基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計

張海峰

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 唐山 063299）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域，機器人發(fā)揮著越來越重要的作用，其與工業(yè)機器人所具備完善的視覺系統(tǒng)和強大的視覺能力密切相關(guān)。我國一直都在加強對工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的研究力度，積極引入和應(yīng)用更多新的技術(shù)和資源，就當(dāng)前工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用情況來看，已經(jīng)取得了諸多研究成果。基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)正在持續(xù)被優(yōu)化和完善，在實踐應(yīng)用中也呈現(xiàn)出越來越理想的效果，其在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域更是占據(jù)著越來越重要的位置。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)已經(jīng)逐步發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域中不可或缺的核心組成要素。深入研究基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)，其本質(zhì)是利用機器來替代人眼來做出各種測量和判斷。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)屬于計算科學(xué)的一個分支，所涵蓋的技術(shù)種類非常多，諸如機械、光學(xué)、計算機軟硬件、電子技術(shù)等都有所涉及。此外，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計與計算機、人工智能、圖像處理、信號處理等諸多領(lǐng)域也都有著非常緊密的關(guān)聯(lián)性。

1 虛擬仿真技術(shù)闡述

虛擬仿真技術(shù)集人工智能、計算機圖形以及計算機仿真技術(shù)于一身，屬于綜合性學(xué)科類型。簡單來說，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用原理，即借助計算機技術(shù)來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，調(diào)動用戶的多重感官，進而實現(xiàn)人機交互的功能，讓用戶產(chǎn)生身臨其境的感受[1]。目前，虛擬仿真技術(shù)可歸納為如下幾種類型：其一，桌面虛擬現(xiàn)實，該類型主要被應(yīng)用在日常學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中，計算機桌面是媒介，用戶通過操作鼠標(biāo)和鍵盤等控制器來連接虛擬世界。其二，沉浸式虛擬現(xiàn)實，該類型主要被應(yīng)用在各類體感游戲當(dāng)中，大眾比較熟悉的是借助眼鏡、頭盔等設(shè)備來進入虛擬環(huán)境，人們通過操縱手柄或者動作感知來實現(xiàn)人機交互。其三，增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實，該類型構(gòu)建的是真實與虛擬參半的環(huán)境，其在復(fù)雜事物關(guān)系的處理中有著很好的應(yīng)用。其四，分布式虛擬現(xiàn)實，該類型是把多個用戶統(tǒng)一集中到一個虛擬場景當(dāng)中，以完成某一項任務(wù)為目的，該類型在處理和模擬現(xiàn)實任務(wù)有著很強的應(yīng)用價值[2]。

2 基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的組成部分

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)，即工業(yè)機器人的眼睛。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)可分為兩大核心部分（即機器人控制部和視覺控制部），機器人控制部是對機器人進行控制，而視覺控制部則要同步控制攝像部和圖像處理部，多個部門緊密配合，相輔相成，借助機器人視覺系統(tǒng)來搜集相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息，經(jīng)過處理之后及時傳輸?shù)较乱画h(huán)節(jié)當(dāng)中[3]。

伴隨著工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的不斷成熟，當(dāng)前工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)所包含的構(gòu)件越來越完善。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)主要包括以下幾個組成部分：

（1）攝像頭和光學(xué)部件

攝像頭和光學(xué)部件（鏡頭），用于拍攝被檢測的物體。根據(jù)應(yīng)用，攝像頭可以基于如下標(biāo)準(zhǔn)，黑白、復(fù)合彩色（Y/C），RGB彩色，非標(biāo)準(zhǔn)黑白（可變掃描），步進掃描（progressive-scan）或線掃描。

（2）燈光

燈光的作用是照亮，為工業(yè)機器人拍攝提供充足的燈光條件，以保證拍攝圖像的質(zhì)量和效果。當(dāng)前工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)當(dāng)中所使用的燈光系統(tǒng)在形狀、亮度以及尺寸等方面都是不盡相同的，其也呈現(xiàn)出越發(fā)多元化的趨勢。

