視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人集成系統(tǒng)中的應用

視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人集成系統(tǒng)中的應用

Summary：智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術，而工業(yè)機器人是先進制造系統(tǒng)中最具代表性的重要生產(chǎn)裝備。隨著科學技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的以人控制機器制造產(chǎn)品的制造業(yè)已被以計算機控制的機器人制造產(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器人的普及，其中一個主要因素是：大多數(shù)機器人對周圍環(huán)境完全沒有感知能力或只有很低程度的感知能力，為此，本文就機器人視覺系統(tǒng)的設計應用相關問題進行分析探討。Keys：視覺系統(tǒng)；工業(yè)機器人；集成系統(tǒng)；應用引言：隨著國家制造業(yè)轉型升級的不斷深入，目前我國已經(jīng)成為全世界最大的工業(yè)機器人應用市場。與此同時，作為高端制造產(chǎn)業(yè)重要組成部分的工業(yè)機器人，其應用場景也正在被不斷創(chuàng)新，以工業(yè)機器人為主體的自動化生產(chǎn)線越來越多的被應用到現(xiàn)代化生產(chǎn)制造過程，代替人工在危險、惡劣等復雜的工作環(huán)境下完成關鍵生產(chǎn)工藝的操作，實現(xiàn)更高的生產(chǎn)精度，針對智能化工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)所涉關鍵技術進行研究，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。1、機器視覺系統(tǒng)的原理和功能機器視覺系統(tǒng)的基本原理是利用專業(yè)的圖像攝取裝置對目標圖像信息進行采集，如互補金屬氧化物半導體器件和電荷耦合器件。該系統(tǒng)在對信息進行初步的轉化后會傳輸?shù)较鄳奶幚硐到y(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化成數(shù)字信號，然后運用多樣化的運算方法抽取相應的目標特征值得到相應的判斷結果，并將結果應用到設備運作控制中。機器視覺系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。機器視覺系統(tǒng)的最大特點是反應迅速、功能完善，還可以實現(xiàn)大量信息的有效存儲，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質量。圖1機器視覺系統(tǒng)的原理1.2機器視覺系統(tǒng)的主要功能（1）引導和定位，視覺定位要求機器視覺系統(tǒng)能夠快速準確的找到被測零件并確認其位置，上下料使用機器視覺來定位，引導機械手臂準確抓取。在半導體封裝領域，設備需要根據(jù)機器視覺取得的芯片位置信息調整拾取頭，準確拾取芯片并進行綁定，這就是視覺定位在機器視覺工業(yè)領域最基本的應用。（2）外觀檢測：檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無質量問題，該環(huán)節(jié)也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。說機器視覺涉及到的醫(yī)藥領域，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，達到0.01～0.02m甚至到u級，人眼無法檢測必須使用機器完成。（4）識別，就是利用機器視覺對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象。可以達到數(shù)據(jù)的追溯和采集，在汽車零部件、食品、藥品等應用較多。2、機器人視覺系統(tǒng)的構成典型的工業(yè)機器人視覺系統(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機器人視覺系統(tǒng)結構圖2.1圖像采集卡雖然圖像采集卡只是機器人視覺系統(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算機存儲器，然后通過計算機進行分析處理。有些采集卡中有很多內置的線路開關，可以跟8個不一樣的類型的攝像機進行連接，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拍下的圖像。2.2立體成像一張圖像其實就是通過一個場景折射出來的。因此，圖像就要與之相對應的場景的每一處都要對應上。