機器視覺系統(tǒng)的角度闡述機器人在機械自動化領(lǐng)域的應(yīng)用

游 洋

（湖南省岳陽市第一中學(xué)，岳陽 414000）

2018年10月11日，波士頓動力公司發(fā)布了人形機器人Atlas凌空三跳視頻，視頻中機器人Atlas在一個短程助跑后，先是越過了一個圓木障礙物，接著又凌空三跳，依次跳過三個從低到高的臺階，這一系列動作即使是真正人類來做難度系數(shù)也非常高。早在2017年11月，機器人Atlas就已經(jīng)具有較高的運動功能，它先是穩(wěn)穩(wěn)地跳上一個盒子，接著轉(zhuǎn)身完成了一個漂亮的后空翻動作，如圖1所示。

圖1 波士頓動力機器人Atlas表演后空翻

根據(jù)波士頓動力官方說法，機器人Atlas之所以進步如此之快，是因為在它身上使用了先進的機器視覺技術(shù)，從而使它在運動過程中，通過機器視覺技術(shù)識別周圍環(huán)境中的標(biāo)記物來確定自己所處的位置，計劃下一步將要站定的位置，最終精準(zhǔn)地落在預(yù)設(shè)位置并確保自己在復(fù)雜環(huán)境下運動也不會摔倒。

機器人Atlas設(shè)計初衷是執(zhí)行各類搜救任務(wù)，它的飛速進步使得我們看到了機器人為人類服務(wù)的可能，也看到了視覺系統(tǒng)對機器人技術(shù)發(fā)展的重要意義。機器視覺系統(tǒng)的主要功能是代替人眼來進行測量與判斷，如今機器視覺系統(tǒng)已被應(yīng)用在很多領(lǐng)域，后續(xù)的發(fā)展將更加深遠。

1 機器視覺系統(tǒng)的基本原理

人類的很多發(fā)明靈感都是來自于大自然，比如雷達的設(shè)計來源于蝙蝠、潛水艇設(shè)計靈感來自魚、直升飛機設(shè)計靈感來自蜻蜓等。機器視覺系統(tǒng)模型也是源自現(xiàn)實生活，那就是人類的視覺系統(tǒng)。機器視覺系統(tǒng)從圖像獲取、處理到執(zhí)行操作都是在模擬人類眼睛功能基礎(chǔ)上設(shè)計而來，其中主要包括光源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像采集與數(shù)字化、智能圖像處理與決策和控制執(zhí)行模塊等，具體工作過程如圖2所示。

圖2 機器視覺系統(tǒng)工作原理圖

機器視覺系統(tǒng)觀測目標(biāo)時的流程如下：當(dāng)目標(biāo)進入視野區(qū)后，機器視覺系統(tǒng)為了使被測目標(biāo)與其他不重要事物產(chǎn)生明顯區(qū)別，將會啟動自身配備光源，照射被測目標(biāo)；然后，圖像捕捉系統(tǒng)中的攝像頭錄制視頻，并一幀一幀地輸出到圖像采集系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)將輸入模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為處理器或計算機可以分析的數(shù)字信號，處理器或計算機對圖像數(shù)字信號進行處理、分析、識別，得出測量結(jié)果或邏輯控制值；最后，由控制執(zhí)行模塊執(zhí)行測量結(jié)果。

2 機器視覺系統(tǒng)的基本功能

在上述分析中，可以看出波士頓動力機器人Atlas已經(jīng)可以如同人類一般在在復(fù)雜環(huán)境下進行復(fù)雜的動作，這一切都要歸功于機器視覺系統(tǒng)。機器視覺系統(tǒng)使機器設(shè)備具備了類似人的視覺功能，能夠替代人工進行檢測，相比人工檢測，機器視覺系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，提高了產(chǎn)品合格率，并可持續(xù)提供有效檢測數(shù)據(jù)，替企業(yè)節(jié)省了開支。另外，在人類無法工作的危險環(huán)境或不能滿足人眼可視要求的環(huán)境下，利用機器視覺系統(tǒng)依然可以照常工作，有效保障工作進度，提高生產(chǎn)線自動化和柔性水平?？傊?，機器視覺系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，主要功能可總結(jié)為三個方面內(nèi)容。

