一文詳解如何設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的眼睛視覺(jué)系統(tǒng)通常由以下構(gòu)成01攝像頭和光學(xué)部件這一類通常含有一個(gè)或多個(gè)攝像頭和鏡頭（光學(xué)部件），用于拍攝被檢測(cè)的物體。根據(jù)應(yīng)用，攝像頭可以基于如下標(biāo)準(zhǔn)，黑白、復(fù)合彩色（Y/C），RGB彩色，非標(biāo)準(zhǔn)黑白（可變掃描），步進(jìn)掃描（progressive-scan）或線掃描。02燈光燈光用于照亮部件，以便從攝像頭中拍攝到更好的圖像，燈光系統(tǒng)可以在不同形狀、尺寸和亮度。一般的燈光形式是高頻熒光燈、LED、白熾燈和石英鹵（quartz-halogen）光纖。03部件傳感器通常以光柵或傳感器的形式出現(xiàn)。當(dāng)這個(gè)傳感器感知到部件靠近，它會(huì)給出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)部件處于正確位置時(shí)，這個(gè)傳感器告訴機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)去采集圖像。04圖像采集卡也稱為視頻抓取卡，這個(gè)部件通常是一張插在PC上的卡。這張采集卡的作用將攝像頭與PC連接起來(lái)。它從攝像頭中獲得數(shù)據(jù)（模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)），然后轉(zhuǎn)換成PC能處理的信息。它同時(shí)可以提供控制攝像頭參數(shù)（例如觸發(fā)、曝光時(shí)間、快門速度等等）的信號(hào)。圖像采集卡形式很多，支持不同類型的攝像頭，不同的計(jì)算機(jī)總線。05PC平臺(tái)計(jì)算機(jī)是機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵組成部分。應(yīng)用在檢測(cè)方面，通常使用Pentium或更高的CPU。一般來(lái)講，計(jì)算機(jī)的速度越快，視覺(jué)系統(tǒng)處理每一張圖片的時(shí)間就越短。由于在制造現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)常有振動(dòng)、灰塵、熱輻射等等，所以一般需要工業(yè)級(jí)的計(jì)算機(jī)。06檢測(cè)軟件機(jī)器視覺(jué)軟件用于創(chuàng)建和執(zhí)行程序、處理采集回來(lái)的圖像數(shù)據(jù)、以及作出“通過(guò)/失?。≒ASS/FAIL）”決定。機(jī)器視覺(jué)有多種形式（C語(yǔ)言庫(kù)、ActiveX控件、點(diǎn)擊編程環(huán)境等等），可以是單一功能（例如設(shè)計(jì)只用來(lái)檢測(cè)LCD或BGA、對(duì)齊任務(wù)等等），也可以是多功能（例如設(shè)計(jì)一個(gè)套件，包含計(jì)量、條形碼閱讀、機(jī)器人導(dǎo)航、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等等）。07數(shù)字I/O和網(wǎng)絡(luò)連接一旦系統(tǒng)完成這個(gè)檢測(cè)部分，這部分必須能與外界通信，例如需要控制生產(chǎn)流程、將“通過(guò)/失敗（PASS/FAIL）”的信息送給數(shù)據(jù)庫(kù)。通常，使用一張數(shù)字I/O板卡和（或）一張網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與外界系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的通信。配置一個(gè)基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)認(rèn)真的計(jì)劃和注意細(xì)節(jié)能幫助你確保你的檢測(cè)系統(tǒng)符合你的應(yīng)用需求。如下是你必需考慮的幾點(diǎn)：確定你的目標(biāo),這可能是最重要的一步?jīng)Q定在這個(gè)檢測(cè)任務(wù)中你需要實(shí)現(xiàn)什么，檢測(cè)任務(wù)通常分為如下幾類：測(cè)量或計(jì)量讀取字符或編碼（條形碼）信息。檢測(cè)物體的狀態(tài)認(rèn)知和識(shí)別特殊的特性模式識(shí)別將物體與模板進(jìn)行對(duì)比或匹配為機(jī)器或機(jī)器人導(dǎo)航檢測(cè)流程可以包含只有一個(gè)操作或包含多個(gè)與檢測(cè)任務(wù)相關(guān)的任務(wù)。為了確認(rèn)你的任務(wù)，首先你應(yīng)該明確為了最大限度檢測(cè)部件你需要做的測(cè)試，也就是你能考慮到會(huì)出現(xiàn)的缺陷。為了明確什么哪個(gè)才是最重要的，最好做一張?jiān)u估表，列出“必須做”和“可以做”的測(cè)試。一旦主要的對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)滿意，隨后可以將更多的測(cè)試加進(jìn)去來(lái)改善檢測(cè)過(guò)程，一定要記住，添加測(cè)試的同時(shí)也會(huì)增加檢測(cè)的時(shí)間。確定你需要的速度

