視覺系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中的應(yīng)用

秦海波 張建波

（濰坊派克漢尼汾過濾系統(tǒng)有限公司，濰坊 261031）

視覺引導(dǎo)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人引入視覺系統(tǒng)后的產(chǎn)物。它一般被應(yīng)用在車間零部件組裝以及物料處理等方面，可以通過攝像頭來采集圖像和目標(biāo)，并將所得信息坐標(biāo)位置傳輸給機(jī)器人，以確保其特定功能的實(shí)現(xiàn)。視覺技術(shù)的應(yīng)用賦予了工業(yè)機(jī)器人“眼睛”，通過視覺引導(dǎo)能夠提高機(jī)器人工作的靈活性，也可以對(duì)常見機(jī)械故障進(jìn)行檢測和預(yù)測，從而減少成本費(fèi)用。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理和功能

機(jī)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(duì)目標(biāo)圖像信息進(jìn)行采集，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）器件和電荷耦合器件（Charge Coupled Device， CCD）。該系統(tǒng)在對(duì)信息進(jìn)行初步的轉(zhuǎn)化后會(huì)傳輸?shù)较鄳?yīng)的處理系統(tǒng)中，由系統(tǒng)依照?qǐng)D像的顏色、亮度、像素分布等信息將之轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后運(yùn)用多樣化的運(yùn)算方法抽取相應(yīng)的目標(biāo)特征值得到相應(yīng)的判斷結(jié)果，并將結(jié)果應(yīng)用到設(shè)備運(yùn)作控制中。機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本原理如圖1 所示。機(jī)器視覺系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、功能完善，還可以實(shí)現(xiàn)大量信息的有效存儲(chǔ)，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量[1]。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先是外觀檢測。借助機(jī)器視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的有效監(jiān)測，尤其是能夠?qū)Ξa(chǎn)品的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測，這也是替代人工最為顯著的環(huán)節(jié)。其次是高精度檢測。部分產(chǎn)品對(duì)于生產(chǎn)精度有著極高的要求，而這種程度的精度誤差憑借人眼無法檢測出來，必須借助機(jī)器視覺系統(tǒng)完成。再次是引導(dǎo)定位。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以準(zhǔn)確找出需要測定的零件，從而明確其位置，將其應(yīng)用到上下料環(huán)節(jié)能夠幫助機(jī)器人更好地完成物料抓取、放下等操作。例如：在針對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行封裝處理的環(huán)節(jié)，機(jī)器人能夠通過視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確判斷芯片所處的位置，并以此完成拾取裝置角度和位置的微調(diào)，從而完成芯片的有效拾取及綁定。最后是識(shí)別操作。在機(jī)器視覺系統(tǒng)的輔助下，機(jī)器人可以針對(duì)圖像進(jìn)行深入細(xì)致的分析及處理，以適應(yīng)不同運(yùn)行模式的不同需求，完成多種對(duì)象的準(zhǔn)確識(shí)別，常見于食品、藥品等領(lǐng)域[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)中視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。第一，需要做好芯片的選擇。可以采用單片機(jī)作為系統(tǒng)主芯片，要求其能夠具備增強(qiáng)型中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和較高的總線時(shí)鐘率，并設(shè)置多種類型的轉(zhuǎn)換器。第二，應(yīng)該正確選擇圖像傳感器?？蓛?yōu)先采用一些附帶有圖像敏感陣列及轉(zhuǎn)換元件的圖像傳感器，確保其能夠具備較高的分辨率和圖像輸出速度，并且可以自動(dòng)進(jìn)行曝光和白平衡調(diào)節(jié)，從而配合相應(yīng)的總線設(shè)置完成圖像輸出功能。第三，應(yīng)該合理選擇存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器可以依照一定的順序，針對(duì)推向進(jìn)行讀取，一些讀取速度較快和接口線路比較簡單的動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行。第四，必須切實(shí)做好系統(tǒng)硬件的選擇和設(shè)計(jì)工作。單片機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到頻率的限制，而專業(yè)的攝像頭設(shè)備在圖片輸出方面有著較高的速度，要求每個(gè)像素信號(hào)都必須可以保持一定的時(shí)間。若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要利用相應(yīng)的芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖[3]。因此，選擇的芯片需要具備較大的容量，能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)信息，以確?？梢灾苯訌男酒瓿蓴?shù)據(jù)讀取等操作。相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。第五，應(yīng)該重點(diǎn)分析攝像頭的同步信號(hào)。攝像頭同步信號(hào)應(yīng)該依照一定的順序進(jìn)行合理分布。一幀圖像需要處于兩個(gè)相鄰的正向脈沖之間，若是高電平的情況，應(yīng)該將像素的掃描限定在一定時(shí)間內(nèi)，并利用像素同步信號(hào)來完成數(shù)據(jù)讀取作業(yè)。第六，需要采集相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)。采集完成后，可將圖像傳感器輸出的信號(hào)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，并依照具體的存儲(chǔ)要求設(shè)置時(shí)鐘脈沖，以確保信號(hào)能夠被引導(dǎo)到單片機(jī)輸入口。另外，必須在檢測到VSYNC 信號(hào)上跳后且在高電平情況下，數(shù)據(jù)的有效性才能得到保證。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.2.1 做好立體成像工作

