李麗麗，熊倍華，賈海龍

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東順德528300；2.廣東省智能制造研究所廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510070；3.華南智能機(jī)器人創(chuàng)新研究院，廣東佛山528315）

高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

李麗麗1，熊倍華2，賈海龍3

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東順德528300；2.廣東省智能制造研究所廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510070；3.華南智能機(jī)器人創(chuàng)新研究院，廣東佛山528315）

研究了機(jī)器視覺技術(shù)在高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用。構(gòu)建攝像機(jī)標(biāo)定下的人機(jī)交互界面，針對(duì)有關(guān)圖像處理算法進(jìn)行分析，提出結(jié)合多目標(biāo)中心及角點(diǎn)結(jié)合輪廓特征識(shí)別的算法，從根本上解決當(dāng)前分揀作業(yè)過程中存在的問題，提升機(jī)器人分揀系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果。

高速機(jī)器人；機(jī)器視覺技術(shù)；分揀系統(tǒng)

由于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，人民生活水平不斷上升，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)已經(jīng)逐漸成為各個(gè)行業(yè)發(fā)展的共同方向。將機(jī)器人等想法與傳統(tǒng)食物產(chǎn)業(yè)融合，能夠確保食物在生產(chǎn)過程中的安全性，同時(shí)也能夠提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前機(jī)器視覺技術(shù)普遍存在可靠性高、非接觸測量以及柔性好等特征，并已經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)、視覺導(dǎo)航以及工業(yè)自動(dòng)化中有了廣泛應(yīng)用。

1 高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)的組成部分

文章基于六自由度機(jī)械臂，構(gòu)建了以視覺、工件平臺(tái)及機(jī)器人控制為主要部分的機(jī)器視覺分揀系統(tǒng)。其中視覺單元由CCD攝像機(jī)、支架及軟件構(gòu)成。在系統(tǒng)運(yùn)作過程中，通過支架懸掛的單目攝像機(jī)，將試驗(yàn)臺(tái)上的工件視圖像記錄下來，隨后將目標(biāo)種類識(shí)別顯示出來，并計(jì)算設(shè)施的擺放方向與質(zhì)心。最后基于物理或圖像坐標(biāo)系間的關(guān)聯(lián)性，明確目標(biāo)的方向及位置，并將計(jì)算參數(shù)傳輸至控制柜。工件平臺(tái)包括工件放置槽及放置臺(tái)。而工件放置平臺(tái)的顏色能夠幫助金屬工件出現(xiàn)顯著的顏色反差，便于進(jìn)行計(jì)算，而工件放置槽的作用在于放置不同用途的工件。機(jī)器人控制單元主要包括六軸機(jī)械臂以及控制柜。該內(nèi)容主要是用于參數(shù)的分析，并結(jié)合分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)施相關(guān)操作，從而更好地完成分揀、放置等動(dòng)作。如圖1所示。

圖1 高速并聯(lián)機(jī)器人自動(dòng)分裝系統(tǒng)

機(jī)器人分裝系統(tǒng)普遍分為上位機(jī)控制體系與下位機(jī)控制體系兩種。這里的上位機(jī)工控機(jī)通過工業(yè)相機(jī)將搜集到的運(yùn)動(dòng)食品圖像傳輸?shù)狡?，隨后運(yùn)用機(jī)器視覺算法的方式，針對(duì)運(yùn)動(dòng)食品展開跟蹤、定位與分級(jí)等工作；上述操作完成后，下位機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，進(jìn)而將食品分裝入包裝箱內(nèi)。

2 高速機(jī)器人分揀系統(tǒng)機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

2.1 攝像機(jī)標(biāo)定及圖像預(yù)處理

作為視覺系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵性步驟，攝像機(jī)標(biāo)定存在的目的就是構(gòu)建二維世界與三維世界間的對(duì)應(yīng)性關(guān)聯(lián)。攝像機(jī)標(biāo)定在實(shí)現(xiàn)過程中具備多種方式，如直接線性發(fā)、兩步攝像機(jī)標(biāo)定法等。本文主要運(yùn)用OpenCV算法庫實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的攝像機(jī)標(biāo)定算法。結(jié)合棋盤格構(gòu)建標(biāo)定需要的模板，同時(shí)從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行拍攝，從而獲取多個(gè)不同位置的目標(biāo)圖像，根據(jù)圖像點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)性關(guān)聯(lián)將攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)分別標(biāo)注出來。通過這一方法實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)系向圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變。整個(gè)標(biāo)注過程分別用到：圖像坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系。

在實(shí)施圖像預(yù)處理時(shí)，其目標(biāo)就是對(duì)圖像數(shù)據(jù)的信噪比進(jìn)行提升，從而抑制背景噪聲。而圖像預(yù)處理結(jié)果將直接影響到對(duì)機(jī)械工作的角度、面積、邊緣、物體質(zhì)心等特點(diǎn)的獲取。在進(jìn)行邊緣檢測時(shí)，主要采用檢測算子包括Laplacian、Canny、Sobei等，其中Canny算子具備更為優(yōu)質(zhì)的信噪比，在噪聲環(huán)境下產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的檢測成效，能夠適應(yīng)更多環(huán)境下的邊緣檢測措施。本次研究基于Canny邊緣檢測算子[1]。基于Canny算子實(shí)施預(yù)處理之前，需要對(duì)二值圖像進(jìn)行膨脹處理，讓其邊緣更具顯著性利于后期觀察。