–系統(tǒng)檢測(cè)每一個(gè)部件需要多少時(shí)間？這個(gè)不只是由PC的速度決定，還受生產(chǎn)流水線速度的影響。很多機(jī)器視覺(jué)包含了時(shí)鐘/計(jì)時(shí)器，所以檢測(cè)操作的每一步所需要的時(shí)間都可以準(zhǔn)確測(cè)量，從這些數(shù)據(jù)，我們就可以修改我們的程序以滿足時(shí)間上的要求。通常，一個(gè)基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)每一秒可以檢測(cè)20-25個(gè)部件，與檢測(cè)部件的多少和處理程序以及計(jì)算機(jī)的速度有密切關(guān)系。聰明地選擇你的硬件一套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的性能與它的部件密切相關(guān)。在選擇的過(guò)程中，有很多捷徑特別在光學(xué)成像上可能很大程度降低系統(tǒng)的效率。如下是在選擇部件時(shí)你必須緊記的幾個(gè)基本原則：01攝像頭攝像頭的選擇與應(yīng)用的需求直接相關(guān)，通常考慮三點(diǎn)：a）黑白還是彩色；b）部件/目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)；c）圖像分辨率。在檢測(cè)應(yīng)用中大部分使用黑白攝像頭，因?yàn)楹诎讏D像能提供90%可視數(shù)據(jù)，并且比彩色便宜。彩色攝像頭主要用于一些需要分析彩色圖像的場(chǎng)合里。根據(jù)部件在檢測(cè)時(shí)是否移動(dòng)，決定我們選擇標(biāo)準(zhǔn)隔行掃描攝像頭還是逐行掃描攝像頭。另外，圖像的分辨率必須足夠高，以提供檢測(cè)任務(wù)需要的足夠的數(shù)據(jù)。最后，攝像頭必須質(zhì)量好和可以避免工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的振動(dòng)、灰塵和熱的影響。02光學(xué)部件和照明這個(gè)至關(guān)重要的因素往往被人所忽略。當(dāng)你使用一個(gè)很差的光學(xué)部件或照明，就算你使用最好的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，它表現(xiàn)出的性能甚至比不上一個(gè)配上良好光學(xué)部件和適當(dāng)照明的低能力系統(tǒng)。光學(xué)部件的目標(biāo)是產(chǎn)生最好和最大可用面積的圖像，并且提供最好的圖像分辨率。照明的目標(biāo)是照亮需要測(cè)量或檢測(cè)的部分的關(guān)鍵特征。通常，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由如下因素決定：顏色、紋理、尺寸、外形、反射率等等。03圖像采集卡雖然圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。使用模擬輸入的圖像采集卡，目標(biāo)是盡量不變地將攝像頭采集的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。使用不正確的圖像采集卡可能得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。工業(yè)用的圖像采集卡通常用于檢測(cè)任務(wù)，多媒體采集卡由于它通過(guò)自動(dòng)增益控制、邊沿增強(qiáng)和顏色增強(qiáng)電路來(lái)更改圖像數(shù)據(jù)，所以不用在這個(gè)領(lǐng)域里。使用數(shù)字輸入的圖像采集卡的目標(biāo)是將攝像頭輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸送到PC中作處理。01考慮各種變化：人類的眼睛和大腦可以在不同的條件下識(shí)別目標(biāo)，但是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)就不是這樣多才多藝了，它只能按程序編寫的任務(wù)來(lái)工作。了解你的系統(tǒng)能看到什么和不能看到什么能幫助你避免失?。ɡ鐚⒑玫牟考J(rèn)為是壞的）或其它檢測(cè)錯(cuò)誤。一般要考慮的包括部件顏色、周圍光線、焦點(diǎn)、部件的位置和方向和背景顏色的大變化。02正確選擇軟件：機(jī)器視覺(jué)軟件是檢測(cè)系統(tǒng)中的智能部分，也是最核心的部分。軟件的選擇決定了你編寫調(diào)試檢測(cè)程序的時(shí)間、檢測(cè)操作的性能等等。機(jī)器視覺(jué)提供了圖形化編程界面(通常稱為“Point&Click”)通常比其他編程語(yǔ)言(例如VisualC++)容易，但是在你需要一些特殊的特征或功能時(shí)有一定的局限性。基于代碼的軟件包，盡管非常困難和需要編碼經(jīng)驗(yàn)，但在編寫復(fù)雜的特殊應(yīng)用檢測(cè)算法具備更大的靈活性。一些機(jī)器視覺(jué)軟件同時(shí)提供了圖形化和基于代碼的編程環(huán)境，提供兩方面最好的特征，提供了很多靈活性，滿足不同的應(yīng)用需求。03通信和記錄數(shù)據(jù)：機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的總的目標(biāo)是通過(guò)區(qū)分好和壞的部件來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，這個(gè)系統(tǒng)需要與生產(chǎn)流水線通信，這樣才可以在發(fā)現(xiàn)壞的部件是做某種動(dòng)作。通常這些動(dòng)作是通過(guò)數(shù)字I/O板，這些板與制造流水線中的PLC相連，這樣壞的部件就可以跟好的部件分離。例如，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以與網(wǎng)絡(luò)連接，這樣就可以將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫(kù)，用于記錄數(shù)據(jù)以及讓質(zhì)量控制員分析為什么會(huì)出現(xiàn)廢品。在這一步認(rèn)真考慮將有助于將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)縫與生產(chǎn)流水線結(jié)合起來(lái)。需要考慮的問(wèn)題是：使用了什么類型的PLC，它的接口如何？需要什么類型的信號(hào)？現(xiàn)在使用或必須使用什么類型的網(wǎng)絡(luò)？在網(wǎng)絡(luò)上傳送的文件格式是什么？通常使用RS-232端口與數(shù)據(jù)庫(kù)通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的紀(jì)錄。為以后做準(zhǔn)備：當(dāng)你為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選擇部件時(shí)，時(shí)刻記住未來(lái)的生產(chǎn)所需和有可能發(fā)生的變動(dòng)。這些將直接影響你