視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中的應(yīng)用

視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中的應(yīng)用

Summary：智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，而工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造系統(tǒng)中最具代表性的重要生產(chǎn)裝備。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的以人控制機(jī)器制造產(chǎn)品的制造業(yè)已被以計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人制造產(chǎn)品代替了，生產(chǎn)效率得到大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量有了更加可靠的保障，制造成本也大幅下降。然而有許多因素正在阻礙機(jī)器人的普及，其中一個(gè)主要因素是：大多數(shù)機(jī)器人對周圍環(huán)境完全沒有感知能力或只有很低程度的感知能力，為此，本文就機(jī)器人視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用相關(guān)問題進(jìn)行分析探討。Keys：視覺系統(tǒng)；工業(yè)機(jī)器人；集成系統(tǒng)；應(yīng)用引言：隨著國家制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的不斷深入，目前我國已經(jīng)成為全世界最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場。與此同時(shí)，作為高端制造產(chǎn)業(yè)重要組成部分的工業(yè)機(jī)器人，其應(yīng)用場景也正在被不斷創(chuàng)新，以工業(yè)機(jī)器人為主體的自動(dòng)化生產(chǎn)線越來越多的被應(yīng)用到現(xiàn)代化生產(chǎn)制造過程，代替人工在危險(xiǎn)、惡劣等復(fù)雜的工作環(huán)境下完成關(guān)鍵生產(chǎn)工藝的操作，實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)精度，針對智能化工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)所涉關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。1、機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理和功能機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本原理是利用專業(yè)的圖像攝取裝置對目標(biāo)圖像信息進(jìn)行采集，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件和電荷耦合器件。該系統(tǒng)在對信息進(jìn)行初步的轉(zhuǎn)化后會(huì)傳輸?shù)较鄳?yīng)的處理系統(tǒng)中，由系統(tǒng)依照圖像的顏色、亮度、像素分布等信息將之轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后運(yùn)用多樣化的運(yùn)算方法抽取相應(yīng)的目標(biāo)特征值得到相應(yīng)的判斷結(jié)果，并將結(jié)果應(yīng)用到設(shè)備運(yùn)作控制中。機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。機(jī)器視覺系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、功能完善，還可以實(shí)現(xiàn)大量信息的有效存儲(chǔ)，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。圖1機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理1.2機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要功能（1）引導(dǎo)和定位，視覺定位要求機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測零件并確認(rèn)其位置，上下料使用機(jī)器視覺來定位，引導(dǎo)機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取。在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，設(shè)備需要根據(jù)機(jī)器視覺取得的芯片位置信息調(diào)整拾取頭，準(zhǔn)確拾取芯片并進(jìn)行綁定，這就是視覺定位在機(jī)器視覺工業(yè)領(lǐng)域最基本的應(yīng)用。（2）外觀檢測：檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無質(zhì)量問題，該環(huán)節(jié)也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。說機(jī)器視覺涉及到的醫(yī)藥領(lǐng)域，其主要檢測包括尺寸檢測、瓶身外觀缺陷檢測、瓶肩部缺陷檢測、瓶口檢測等。（3）高精度檢測：有些產(chǎn)品的精密度較高，達(dá)到0.01～0.02m甚至到u級，人眼無法檢測必須使用機(jī)器完成。（4）識別，就是利用機(jī)器視覺對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象?？梢赃_(dá)到數(shù)據(jù)的追溯和采集，在汽車零部件、食品、藥品等應(yīng)用較多。2、機(jī)器人視覺系統(tǒng)的構(gòu)成典型的工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)往往由圖像采集單元、信息處理單元以及最終的決策執(zhí)行單元組成，如下圖。