2.1 非接觸測量功能

機器視覺系統(tǒng)鎖定檢測目標(biāo)后，通過光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像捕捉系統(tǒng)采集圖像信息，再通過處理器對圖像信息進行處理，最終對數(shù)據(jù)進行分析。整個操作過程，觀測者和被觀測目標(biāo)無需直接接觸，所以不會對任何一方造成影響，而且通過精密的計算系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)分析更加真實有效，提高了觀察結(jié)果的可靠性。

2.2 可視范圍廣功能

受外界環(huán)境條件限制，人眼可視光譜范圍有限，通常可見光波長范圍為400～760nm，其他波長范圍內(nèi)光線不能被看到；其次，人眼灰度分辨力差，一般只能分辨64個灰度級，再加上空間分辨率差，不能觀看微小的目標(biāo)；最后，人眼可觀測速度受限，無法看清較快速運動物體。

但機器視覺系統(tǒng)可視光譜范圍，除紫外線到紅外線光譜范圍外，還可識別X光，同時能識別256個灰度級。如果配備特殊光學(xué)鏡頭，還可以觀測小到微米大到天體的目標(biāo)。并且當(dāng)前機器視覺系統(tǒng)快門時間可達10μs，可以快速捕捉高速運動物體。

2.3 可長時間工作功能

機器視覺系統(tǒng)本身具備機械作業(yè)功能，即它只要能夠啟動，就可以進行工作。相比人類的勞動極限，機器視覺系統(tǒng)可以長時間、穩(wěn)定地工作。相比較人類無法長時間對同一個觀測目標(biāo)進行觀察，機器則不存在這個問題，在器件壽命允許的范圍內(nèi)，可進行長時間測量、分析、識別任務(wù)，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

3 機械自動化領(lǐng)域基于機器視覺的機器人應(yīng)用

機器視覺起源于20世紀50年代，但在我國起步較晚，所以我國機器視覺系統(tǒng)發(fā)展水平與世界國家相比有較大差距。但隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，如今中國已經(jīng)成為了機器視覺系統(tǒng)發(fā)展最活躍的國家之一，據(jù)《2013—2017年中國機器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測分析報告》數(shù)據(jù)顯示，我國機器視覺市場規(guī)模達到8.3億元，同比增長48.2%。可預(yù)計的是，隨著機器視覺技術(shù)的成熟與發(fā)展，該技術(shù)將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。下面筆者闡述不同行業(yè)機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用途徑。

3.1 制造機器人

制造機器人可以通過接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動作。因此制造機器人視覺系統(tǒng)工作原理就是機器人在接受示教時，內(nèi)置視覺處理器記錄依次記錄工作任務(wù)各個位置。，執(zhí)行后續(xù)獨立執(zhí)行任務(wù)時，機器人各個關(guān)節(jié)依次再現(xiàn)之前記錄位置，從而完成一系列動作。制造機器人應(yīng)用領(lǐng)域很多，如移動機器人，可以用來搬運電子、紡織、煙卷、醫(yī)療、食品和紙張等柔性物品，避免人工操作帶來的損耗；再例如點焊機器人，可用于汽車整車焊接工作，而且焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接；再比如真空機器人，這種機器人主要在真空環(huán)境下工作，目前主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)，實現(xiàn)了元器件在真空腔室內(nèi)的傳輸目標(biāo)。

