機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用研究

譚春林

（新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

1 機(jī)器視覺(jué)發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60 年代，機(jī)器視覺(jué)研究開(kāi)始興起，羅伯特等人的三維視覺(jué)研究為機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；20 世紀(jì)70 年代，機(jī)器視覺(jué)興起，大衛(wèi)·馬爾提出一種新的機(jī)器視覺(jué)理論，這是機(jī)器視覺(jué)的第一個(gè)重要理論框架，也是機(jī)器視覺(jué)理論的雛形。20 世紀(jì)80 年代，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了一股新的機(jī)器視覺(jué)理論，包括動(dòng)態(tài)視覺(jué)理論框架、視覺(jué)集成理論框架等。20 世紀(jì)90 年代，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)工業(yè)化的出現(xiàn)，大量的機(jī)器視覺(jué)公司建立，各種工業(yè)領(lǐng)域都有了機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用。我國(guó)在20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究。中國(guó)首次引入了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，并在南方的電子半導(dǎo)體工廠中得到了應(yīng)用。我國(guó)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展可以分成4 個(gè)時(shí)期：第1 個(gè)時(shí)期是在20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始的機(jī)器視覺(jué)，這一時(shí)期主要是技術(shù)和設(shè)備；第2 個(gè)時(shí)期為1999 ～2003 年，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)企業(yè)通過(guò)代理部分國(guó)外機(jī)器視覺(jué)企業(yè)系統(tǒng)整合服務(wù)和機(jī)器視覺(jué)的二次開(kāi)發(fā)；第3 個(gè)時(shí)期為2004 ～2007 年，在此期間，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)廠商由學(xué)習(xí)向自主研發(fā)轉(zhuǎn)變，并逐漸占領(lǐng)初級(jí)市場(chǎng)；第4 個(gè)時(shí)期是從2008 到現(xiàn)在高速發(fā)展時(shí)期，在這一時(shí)期，我國(guó)相關(guān)機(jī)器視覺(jué)設(shè)備公司紛紛出現(xiàn)，并迅速提高機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量和速度。根據(jù)中國(guó)機(jī)器視覺(jué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)的數(shù)據(jù)，2019 年，機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的銷(xiāo)售額超過(guò)了百億，以20%的速度增長(zhǎng)。

2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成

2.1 光源

光源是影響成像質(zhì)量的重要因素，它的作用是突出物體的特點(diǎn)，抑制不相關(guān)特征，提高被探測(cè)區(qū)域和未探測(cè)區(qū)域的反差，并保證光源有足夠的亮度和穩(wěn)定性，從而保證圖像的成像質(zhì)量。由于光源種類(lèi)繁多，為了獲得最佳的使用效果，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)光源。在選擇光源時(shí)，選擇不同的光源以達(dá)到反射的目的，并吸收不必要的光。

2.2 相機(jī)及鏡頭

相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵部件，它的作用是把接收的光線轉(zhuǎn)換成有秩序的電子信號(hào)。圖像傳感器是相機(jī)的核心感光元件，其主要包括兩類(lèi)：CCD 和CMOS。其最大的區(qū)別是芯片技術(shù)結(jié)構(gòu)的不同。CMOS 相機(jī)把采集的光線信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后把電子器件整合到一個(gè)芯片中，使得相機(jī)可以更快速地讀取圖像信息。CCD 攝像機(jī)不需要在晶片上安裝任何電子元件，而是利用晶片表面來(lái)捕獲光，所以對(duì)光非常敏感，適合在弱光環(huán)境下拍攝。此外，鏡頭是機(jī)器視覺(jué)的“眼球”，還是機(jī)械視覺(jué)的一部分。透鏡的選取直接影響圖像分辨率、對(duì)比度、景深等重要的成像參數(shù)，從而影響圖像的質(zhì)量?，F(xiàn)在，鏡頭正向著高分辨率、高光譜傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。

2.3 圖像采集處理

采集卡的功能是采集、壓縮、存儲(chǔ)、控制圖像的解析度，并以高速傳輸圖像信息。圖像處理是指對(duì)攝像機(jī)獲取的原始影像進(jìn)行多種處理，以突出圖像中的特征，并對(duì)不需要的信息進(jìn)行篩選。對(duì)于各種特征信息有多種處理方式，如圖像降噪、增強(qiáng)、分割和特征提取等。

2.4 機(jī)器視覺(jué)軟件

一般的視覺(jué)軟件可以根據(jù)功能劃分為兩大類(lèi)：（1）特殊功能（例如，金屬鑄件檢測(cè)、BGA 錫球檢測(cè)、液晶顯示器檢測(cè)）；（2）一般的功能（如測(cè)量、定位、實(shí)時(shí)反饋和分類(lèi)檢測(cè)）。