圖2機(jī)器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1圖像采集卡雖然圖像采集卡只是機(jī)器人視覺系統(tǒng)中的其中一部分，但是圖像采集卡同樣也起著非常重要的作用。攝像頭的接口就是由圖像采集卡來決定的，決定是黑白、彩色、模擬、數(shù)字等方面。圖像采集卡最普遍的就是PCI或AGP兩者都具備的捕獲卡，這種捕獲卡可以將圖像快速的傳到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。有些采集卡中有很多內(nèi)置的線路開關(guān)，可以跟8個(gè)不一樣的類型的攝像機(jī)進(jìn)行連接，之后就可以為采集卡傳送信息，采集卡就能了解到是哪一部攝像機(jī)拍下的圖像。2.2立體成像一張圖像其實(shí)就是通過一個(gè)場景折射出來的。因此，圖像就要與之相對應(yīng)的場景的每一處都要對應(yīng)上。但是，場景中有些點(diǎn)在折射的過程中已經(jīng)丟失，就沒有辦法從同一張圖像中獲取點(diǎn)，如果將同一個(gè)場景折射出兩幅圖像，那就可以把這兩幅圖像進(jìn)行對比，并找出兩張圖像中的不同之處的信息，兩張圖像之間的不同之處就是代表不同點(diǎn)之間的空間關(guān)系。工作人員可以把這兩幅圖像合并成一張三維圖像。進(jìn)行深度測量需要用到2.5維圖像，如果想要形成真正的三維圖像則需要很多圖像。2.3圖像信息處理圖像采集卡將成像系統(tǒng)獲取的圖像信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，完整的圖像像素描述包含了過多的冗余信息，本地或云端的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)將從數(shù)字信號中提取一些能夠表征圖像的特征信息，再依靠模式分類及深度學(xué)習(xí)等方法將特征抽象成更高層次的信息表達(dá)，完成對目標(biāo)的識別、分析與理解。這一階段開始，機(jī)器開始模擬人腦對圖像信息進(jìn)行分析與理解的功能，為控制系統(tǒng)進(jìn)一步的決策提供有價(jià)值的參考信息。2.4執(zhí)行單元信息處理單元通過對圖像內(nèi)容的分析與理解實(shí)現(xiàn)了對周圍環(huán)境的感知，之后最終的執(zhí)行單元——工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，會(huì)依據(jù)視覺系統(tǒng)根據(jù)周圍環(huán)境給出的決策信息，完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)狀態(tài)的識別、定位、跟蹤以及抓取、搬運(yùn)等一系列任務(wù)。3、視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中的應(yīng)用在進(jìn)行一些設(shè)備零件生產(chǎn)的時(shí)候，每個(gè)零件都有相對應(yīng)的字符編號，這些字符編號也是唯一可以進(jìn)行檢測的信息，如果僅靠人工對這些字符編號進(jìn)行檢測，不僅會(huì)需要大量的勞動(dòng)力，還會(huì)影響檢測效率，無法從根本上保證檢測的質(zhì)量。如果某些零件的編號出現(xiàn)錯(cuò)印或者重印，就有可能會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的有可能造成安全事故。因此，一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的用于字符提取、識別與錯(cuò)誤反饋于一體的檢測體統(tǒng)就非常有必要，也可以有效的提高零件出廠編號的檢測精度和自動(dòng)化水平，有效的保證生產(chǎn)質(zhì)量，解決實(shí)際的生產(chǎn)問題。3.1芯片選擇在某視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用的主要芯片是MC9S12DG128，它屬于16位的單片機(jī)，主要采用了增強(qiáng)型的CPU，其內(nèi)部的總線時(shí)鐘率較高，單片機(jī)內(nèi)的資源豐富，具有不同類型的轉(zhuǎn)換器等。有具體的進(jìn)行背景調(diào)試的模式，可以在任何情況下進(jìn)行系統(tǒng)完整的背景調(diào)試，其工作的效率也會(huì)有一個(gè)很大的提高。3.2圖像傳感器在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要的芯片除了MC9S12DG128單片機(jī)，還有圖像傳感器。選用的圖像傳感器是由美國某家著名的汽車設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)的，這種自帶圖像敏感陣列和轉(zhuǎn)換元件，而且能提供不同格式的圖像傳感器具有較強(qiáng)的圖像輸出速度和分辨率，能自動(dòng)增加圖像的效益，自動(dòng)進(jìn)行曝光，調(diào)節(jié)白平衡，通過具體的總線設(shè)置開發(fā)系統(tǒng)的圖像輸出功能。視覺系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器會(huì)按照一定的順序?qū)D像進(jìn)行科學(xué)合理的讀取，它允許接口電路簡單、讀取速度較快的動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。該系統(tǒng)采用的存儲(chǔ)器具有高速度、低能耗、容量大的特點(diǎn)，應(yīng)用在具體的視覺設(shè)計(jì)中具有非常好的實(shí)際意義。3.3運(yùn)動(dòng)平臺總體控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，主要是控制“脖子”俯仰運(yùn)動(dòng)和“眼睛”偏航運(yùn)動(dòng)的速度和位置精度，因此要對促使這些運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度和位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制。在設(shè)計(jì)的過程中，要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的位置和速度信息的閉環(huán)反饋，其控制方式為“電機(jī)+電機(jī)驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)控制卡”，這種控制方式采用的是一種全伺服閉環(huán)控制。它是通過增量式編碼器的反饋來對電機(jī)傳動(dòng)進(jìn)行失步檢測，一旦步進(jìn)電機(jī)由于外部干擾產(chǎn)生了失步現(xiàn)象，增量式編碼器便會(huì)調(diào)整電機(jī)重新恢復(fù)到正確的位置上。因此在本系統(tǒng)中，控制每一個(gè)自由度，都采用帶位置反饋的伺服系統(tǒng)。3.4應(yīng)用效果利用機(jī)器視覺技術(shù)的檢測系統(tǒng)做過多次實(shí)驗(yàn)，也測試了大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)整體可靠，對編號字符識別度非常高。通過應(yīng)用視覺檢測系統(tǒng)大大提高了零件的生產(chǎn)效率，完全可以取代人眼的檢測，還能節(jié)約大量的勞動(dòng)力。通過應(yīng)用視覺檢測系統(tǒng)不僅為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省人力成本，還大幅度提高了檢測準(zhǔn)確度，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，為機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠有效應(yīng)用類似生產(chǎn)線提供了經(jīng)驗(yàn)。結(jié)束語：綜上所述，工業(yè)機(jī)器人通過增加視覺系統(tǒng)很好的滿足特點(diǎn)場合的應(yīng)用，為替換人工操作奠定基礎(chǔ)，可大幅提升生產(chǎn)效率，提高良品率。機(jī)器人視覺技術(shù)應(yīng)用前景極為廣闊，目前應(yīng)用于生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，但我國發(fā)展滯后，在工業(yè)檢測中離實(shí)用化、商業(yè)化還有差距，因此亟待提高我國機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展速度和水平，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的智能化、現(xiàn)代化，為我國的現(xiàn)代化建設(shè)作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。Reference：[1]秦海