（3）部件傳感器

在工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)當(dāng)中，部件傳感器主要是以傳感器或者光柵的形式呈現(xiàn)。傳感器可以迅速感知和了解部件的靠近情況，并及時觸發(fā)信號。當(dāng)部件到達指定位置之后，傳感器便會通知視覺系統(tǒng)完成圖像的采集[4]。

（4）圖像采集卡

圖像采集卡一般會插在PC上，圖像采集卡的作用是把攝像頭和PC緊密連接到一起。圖像采集卡中的數(shù)據(jù)來源是攝像頭，通過轉(zhuǎn)化變成PC能夠處理的信息。與此同時，圖像采集卡還能夠與攝像頭參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容信號資源共享。

（5）PC平臺

在工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)當(dāng)中，最關(guān)鍵的組成部分之一便是計算機。目前，在檢測方面，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計多會選擇Pentium或者是更高等級的CPU。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)處理圖片的速度和計算機的運轉(zhuǎn)速度是成正比的，計算機速度越快，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)處理圖片所花費的時間就越短。因為生產(chǎn)制造過程中會出現(xiàn)各種干擾因素，諸如灰塵、振動或者熱輻射等等，因此，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)搭配的都是工業(yè)級的計算機[5]。

（6）檢測軟件

工業(yè)機器人的視覺檢測軟件，主要作用于程序的創(chuàng)建和執(zhí)行、圖像數(shù)據(jù)的處理以及作出通過或者未通過的決定。

3 選擇機器人視覺系統(tǒng)硬件時所遵循的原則

基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)實際性能如何在很大程度上取決于它的硬件，選擇什么樣的硬件會直接影響到視覺系統(tǒng)的效率。因此，在選擇機器人視覺系統(tǒng)硬件時必須要遵循如下原則：

3.1 根據(jù)應(yīng)用需求來選擇攝像頭

在選擇攝像頭時，需要將實際應(yīng)用需求放在首要位置上，一般會著重考慮如下幾點：其一，攝像頭選擇彩色還是黑白；其二，實際應(yīng)用中目標(biāo)或者部件的運動頻率；其三，圖像分辨率。

3.2 精心挑選光學(xué)元件和燈光

光學(xué)元件和燈光對機器視覺系統(tǒng)的影響是不容小覷的。如果選用了一個性能相對較低的光學(xué)元件和燈光，即使采用很好的機器人視覺系統(tǒng)，所顯示出的實際效果與搭配較好光學(xué)元件和燈光的低性能機器人視覺系統(tǒng)相比還是稍顯不足。光學(xué)元件的特點和作用就是為了提供較大可用范圍和比較清晰度的圖像，增加畫面清晰度。照明則是為了照亮需要測量或者檢測部分的關(guān)鍵特征。一般情況下，諸如紋理、顏色、外形、尺寸等因素都會在不同程度上影響著照明系統(tǒng)的設(shè)計效果。

3.3 圖像采集卡的選擇

在工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)當(dāng)中，采集卡是不可或缺的一個部件，圖像采集卡之所以在視覺系統(tǒng)設(shè)計中如此重要，其根本原因在于圖像采集卡直接決定著攝像頭的接口，或彩色、或黑白、或數(shù)據(jù)化、或模擬等。在工業(yè)機器人的實際使用中，圖像采集卡多被運用于測量任務(wù)當(dāng)中，而通過數(shù)字輸入圖像采集卡的主要目標(biāo)就是將攝像頭輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并送入PC中再作處理。

4 基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的特征和優(yōu)勢

關(guān)于工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的特征和優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）重復(fù)性

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)，可以按照既定要求和命令以同一種方式來反復(fù)無數(shù)次來完成檢測工作，不會出現(xiàn)疲憊的感覺，可以有效保證檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度。