根據(jù)視覺(jué)軟件的著重點(diǎn)，可以劃分為3 個(gè)主要類(lèi)別：（1）可視覺(jué)圖形處理軟件（如OpenCV、Halcon、VisionPro)；（2）算法方面的視覺(jué)軟件（Matlab、LabVIEW)；（3）由攝像機(jī)SDK 開(kāi)發(fā)的視覺(jué)軟件（eVision）。當(dāng)前，使用最多的是Halcon、OpenCV、VisionPro 等。Halcon 擁有超過(guò)1400 個(gè)可被各種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言調(diào)用的獨(dú)立操作，并擁有獨(dú)有的底層數(shù)據(jù)管理、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、工業(yè)相機(jī)接口；另外，OpenCV 是一款開(kāi)源跨平臺(tái)電腦視覺(jué)庫(kù)，它能適應(yīng)各種不同的操作系統(tǒng)，并支持很多的程序設(shè)計(jì)，但是OpenCV 開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)；Vi sionPro 是美國(guó)Cognex公司開(kāi)發(fā)的一款圖像處理、拼接和標(biāo)定的視覺(jué)軟件，它的開(kāi)發(fā)速度很快，可以通過(guò)圖形化或API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分析

3.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的概念和工作原理分析

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（也就是分成CCD和CMOS）將目標(biāo)轉(zhuǎn)化成圖像信號(hào)，再通過(guò)特殊的圖象處理系統(tǒng)獲取目標(biāo)的外形信息，并根據(jù)像素分布、亮度、色彩等將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，而且，圖像處理系統(tǒng)可以獲得與目標(biāo)特性有關(guān)的資料，以決定設(shè)備的移動(dòng)。

機(jī)器人可以利用強(qiáng)大的運(yùn)算和仿真能力，使機(jī)器可以對(duì)周?chē)矬w做出類(lèi)似人類(lèi)的反應(yīng)，并對(duì)外部信息進(jìn)行細(xì)致的分析，然后進(jìn)行綜合處理，最后的結(jié)果反饋給機(jī)器人內(nèi)的電腦，該方法由可視覺(jué)傳感器獲取，可用于日常生產(chǎn)檢測(cè)、控制和觀察。目前，智能視覺(jué)識(shí)別技術(shù)中有一種比較成熟的3D 視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，它可以將圖像采集到計(jì)算機(jī)中，并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行分析、處理，再將其反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)操作。

3.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的作用分析

工業(yè)機(jī)器人作為一種非常具有代表性的現(xiàn)代技術(shù)，具有精準(zhǔn)、快捷、省時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在食品、家電、服裝、電子等行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。第一，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地判斷出物體的具體位置，從而準(zhǔn)確地捕捉到目標(biāo)。第二，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以利用它的識(shí)別能力獲得一幅圖像，然后進(jìn)行分析、處理，從而確定目標(biāo)和物體的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的追蹤和采集。第三，對(duì)各種產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的品質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，如產(chǎn)品尺寸、外觀缺陷等，完全解放了人工。第四，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，很多細(xì)小設(shè)備都是人們不易發(fā)現(xiàn)的，自動(dòng)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以對(duì)這些零件進(jìn)行有效的檢測(cè)。第五，能夠有效地進(jìn)行分類(lèi)和處理工作。如果用人工進(jìn)行分類(lèi)，將會(huì)有一些限制。因此，利用視覺(jué)機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)提高了工作效率和精確性，使工人得以解放。

4 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用分析

4.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)，主要是根據(jù)攝像機(jī)和機(jī)器人的具體位置來(lái)判斷。工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)分為兩大類(lèi)，一種是Eye-in-Hand，該系統(tǒng)包括機(jī)器人、控制器、控制系統(tǒng)和單眼視覺(jué)系統(tǒng)等，并對(duì)機(jī)器人手臂的觸碰進(jìn)行檢測(cè)；第二種是Eye-to-Hand，它會(huì)被固定在一個(gè)地方，在工作的過(guò)程中，它不會(huì)跟著機(jī)械臂一起移動(dòng)。根據(jù)上述兩種方法的比較，第一種方法會(huì)妨礙到機(jī)器人的視覺(jué)，從而導(dǎo)致機(jī)器人在移動(dòng)中出現(xiàn)較大的偏差，因此，在比較了兩種方法后，Eyein-Hand 機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)是最好的選擇。在工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中，它的視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，它可以通過(guò)2D 和3D 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在智能裝配中的應(yīng)用

首先，是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的探測(cè)。運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)要求在背景圖像中自動(dòng)提取物體。在這種情況下，機(jī)器人的分類(lèi)問(wèn)題主要有光流法、幀間差分法和背景差分法三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)利用這三種方法，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別。其次，是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的追蹤。利用多個(gè)目標(biāo)跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的跟蹤。具體來(lái)說(shuō)，就是對(duì)每幅圖像進(jìn)行一幀的分析。在每個(gè)畫(huà)面中都會(huì)檢測(cè)到一個(gè)移動(dòng)物體，然后對(duì)每個(gè)畫(huà)面中的像素進(jìn)行分類(lèi)，并建立一個(gè)目標(biāo)鏈。在接下來(lái)的幾個(gè)畫(huà)面中，不斷地進(jìn)行定位和識(shí)別，建立目標(biāo)鏈，以及建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的判定。在判定物體時(shí)，物體坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)之間有某種關(guān)聯(lián)，使物體在分類(lèi)時(shí)能正確地進(jìn)行相應(yīng)的定位，為以后的分類(lèi)工作提供借鑒，對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行跟蹤時(shí)，也要建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)模型，使機(jī)器人能夠快速、簡(jiǎn)單地做出判斷，從而簡(jiǎn)化工作，提高工作效率。