但是，場景中有些點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，如果將同一個場景折射出兩幅圖像，那就可以把這兩幅圖像進行對比，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之間的空間關系。工作人員可以把這兩幅圖像合并成一張三維圖像。進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)獲取的圖像信息轉換為計算機能夠識別的數(shù)字信號，對于計算機系統(tǒng)而言，完整的圖像像素描述包含了過多的冗余信息，本地或云端的計算機處理系統(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習等方法將特征抽象成更高層次的信息表達，完成對目標的識別、分析與理解。這一階段開始，機器開始模擬人腦對圖像信息進行分析與理解的功能，為控制系統(tǒng)進一步的決策提供有價值的參考信息。2.4執(zhí)行單元信息處理單元通過對圖像內容的分析與理解實現(xiàn)了對周圍環(huán)境的感知，之后最終的執(zhí)行單元——工業(yè)機器人系統(tǒng)，會依據(jù)視覺系統(tǒng)根據(jù)周圍環(huán)境給出的決策信息，完成相應的動作，實現(xiàn)對目標狀態(tài)的識別、定位、跟蹤以及抓取、搬運等一系列任務。3、視覺系統(tǒng)在工業(yè)機器人集成系統(tǒng)中的應用在進行一些設備零件生產(chǎn)的時候，每個零件都有相對應的字符編號，這些字符編號也是唯一可以進行檢測的信息，如果僅靠人工對這些字符編號進行檢測，不僅會需要大量的勞動力，還會影響檢測效率，無法從根本上保證檢測的質量。如果某些零件的編號出現(xiàn)錯印或者重印，就有可能會影響設備的正常運行，嚴重的有可能造成安全事故。因此，一種基于機器視覺技術的用于字符提取、識別與錯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化水平，有效的保證生產(chǎn)質量，解決實際的生產(chǎn)問題。3.1芯片選擇在某視覺系統(tǒng)的設計中，采用的主要芯片是MC9S12DG128，它屬于16位的單片機，主要采用了增強型的CPU，其內部的總線時鐘率較高，單片機內的資源豐富，具有不同類型的轉換器等。有具體的進行背景調試的模式，可以在任何情況下進行系統(tǒng)完整的背景調試，其工作的效率也會有一個很大的提高。3.2圖像傳感器在具體的系統(tǒng)設計中，主要的芯片除了MC9S12DG128單片機，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計公司生產(chǎn)的，這種自帶圖像敏感陣列和轉換元件，而且能提供不同格式的圖像傳感器具有較強的圖像輸出速度和分辨率，能自動增加圖像的效益，自動進行曝光，調節(jié)白平衡，通過具體的總線設置開發(fā)系統(tǒng)的圖像輸出功能。視覺系統(tǒng)中的存儲器會按照一定的順序對圖像進行科學合理的讀取，它允許接口電路簡單、讀取速度較快的動作同時進行。該系統(tǒng)采用的存儲器具有高速度、低能耗、容量大的特點，應用在具體的視覺設計中具有非常好的實際意義。3.3運動平臺總體控制系統(tǒng)方案的設計在機器視覺系統(tǒng)中，主要是控制“脖子”俯仰運動和“眼睛”偏航運動的速度和位置精度，因此要對促使這些運動的驅動電機速度和位置進行準確控制。在設計的過程中，要實現(xiàn)對電機的位置和速度信息的閉環(huán)反饋，其控制方式為“電機+電機驅動器+電機控制卡”，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傳動進行失步檢測，一旦步進電機由于外部干擾產(chǎn)生了失步現(xiàn)象，增量式編碼器便會調整電機重新恢復到正確的位置上。因此在本系統(tǒng)中，控制每一個自由度，都采用帶位置反饋的伺服系統(tǒng)。3.4應用效果利用機器視覺技術的檢測系統(tǒng)做過多次實驗，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)約大量的勞動力。通過應用視覺檢測系統(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確度，提高了生產(chǎn)自動化程度，為機器視覺系統(tǒng)能夠有效應用類似生產(chǎn)線提供了經(jīng)驗。結束語：綜上所述，工業(yè)機器人通過增加視覺系統(tǒng)很好的滿足特點場合的應用，為替換人工操作奠定基礎，可大幅提升生產(chǎn)效率，提高良品率。機器人視覺技術應用前景極為廣闊，目前應用于生產(chǎn)生活各領域，但我國發(fā)展滯后，在工業(yè)檢測中離實用化、商業(yè)化還有差距，因此亟待提高我國機器視覺技術的發(fā)展速度和水平，達到工業(yè)生產(chǎn)的智能化、現(xiàn)代化，為我國的現(xiàn)代化建設作出應有貢獻。Reference：[1]秦海