（2）速度快

工業(yè)機器人可以在足夠短的時間內(nèi)快速完成產(chǎn)品檢測任務(wù)，尤其是在面對一些處在高速運動狀態(tài)的物體時，諸如檢測生產(chǎn)線上的物體時，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)也可保證檢測質(zhì)量，進而為提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提供保障。

（3）精準(zhǔn)度高

與人眼不同，人眼的局限性是非常大的，工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)內(nèi)在精準(zhǔn)度方面占據(jù)著絕對優(yōu)勢。如果依靠人眼來對各種各樣的產(chǎn)品來進行檢測，就算有顯微鏡或者放大鏡之類的設(shè)備來輔助，其檢測精準(zhǔn)度依然會受到質(zhì)疑。工業(yè)機器人來檢測產(chǎn)品則不同，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的精度可以高達千分之一英寸，由此可見其精準(zhǔn)度會有多高。

（4）客觀性

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)有著非常顯著的客觀性特征，工業(yè)機器人本身便是工具，它是沒有任何情緒變化的，只是在按照指令完成任務(wù)，所以，對檢測結(jié)果并不會產(chǎn)生主觀層面的影響。而人眼則不同，這也是人眼檢測中存在著一個致命性得到缺陷，人眼受大腦控制，所看到的內(nèi)容受情緒影響嚴(yán)重，而人是無法保持完全客觀冷靜狀態(tài)的，人情緒的變化會直接影響到檢測結(jié)果的可靠性[6]。

（5）性價比高

與人眼相比，工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)速度非常快，通常一臺普通的工業(yè)機器人可以承擔(dān)起多個人工所承受的任務(wù)量，而且工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用可保持持續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在沒有其他情況影響之下，工業(yè)機器人不需要停頓休息，也不會出現(xiàn)疲倦生病的情況，因此，可以在極大程度上提高生產(chǎn)效率。

總而言之，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率與自動化程度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，在一些人眼無法滿足檢測要求以及一些人工作業(yè)危險程度高的環(huán)境當(dāng)中，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛。

5 工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計要素分析

在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，工業(yè)機器人的視覺系統(tǒng)在產(chǎn)品檢測中的作用至關(guān)重要。工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計是否合理，視覺靈敏度是否能夠達標(biāo)，都會對產(chǎn)品檢測產(chǎn)生非常直接的影響。因此，在工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，設(shè)計人員需要重點考慮以下內(nèi)容：

5.1 打光的穩(wěn)定性

通常情況下，工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用可以歸為四個方面，分別是定位、測量、檢測以及識別。在這四個方面當(dāng)中，其對于光照穩(wěn)定性都有著比較高的要求，其中測量的要求最高，也是測量過程需要攻克的一個難題。一般，如果光照發(fā)生了10%～20%的變化，那么測量結(jié)果會偏差出1～2個像素，這與軟件無關(guān)，主要是因為光照自身所發(fā)生的的變化，使得圖像上邊緣位置隨之出現(xiàn)變化，因此，即使軟件功能再強大，也無法根除這一問題。設(shè)計人員只能從系統(tǒng)設(shè)計的角度來盡可能對環(huán)境光的干擾進行排除，以此來保證主動照明光源的發(fā)光穩(wěn)定性。除此之外，還有另外一種辦法，那就是更新硬件相機設(shè)備，提升硬件相機的分辨率，以此來提高精準(zhǔn)度，以抵抗環(huán)境的干擾。舉例說明：如果以前的相機對應(yīng)物空間尺寸是1個像素10 μm，待分辨率提升之后，其便可以變成1個像素5 μm，由此可以計算得出，其精度提升了近1倍，那么其抵抗外界環(huán)境干擾的能力自然提升了。

