理。從總體設(shè)計層次劃分，整個系統(tǒng)軟件分為應(yīng)用層、控制層與資源層，根據(jù)功能模塊分為再現(xiàn)、初始化、示教、監(jiān)控調(diào)試、文件遠程儲存與管理、視覺捕捉管理六大模塊，資源層與模塊實現(xiàn)邏輯數(shù)據(jù)傳遞與分析，彼此配合，環(huán)環(huán)相扣共同實現(xiàn)視覺機器人搬運功能。

2.初始化模塊與再現(xiàn)模塊設(shè)計與實現(xiàn)

模塊是實現(xiàn)不同資源層調(diào)動的基礎(chǔ)，在初始化模塊實際時應(yīng)用MFC框架自動生成系統(tǒng)初始化模塊結(jié)構(gòu)，對于切換轉(zhuǎn)譯空間機器關(guān)節(jié)設(shè)置單獨窗口，供給系統(tǒng)初始化調(diào)動，任何信號都被關(guān)節(jié)當作正向與負向節(jié)約反應(yīng)信號，通過機器人自身API接口等系統(tǒng)資源實現(xiàn)來對各種參數(shù)進行調(diào)整與設(shè)置而再現(xiàn)模塊是根據(jù)運算邏輯圖實現(xiàn)對信號篩選及賦值功能的關(guān)鍵模塊，通過系統(tǒng)初始化與示教點插入，利用運動學(xué)相關(guān)逆向算法，根據(jù)結(jié)果解析起始點關(guān)節(jié)變量，對于適用于軌跡插值方法信號可有選擇性篩選為三次多項式插值、五次多項式插值以及拋物線混合線性插值，對于不適用直接可進行操作指令，實現(xiàn)對正確信號篩選與傳遞功能。

三、總結(jié)

在工業(yè)不斷發(fā)展進步的今天，對智能機器視覺搬運機器人研發(fā)是間接提高生產(chǎn)效率的有效做法，與常用編程邏輯搬運機器人相比，運用機器視覺功能搬運機器人可實現(xiàn)自動化、運動修正性搬運，是對接智慧生產(chǎn)線重要基礎(chǔ)，在對機器視覺搬運機器人研究時應(yīng)著重分析其視覺捕捉系統(tǒng)，提高目標工件識別準確性，為工業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效添磚加瓦。

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本文系2019年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《基于視覺識別的搬運機器人系統(tǒng)設(shè)計（編號S201913719020）》課題研究成果