23第二十三單元機(jī)器人的視覺王

1、第二十三單元機(jī)器人的視覺機(jī)器人用什么“看”世界呢？各種光電傳感器都是它的視覺，但是過于簡單。視覺信息是當(dāng)前智能機(jī)器人最重要的信息來源。這里主要介紹的是更接近人類視覺的頭傳感器。頭是一個(gè)獨(dú)特的裝置。在許多時(shí)候?qū)λ闹币暤乩斫饩褪翘幚硪曈X信息。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)頭傳感器，需要頭和計(jì)算機(jī)。這就相當(dāng)于的眼睛和大腦一起工作。頭捕捉圖像，計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。如此可知他的準(zhǔn)確率更高，而且更能適應(yīng)環(huán)境。讓制作一臺(tái)簡易的射擊機(jī)器人吧，它一定會(huì)使夢想成真！機(jī)器人視覺是研究計(jì)算機(jī)模擬生物宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。通俗地說，就是用機(jī)器代替人眼來作測量和判斷。典型的機(jī)器視覺系般包括如下部分：光源、鏡頭、CCd 照相機(jī)、圖像處理單元

2、（或圖像捕捉卡）、圖像處理、監(jiān)視器、通信/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像信號，而是經(jīng)過運(yùn)算處理之后的檢測結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。如PC 和PLC，是失火的檢測結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或 I/O 系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，如定位和分類。機(jī)器視覺極適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識(shí)，如零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度測量、零件識(shí)別、特性/字符識(shí)別等。其最大的應(yīng)用行業(yè)為汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝/食品/飲料、醫(yī)學(xué)等。如對汽車加工精度的檢查、高速貼片機(jī)上對電子元件的快速定位、對管腳數(shù)目的檢查、對 IC 表面印字符的辨識(shí)、膠囊生產(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查等等。樂高頭的

3、錄入頻率最高可達(dá) 30 楨/s，一次圖像效果讓人非常滿意。它還有內(nèi)置的麥克風(fēng)，用來聲音。頭的借口是容易插拔的 USB 接口。你可以對頭進(jìn)行編程控制，使它能夠檢測到光度、物體的運(yùn)動(dòng)，甚至顏色的變化。你還可以通過編程利用它做一個(gè)自動(dòng)警報(bào)器，或只用來錄下你不在家時(shí)室內(nèi)發(fā)生的事。樂高機(jī)器人視覺系統(tǒng)原理如圖 23-1 所示?！緢D】 （23-1）樂高機(jī)器人視覺系統(tǒng)原理頭的原理和特點(diǎn)閱讀與思考樂高頭具有以下功能：USB 接口（5m 長的連線）焦距可調(diào)內(nèi)置麥克風(fēng)最高速度 30 楨/s最大圖像尺寸 320 像素240 像素支持多種，包括 ROBOLAB、LEGO Cam software、MS NetMeeti

4、ng 等等。在任一級別的 ROBOLAB 編程環(huán)境中都可以使用樂高頭。當(dāng)需要使用時(shí)，可以打開一個(gè)多窗口，來顯示頭中看到的圖像。頭的接頭必須連接在電腦的 USB 接口上，頭本身可以在女裝在任何地方，包括運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人上面，或只固定在桌子上。由于頭是與電腦相連的，所以它的位置和運(yùn)動(dòng)都要受到它的電纜長度地限制。頭看到的圖像通過電纜傳輸?shù)接跋裰行牡拇翱谥小o論 RCX 是否運(yùn)行，頭上看到的圖像都是不停的更新的。頭是唯一不與 RCX 直接相連的傳感器，因?yàn)?RCX 無法直接處理圖像，只能借助計(jì)算機(jī)將頭捕捉的圖像轉(zhuǎn)變成一個(gè)數(shù)字/頭傳感器的值，然后將這個(gè)值保存到紅、黃、藍(lán)容器中，通過編程將數(shù)據(jù)傳到 RCX 中

5、。圖像處理過程如圖 23-2 所示利用頭捕捉圖象進(jìn)行圖象處理并將數(shù)據(jù)保存到容器中進(jìn)行編程，將數(shù)據(jù)到RCX 中，然后完成相應(yīng)的任務(wù)【圖】 （23-2）圖像處理ROBOLAB中提供了 8 種圖像處理方法，如圖 23-3在 ROBOLAB 中控制樂高頭【圖】 （23-3）圖像處理八種方法為什么需要視覺系統(tǒng)？據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類獲得的信息有90%以上的來自于視覺（眼睛），可見視覺對人類的重要性。做一個(gè)很簡單的試驗(yàn)，你先站立起來，然后閉上你的眼睛，現(xiàn)在，將你的一只腳提起，看一看你能支持多久，一般人很快就支持不住了，這是因?yàn)闆]有眼睛給你定位，如此簡單的一個(gè)動(dòng)作，同樣需要視覺，可以想象它的重要性。在很多領(lǐng)域里，機(jī)器