2.2 角點(diǎn)檢測方式與Hough圓檢測方法

常規(guī)圖像識(shí)別方式包括模板匹配、SIFT匹配以及角點(diǎn)匹配。雖然運(yùn)用完善后的SIFT圖像插值技術(shù)能夠大幅度提升降維處理的速率，精準(zhǔn)地描述向量特征，不過目前幾何分揀系統(tǒng)表面存在的特征性向量，很多都無法使用SIFT算子完成特征識(shí)別行為。本文在完成圓形工件的檢測之后，運(yùn)用角點(diǎn)檢測方式對(duì)多邊形工件特征進(jìn)行數(shù)據(jù)信息提取。角點(diǎn)主要是水平與數(shù)值兩個(gè)不同方向具備極大變化性的點(diǎn)，目前具備成熟度的角點(diǎn)檢測方法包括Susan、Shi-Tomasi以及Harris算法。本次研究運(yùn)用Harris算法進(jìn)行角點(diǎn)檢測，促使圖像旋轉(zhuǎn)及灰度變化具備極高的穩(wěn)定性。

一般情況下，在進(jìn)行圖像預(yù)處理之后，將實(shí)施圖像特征識(shí)別及提取。若檢測過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)工件形狀為圓形，說明該工件不存在角點(diǎn)，則不能使用角點(diǎn)檢測方法，所以此時(shí)需要使用Hough圓檢測方法對(duì)其進(jìn)針對(duì)性、有效的識(shí)別。Hough變化原則就是運(yùn)用參數(shù)及圖像空間間存在的對(duì)應(yīng)性關(guān)聯(lián)，結(jié)合參數(shù)空間實(shí)施簡易的統(tǒng)計(jì)累加行為從而完成檢測任務(wù)。同時(shí)連接部分邊界不連續(xù)的邊緣，具備一定的抗噪音干擾能力。

2.3 幾何中心計(jì)算、輪廓的找尋與逼近

在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分揀操作過程中，首先需要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)識(shí)別分揀工件的定位，常規(guī)使用質(zhì)心坐標(biāo)對(duì)工件位置信息進(jìn)行描述。不過在進(jìn)行多目標(biāo)質(zhì)心計(jì)算之前，需要明確群目標(biāo)集合中心的計(jì)算方法，確保其簡單性。

Canny邊緣檢測算法能夠基于像素的差異性對(duì)圖像輪廓的邊界像素進(jìn)行檢測，不過檢測過程中并非將輪廓視為一個(gè)整體，而是分開檢測[2]。在Canny算子檢測方法下獲取的圖像目標(biāo)輪廓，隨之通過二值圖像實(shí)現(xiàn)輪廓的整體研究，將其歸納成為一個(gè)明確的系列點(diǎn)，也就是將其轉(zhuǎn)化為圖像目標(biāo)工件中的一個(gè)外圍曲線。在OpenCV之中通過二叉樹將輪廓表示出來，便于輪廓實(shí)現(xiàn)二次恢復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)繪制出多邊形并實(shí)施相應(yīng)的形狀分析行為的過程中，需要對(duì)留存在來的輪廓進(jìn)行精準(zhǔn)的多邊形去下逼近措施。而實(shí)現(xiàn)逼近的目的就是獲取逼近角點(diǎn)或是目標(biāo)輪廓。最后通過坐標(biāo)公式等多種計(jì)算方式，對(duì)目標(biāo)角點(diǎn)進(jìn)行分類，明確其數(shù)量。

3 結(jié)束語

通過本次研究發(fā)現(xiàn)，基于多種幾何工件目標(biāo)，視覺系統(tǒng)具備極高的穩(wěn)定性。而該部分識(shí)別圖像以黑色為背景，借助反差這一作用對(duì)金屬工件進(jìn)行預(yù)處理。在多種技術(shù)的支持下，促使機(jī)器人分揀系統(tǒng)更加優(yōu)質(zhì)、完善。

[1]蔣書賢，李春茂，楊潤芝，周欣.基于機(jī)器視覺的平面規(guī)則幾何工件分揀方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015（05）：34-35.

[2]鄒騰躍，唐小琦，宋寶，陳吉紅.基于形狀內(nèi)容分析的機(jī)器人物料分揀系統(tǒng)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（05）：67-69.

Application of High-Speed Sorting Systems Robot Machine Vision Technology

LI Li-li1，XIONG Bei-hua2，JIA Hai-long3
（1.Shunde Polytechnic，Shunde Guangdong 528300，China；2.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing，Guangzhou Guangdong 510070，China；3.South China Robotics Innovation Research Institute，F(xiàn)oshan Guangdong 528315，China）

In this paper，the application of machine vision technology in high speed robot sorting system is studied in this paper.Construction of camera calibration under the man-machine interface，according to the analysis of the image processing algorithm，combining with the multi target center and corner based on contour feature recognition algorithm to solve the existing problems in the process of sorting operations fundamentally.The overall operation effect of the robot sorting system.

high-speed robot；machine vision technology；sorting systems；application

B

2016-08-07

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B010917001）；廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015B090922008）；廣東省粵港共性技術(shù)招標(biāo)項(xiàng)目（2013B010134009）；佛山市機(jī)電專業(yè)群開放課題（2015-KJZX133）

李麗麗（1981-），女，吉林磐石人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)器視覺、人工智能、圖像處理，大數(shù)據(jù)；熊倍華（1974-），男，江西南昌人，本科，工程師，研究方向：機(jī)器人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；賈海龍（1990-），男，河南鄭州人，研究生，碩士，研究方向：機(jī)器人，控制與視覺。