4.3 工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)識(shí)別應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人是當(dāng)今最具代表性的技術(shù)之一，它具有操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、省時(shí)等特點(diǎn)，在家電、電子、服裝、汽車(chē)、食品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于許多公司都在追求高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人就是在這樣的背景下誕生的，例如，京東自動(dòng)機(jī)器人，數(shù)以千計(jì)的機(jī)械人穿梭于各個(gè)貨架之間，分揀、投放、搬運(yùn)。

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)包括相機(jī)定位、圖像分析和處理、目標(biāo)狀態(tài)辨識(shí)和運(yùn)動(dòng)控制四大方面。首先，通過(guò)攝像機(jī)位置來(lái)確定物體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，得到物體的坐標(biāo)對(duì)所采集到的物體進(jìn)行圖像分析與處理，基于圖像分析方法，通過(guò)對(duì)物體狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的控制。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是現(xiàn)代工業(yè)與傳統(tǒng)工業(yè)相比的重大進(jìn)步和發(fā)展，它克服了傳統(tǒng)工業(yè)成本高、效率低、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，解放了人們的雙手，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的自動(dòng)化和智能化。

4.4 工業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)定位應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)根據(jù)具體產(chǎn)品的外形，利用影像處理技術(shù)，找出適當(dāng)?shù)牟蹲近c(diǎn)，并設(shè)定象素的坐標(biāo)，再用機(jī)器人手與眼連在一起，完成對(duì)工件抓取點(diǎn)定位。當(dāng)確定了一個(gè)空間捕捉點(diǎn)的戰(zhàn)略時(shí)，它的背景必須是固定的，它的工件是有機(jī)體，可以通過(guò)相應(yīng)的機(jī)器來(lái)提高它的形狀，這樣的抓取方法可以根據(jù)平面上的直線位置關(guān)系進(jìn)行定位。通過(guò)對(duì)參考數(shù)據(jù)中的灰色值和特定屬性，從工件邊沿剖面的特定角度進(jìn)行閾值分析，再將圓法和幾何法相結(jié)合，可以快速地獲得所需的資料，進(jìn)而二維化的抓取點(diǎn)進(jìn)行確定。為了對(duì)其進(jìn)行有效的分析，把它分成兩個(gè)部分，第一部分是曲面的分塊和多邊形擬合，它可以用工件形狀來(lái)決定中心，這樣就可以對(duì)圖形進(jìn)行邊緣化，工件的輪廓就會(huì)變得更加清晰。第二部分，通過(guò)與其對(duì)應(yīng)的幾何要素相結(jié)合，可以對(duì)工件的外形進(jìn)行簡(jiǎn)單的分割，例如，圓、線等。該方法不僅可以保留原始輪廓的相關(guān)信息，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行初始化處理，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件輪廓的擬合，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工件的輪廓進(jìn)行處理。

5 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)機(jī)器非接觸式測(cè)量，能夠在人不能操作或到達(dá)的地方，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)；它能探測(cè)肉眼看不到的紅外線和弱光探測(cè)，擴(kuò)展眼睛的視野。另外，機(jī)器人不會(huì)疲勞、工作時(shí)間長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、分析、處理和操作；采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以節(jié)約大量的人力，有效地減少企業(yè)生產(chǎn)成本，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了巨大的效益。例如，工廠內(nèi)噪聲太大時(shí)，機(jī)器視覺(jué)會(huì)被干擾，從而導(dǎo)致儀器靈敏度下降或者設(shè)備受損。由于工業(yè)生產(chǎn)中有些地方溫度較高、有些地方溫度較低，對(duì)機(jī)器設(shè)備的抗干擾性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，在圖像獲取過(guò)程中，由于光線較弱、圖像的提取、識(shí)別和分析都會(huì)受到一定的影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降影響加工準(zhǔn)確性和效率，如何解決這些問(wèn)題，改善設(shè)備的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的有效識(shí)別是當(dāng)前的一個(gè)重要課題。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的需求越來(lái)越大，它的發(fā)展也越來(lái)越深刻地影響著整個(gè)社會(huì)。目前，為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化必須依靠機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，所以工業(yè)制造技術(shù)的進(jìn)步，讓機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也隨之進(jìn)步。本文著重探討了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用，以期為機(jī)器視覺(jué)技術(shù)工作提供有益的借鑒，能夠打破簡(jiǎn)單的重組作業(yè)模式，適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展的需要。