淺談工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)集成范文

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摘要：工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化生產(chǎn)線中重要的執(zhí)行裝置，傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和使用使得工業(yè)機(jī)器人的作用得到了有效提升。其中替代人眼功能的視覺(jué)傳感器，可用于為機(jī)器人控制器提供視覺(jué)信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行的智能化。本文提出了一種將視覺(jué)系統(tǒng)和仿真程序與工業(yè)機(jī)器人集成的方法，利用視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)物體并計(jì)算其在機(jī)器人工作環(huán)境中的位置。通過(guò)并行通信端口將目標(biāo)對(duì)象的信息發(fā)送給機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器利用提取到的目標(biāo)信息和仿真程序，控制機(jī)器人手臂對(duì)目標(biāo)進(jìn)行接近、抓取和定位。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)和集成方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；視覺(jué)系統(tǒng)；智能識(shí)別

1研究背景

“中國(guó)制造2025”指出，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。十八世紀(jì)中葉開(kāi)啟工業(yè)文明以來(lái)，世界強(qiáng)國(guó)的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒(méi)有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒(méi)有國(guó)家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是我國(guó)提升綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)的必由之路。新中國(guó)成立尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門(mén)類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國(guó)力，支撐世界大國(guó)地位。然而，與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。隨著科技的進(jìn)步，制造業(yè)與信息技術(shù)深度融合，各國(guó)都在加大科技創(chuàng)新力度，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)的自動(dòng)化程度不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在精度要求較高、危險(xiǎn)程度高、復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，都離不開(kāi)工業(yè)機(jī)器人的協(xié)助。噴漆、焊接、搬運(yùn)和碼垛等都是工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造環(huán)境中的典型應(yīng)用。如果沒(méi)有合適的傳感器，工業(yè)機(jī)器人將無(wú)法執(zhí)行這些任務(wù)，更無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境。視覺(jué)在人的感知和認(rèn)知中占有重要地位，在人們從外部世界獲得的各種信息中有80%來(lái)源于視覺(jué)。因此將視覺(jué)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，將使機(jī)器人具備對(duì)于外界環(huán)境的適應(yīng)能力，大大提高其工作效率和準(zhǔn)確度[1]。

2研究現(xiàn)狀

視覺(jué)傳感器作為機(jī)器視覺(jué)的來(lái)源，是動(dòng)態(tài)工作環(huán)境中常用的傳感器類型之一。高速處理器以及低成本低功耗相機(jī)的應(yīng)用普及，是視覺(jué)傳感器應(yīng)用快速發(fā)展的主要原因。視覺(jué)傳感器可以從圖像中提取相對(duì)大量的環(huán)境信息。因此，視覺(jué)傳感器被廣泛應(yīng)用于視覺(jué)信息的采集，這提升了機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的辨識(shí)能力。視覺(jué)系統(tǒng)一般由以下三部分組成：圖像采集，包括視覺(jué)傳感器的選擇（攝像頭）；圖像處理工具，包括圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言，如Matlab、C語(yǔ)言等；數(shù)據(jù)總線工具，包括實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制器之間接口連接的工具，例如USB、并行和串行端口。經(jīng)過(guò)多年的探索，許多研究人員已經(jīng)建立了一些基于視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)。我國(guó)研究人員提出的一種新的圖像識(shí)別方法，該方法通過(guò)改進(jìn)的霍夫變換對(duì)機(jī)器人工作空間中的物體進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。在這項(xiàng)研究中，使用機(jī)械手來(lái)抓取和移動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到的物體。Muhammedal等人提出了一種基于視覺(jué)的控制系統(tǒng)。他們提出的這種圖像處理方法，用于檢測(cè)物體的邊緣，然后在圖像中找到質(zhì)心。然而，這些方法還沒(méi)有考慮到將視覺(jué)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人控制器進(jìn)行集成[2]。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵是圖像傳感器、圖像處理工具和數(shù)據(jù)總線。本系統(tǒng)采用MI-SU1000C型高速工業(yè)攝像頭作為圖像傳感器。它拍攝的圖像分辨率高達(dá)1000萬(wàn)像素，圖像捕捉的最高速度可達(dá)每秒30幀。它通過(guò)高速USB接口與上位機(jī)相連。在機(jī)器人工作環(huán)境中，相機(jī)對(duì)于機(jī)器人的位置有兩種選擇，攝像頭既可以放置在固定位置，在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)保持靜止，也可以安裝在機(jī)器人手臂上跟隨它移動(dòng)。在本系統(tǒng)中，攝像頭被放置在一個(gè)固定的位置，可以看到機(jī)器人的工作空間。在本場(chǎng)景中，攝像機(jī)坐標(biāo)系與工作空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系是固定的，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)不發(fā)生變化。因此，相機(jī)像平面上的每一點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)世界中都是一個(gè)固定的位置。上位機(jī)安裝MATLAB和C++數(shù)據(jù)庫(kù)，用于圖像處理。MATLAB圖像庫(kù)可以直接用于分析圖像內(nèi)容，獲取目標(biāo)信息。本系統(tǒng)利用上位機(jī)的并行口和串行口向機(jī)器人控制器發(fā)送數(shù)字信號(hào)[3-4]。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)集成方法的有效性，研究表明，當(dāng)使用單一顏色的物體時(shí)，使用顏色分割方法可以獲得最佳的識(shí)別結(jié)果。而使用多種顏色對(duì)象時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)匹配和表面處理方法可以獲得更好的效果。對(duì)于產(chǎn)品的挑選、搬運(yùn)、包裝和品質(zhì)檢測(cè)可以作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一些潛在應(yīng)用領(lǐng)域。改進(jìn)視覺(jué)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)將作為該系統(tǒng)的未來(lái)研究方向，用以處理工作空間中的移動(dòng)的對(duì)象。在這種情況下，將需要考慮機(jī)器人相對(duì)于物體的運(yùn)動(dòng)速度等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[2]戴家鵬.工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的角色[J].Engineering，2018，4(4)：27-39.

[3]王靖宇，王霰禹，張科，等.工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2018，37(4)：575-580.

[4]王友發(fā).面向智能制造的多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配研究[D].南京：南京大學(xué)，2016.

作者：張明奎 單位：淄博職業(yè)學(xué)院