6、視覺同樣重要，在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺可以用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測、分類，機(jī)器人定位，包裝，在醫(yī)療領(lǐng)域里，機(jī)器視覺可以用于病理分析、細(xì)胞統(tǒng)計(jì)，在交通領(lǐng)域里，機(jī)器視覺可以用于集裝箱的管理、交通事故判別、無需停車的。圖23-4是一個(gè)工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)的系統(tǒng)圖：【圖】 （23-4）工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)補(bǔ)充閱讀在汽車焊接工廠里，大量使用機(jī)器人來焊接，效率大大提高，但是，如何檢測機(jī)器人焊接的質(zhì)量呢？同樣可以使用機(jī)器視覺系統(tǒng)。我曾經(jīng)參觀過一個(gè)啤酒瓶瓶蓋的生產(chǎn)現(xiàn)場，每一條生產(chǎn)線在1秒鐘就能生產(chǎn)40個(gè)瓶蓋，在這些瓶蓋中，有很小一部分質(zhì)量有問題，例如密封圈不全、瓶蓋印字不清楚等等。想象一下，如果使用人來檢驗(yàn)，需要多少個(gè)人

7、？100個(gè)？10000個(gè)？幸運(yùn)的是，使用機(jī)器視覺，只要一套就可以了。也許你不相信，一瓶啤酒生產(chǎn)出來，只要通過十套機(jī)器視覺系統(tǒng)瓶子質(zhì)量檢測、瓶蓋檢測、液面檢測在日常生活中，最常見的機(jī)器視覺系統(tǒng)就是超市中的條形碼閱讀機(jī)（幾乎每一個(gè)超市的工作都由它完成?。；顒?dòng)一、制作一個(gè)簡易的射擊機(jī)器人以頭作為眼睛，計(jì)算機(jī)作為大腦，RCX 作為小腦，進(jìn)行處理，尋找最亮點(diǎn)（靶心），并執(zhí)行射擊。參考圖 23-5。使用器材：PC 電腦，一臺(tái)樂高微電腦 RCX，一個(gè)樂高普通馬達(dá)，三個(gè)樂高頭傳感器，一個(gè)樂高積木，若干1、利用樂高積木搭建一個(gè)可以水平和垂【圖】 （23-5）射擊機(jī)器人直旋轉(zhuǎn)（不超過 180 度）的結(jié)構(gòu)。水平和

8、垂直執(zhí)行機(jī)構(gòu)各使用一個(gè)馬達(dá)。2、在此結(jié)構(gòu)前端固定樂高頭。3、在此結(jié)構(gòu)頂端設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)（可以利用彈簧，皮筋，氣動(dòng)等），用來發(fā)射“（最小塊樂高積木）”。使用一個(gè)樂高馬達(dá)。右側(cè)為參考圖。4、另準(zhǔn)備一個(gè)大一些的包裝紙盒，將其一面設(shè)計(jì)成靶環(huán)形狀。實(shí)踐與思考想想，試一試：看看發(fā)射結(jié)構(gòu)的角度應(yīng)該是怎樣才能達(dá)到最好的效果呢？5、在 PC 機(jī)上使用 ROBOLAB 編制和調(diào)試程序。（1）整體程序（如圖 23-6）【圖】 （23-6）總程序(2)水平尋找最亮點(diǎn)（如圖 23-7）【圖】 （23-7）水平尋找最亮點(diǎn)（3）垂直尋找最亮點(diǎn)（如圖 23-8）思考一：容器中為何減去 160？【圖】 （23-8）垂直尋找最

9、亮點(diǎn)分支結(jié)構(gòu)中選定-10 到 10，是給定一個(gè)搜尋范圍。調(diào)節(jié)左偏右偏得情況。(4)射擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖 23-9）【圖】 （23-9）(5)視覺中心需找最亮點(diǎn)（如圖 23-10）【圖】 （23-10）紅色容器為最亮點(diǎn)像素值，藍(lán)色容器為最亮點(diǎn)垂直坐標(biāo)（Y），黃色容器為最亮點(diǎn)水平坐標(biāo)（X）。6、利用射擊機(jī)器人組織一場射擊比賽（規(guī)則自定）思考二：紅黃藍(lán)容器在圖像處理方法 3 種表示什么含義？用自己的話講講機(jī)器視覺？說出 ROBOLAB 圖像處理的方法都有哪些？在 ROBOLAB 程序中標(biāo)注出藍(lán)色和黃色容器的含義？請說出程序的基本設(shè)計(jì)思路。：樂高組件和 ROBOLAB在工程學(xué)中的應(yīng)用思考題提示：一、因?yàn)闄C(jī)讀的圖像的尺寸是 320240, 靶心在圖像的正中心，所以水平方向上尋找時(shí)要減去 160，找圖像中心附近的點(diǎn)。垂直方向上要減去120。二頭是唯一不與 RCX 直接相連的傳感器，因?yàn)?