3.2 服務(wù)機器人

服務(wù)機器人是機器人家族的一個小眾類別，但他應(yīng)用范圍卻十分廣泛，涉及領(lǐng)域包括維護保養(yǎng)、修理、運輸、清潔、保安、救援以及監(jiān)護等工作。有了機器視覺系統(tǒng)，服務(wù)機器人能夠幫助人類解決很多問題，比如護士助手機器人，可以幫助護士做一些簡單的事情，如運送醫(yī)療器材設(shè)備和藥品、為病人送飯、報表、信件，運送試驗樣品及試驗結(jié)果等等；再比如腦外科機器人，可以做腦外科手術(shù)，手術(shù)過程中無人為因素影響，操作更精準(zhǔn)；再比如清洗機器人，過去很多樓外的清洗工作都是由人工作業(yè)完成的，工作速度慢而且容易發(fā)生意外事故，造成人員傷亡。清洗機器人可以根據(jù)實際環(huán)境情況靈活自如地行走和擦洗，而且具有很高可靠性，大大降低了作業(yè)危險系數(shù)和成本。

3.3 軍事機器人

軍事機器人是為了應(yīng)對外來戰(zhàn)場，在未來戰(zhàn)場中，機器人戰(zhàn)士將成為主要兵力。戰(zhàn)爭發(fā)生時機器人士兵能適應(yīng)惡劣環(huán)境，更好地完成任務(wù)。很久以前，美國就曾經(jīng)將機器人部署到阿富汗，潛入漆黑洞穴拍攝照片并向外發(fā)送圖。目前也已經(jīng)可以在一些國家軍事行動中看到機器人的身影，部分國家也開始使用軍事機器人代替人工進行站崗、放哨、排雷除暴。此外軍事機器人還有很多其它應(yīng)用，比如步兵機器人，可以在戰(zhàn)場中通過任何障礙，并向敵方發(fā)射子彈；再比如背包機器人，能在巷戰(zhàn)環(huán)境中捕捉、分辨狙擊手細微動作。

3.4 農(nóng)業(yè)機器人

除了工業(yè)大國的身份，中國農(nóng)業(yè)發(fā)展也不可小覷，而在這個過程中，機器視覺系統(tǒng)也能夠發(fā)揮重要作用。比如水稻種子精選，通過機器視覺系統(tǒng)可以更精準(zhǔn)地對種子品質(zhì)進行檢測，判斷種子類型，檢測發(fā)霉、破損種子；再比如玉米粒計數(shù)機器人，可用通過機器視覺系統(tǒng)鎖定玉米穗?yún)^(qū)域，先提取玉米穗行，然后測量穗行粒數(shù)，最后統(tǒng)計在穗情況，給出分析結(jié)果；再比如插秧機器人，機器視覺系統(tǒng)先提取水田圖像及水田苗，然后確定水田苗行、列及田埂位置，進行插秧。農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用還有很多，比如水田管理機器人、水田微型除草機器人、旱田作業(yè)機器人等。

3.5 航空航天機器人

航空航天機器人可以代替人類進行宇宙探索工作。例如2013年11月26日，我國國防科技工業(yè)局宣布首輛月球車命名為“玉兔號”，該月球車是一個小型化、低功耗、高集成的機器人，它能夠在凹凸不平的月球表面行駛，完成了月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)；再例如日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)研制的Int-Ball，它是個很小的漂浮球體，可以記錄宇航員在國際空間站上的活動情況，并將其發(fā)給地面人員；再比如美國宇航局下屬的約翰遜航天中心設(shè)計制造的Robonaut 2，能夠在宇航員的指揮下執(zhí)行重復(fù)性、危險性較高的任務(wù)。

4 結(jié)語

機器視覺系統(tǒng)與人類視覺系統(tǒng)類似，可以快速獲取大量信息，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，處理分析數(shù)據(jù)。隨著機器視覺系統(tǒng)的發(fā)展，使得機器人在機械自動化領(lǐng)域中得到廣泛運用，比如制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等，不僅解放了社會勞動力，而且提升了生產(chǎn)效率。隨著機器視覺系統(tǒng)研究的日漸成熟，機器人將會更好地為人類社會發(fā)展做出貢獻。