存在于圖像中的每個(gè)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)場景中都有對(duì)應(yīng)，但是實(shí)施投射操作的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)距離信息丟失的情況，這是因?yàn)閺膯我坏膱鼍爸胁⒉荒苡行Й@取所有的信息。若兩幅圖像都針對(duì)同一個(gè)場景，可以此進(jìn)行對(duì)比分析，從而提取不同點(diǎn)位信息，體現(xiàn)點(diǎn)位的空間關(guān)系。人眼在完成兩幅圖像的自動(dòng)合并后可以得到三維圖像，但是機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取的立體圖像實(shí)際上并沒有真正實(shí)現(xiàn)三維立體，可以將其認(rèn)為是2.5 維圖像。在實(shí)施立體成像的過程中，測量精度會(huì)受到兩幅圖像角度的影響，而通過使用一個(gè)場景中多幅圖像的方式，能夠有效提高測量精度和測量效率[4]。

2.2.2 做好系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

若要做好運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總體控制方案的合理設(shè)計(jì)，要求技術(shù)人員把握好電機(jī)的實(shí)際位置和運(yùn)行速度，然后選擇全伺服閉環(huán)控制的方法，利用增量式編碼器反饋的信息來檢測電機(jī)傳動(dòng)過程中可能存在的失步情況。若電機(jī)確實(shí)因?yàn)橥獠恳蛩氐母蓴_發(fā)生了失步的問題，增量式編碼器能夠自動(dòng)進(jìn)行信息校正，確保電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.2.3 優(yōu)化圖像采集系統(tǒng)

圖像的采集可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)?？紤]到大量數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)算能力的要求，需要對(duì)單片機(jī)的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以切實(shí)發(fā)揮單片機(jī)的性能，提高圖像采集和處理的效率。在實(shí)際操作中，一方面應(yīng)該適當(dāng)減少圖像的數(shù)據(jù)量。系統(tǒng)傳感器本身有著可靠的圖像輸出功能，可以在其內(nèi)部設(shè)置寄存器來設(shè)置特定區(qū)域內(nèi)用戶關(guān)系的圖像信號(hào)，以減少需要處理的圖像數(shù)據(jù)量，降低后期處理難度，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能。另一方面，可以借助RFO 來異步讀寫圖像數(shù)據(jù)，并配合兩套相互獨(dú)立的讀寫指向，從而避免讀寫過程中的干擾問題。如果能夠在一開始就將圖像寫入存儲(chǔ)器，啟動(dòng)讀取動(dòng)作后，讀取環(huán)節(jié)可以減少單片機(jī)的資源消耗，提高工作效率[5]。

2.3 案例分析

以醫(yī)療耗材中的血袋為例，其表面的字符編號(hào)是非常重要的識(shí)別信息。在以往的生產(chǎn)中，大多采用人工檢測，但是因?yàn)樽址鄬?duì)較小且排列密集，不僅容易識(shí)別錯(cuò)誤，而且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低下的問題，無法保證檢測效果。如果血袋表面的編號(hào)出現(xiàn)了錯(cuò)印或者重印的情況，在使用過程中還可能引發(fā)醫(yī)療事故。針對(duì)這種情況，相關(guān)人員設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。它能夠針對(duì)血袋行的編號(hào)字符進(jìn)行提取和識(shí)別，且在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)反饋。與人工檢測的方式相比，它能夠極大地提高血袋編號(hào)檢測的精度和效率。結(jié)合該系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，針對(duì)得到的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果顯示：該系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)，對(duì)于血袋編號(hào)的識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.95%以上，將其應(yīng)用到血袋生產(chǎn)中能夠極大地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。相比以往的人工檢測，使用該系統(tǒng)后工作效率提高了80%，能夠節(jié)約30 多名檢測人員，且只需配備1 名系統(tǒng)運(yùn)行管理人員即可滿足生產(chǎn)需求。另外，機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用還能夠顯著提高檢測精度和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，可以為類似生產(chǎn)活動(dòng)中機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

3 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)可以通過視覺系統(tǒng)來適應(yīng)不同場合的運(yùn)行需求，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提升生產(chǎn)效率。在新的發(fā)展環(huán)境下，機(jī)器人視覺系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用前景，可以被應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)做好深入研究，進(jìn)一步提升其應(yīng)用效果。