5.2 標(biāo)定

在高精度測量當(dāng)中，標(biāo)定是不可或缺的，通常會需要做出以下幾個標(biāo)定：其一，光學(xué)畸變標(biāo)定，但如果使用的是軟件鏡頭，那么可以根據(jù)實際情況不進行標(biāo)定。其二，物像空間的標(biāo)定，即對每一個像素所對應(yīng)空間的尺寸來進行計算。其三，投影畸變的標(biāo)定，即按照安裝位置誤差代表的圖形畸變校正。一般情況下，標(biāo)定算法都是針對物體的平面來進行，如果針對不是平面的物體，那么在標(biāo)定方面就會需要通過一些特別的算法來進行處理，一般的標(biāo)定算法便不再具有適用性。除此之外，還有一些標(biāo)定不方便使用標(biāo)定板，所以設(shè)計人員也需要采取特殊的標(biāo)定方式來進行處理。這也就意味著軟件中現(xiàn)有的標(biāo)定算法并不能夠滿足所有的標(biāo)定需求。

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)標(biāo)定目標(biāo)（見圖1）：通過工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)采集工作臺上物品的圖像，對獲取的圖像進行處理，使用閾值法對圖像進行分割。在獲得圖像輪廓的基礎(chǔ)上，通過輪廓的最小外接矩形計算物體的中心位置。

圖1 工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)標(biāo)定目標(biāo)

5.3 確定工件位置

不管是在線檢測還是離線檢測，在測量項目當(dāng)中，如果選擇全自動化檢測設(shè)備，那么最開始的步驟是尋找待測目標(biāo)物。當(dāng)待測目標(biāo)物出現(xiàn)時，需要對待測目標(biāo)物的位置進行精準(zhǔn)定位，即使用機械夾具，也無法保證待測目標(biāo)物每一次都出現(xiàn)在相同的位置，這時要利用定位功能，只有定位足夠精準(zhǔn)，測量工具才能夠找到正確位置，測量結(jié)果才能得到保障[7]。

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)位置補正（見圖2）： 伸到固定相機前對機器人把持的工件進行測量，將該工件正確放置到規(guī)定位置進行補正，即可實現(xiàn)抓取偏差補正的目的。

圖2 工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)位置補正

5.4 物體的運動速度

設(shè)計人員在設(shè)計工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)時，一定要考慮到物體的狀態(tài)，大多數(shù)物體并不是靜止等待檢測的，多數(shù)處在運動狀態(tài)，那么既然是運動狀態(tài)，就要充分考慮物體的運動速度。因此，設(shè)計人員需要考慮運動模糊對圖像精度的影響，并且要想辦法降低這一影響，盡量減少工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)出現(xiàn)誤差情況的概率。

6 基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果

6.1 提高了引導(dǎo)和定位的準(zhǔn)確度

基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)可以更加迅速且精準(zhǔn)地尋找到相應(yīng)位置和特定零件，先由視覺系統(tǒng)進行定位，再由機械手臂來完成抓取任務(wù)。

6.2 更詳細全面完成外觀檢測任務(wù)

基于虛擬仿真的工業(yè)機器人系統(tǒng)可以精準(zhǔn)檢測出產(chǎn)品質(zhì)量問題，高效完成外觀檢測任務(wù)[8]。比如檢測產(chǎn)品包裝是否存在缺陷、包裝是否符合既定標(biāo)準(zhǔn)等等。

6.3 實現(xiàn)了高精度檢測

基于虛擬仿真的工業(yè)機器人系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用在很大程度上提高了產(chǎn)品的精密度，完成了人眼無法檢測的任務(wù)，精密度可到達0.01～0.02 m甚至可達到u級。

7 結(jié)語

綜上所述，近些年基于虛擬仿真的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用范圍越來越廣泛，應(yīng)用價值也越來越高。作為工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計人員，需要充分考量多方因素，結(jié)合工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)實踐應(yīng)用情況，來進一步優(yōu)化和完善設(shè)計方案，提升工業(yè)機器人視覺設(shè)計系統(tǒng)的整體水平。