丁然 胡穎雁

摘 要：工業(yè)機(jī)器人專業(yè)性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。得益于機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人控制引導(dǎo)技術(shù)功能也日趨完善。但是，其研究過程復(fù)雜，涉及的專業(yè)技術(shù)內(nèi)容較多，對研究人員提出了極高的要求。本文主要論述工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成及標(biāo)定，并以此為載體對目標(biāo)物體進(jìn)行識別及定位跟蹤，以期達(dá)到良好的系統(tǒng)應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；視覺引導(dǎo)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0014-02

Research on Key Technologies of Vision Guidance for Industrial Robots

DING Ran HU Yingyan

（Chizhou Vocational and Technical College，Chizhou Anhui 247000）

Abstract： Industrial robots are highly professional and are widely used in industrial fields. Thanks to the rapid development of machine vision technology， the function of robot control and guidance technology is becoming more and more perfect. However， its research process is complex and involves many professional and technical contents. This paper mainly discussed the structure and calibration of the visual guidance system for industrial robots， and used this as the carrier to identify and track the target objects， in order to achieve a good system application effect.

Keywords： industrial robot；visual guide；the key technology

高智能工業(yè)機(jī)器人標(biāo)志著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展。近年來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，凸顯了視覺引導(dǎo)技術(shù)的價值及重要性。在研究工業(yè)機(jī)器人的過程中，涵蓋的專業(yè)要點和技術(shù)要素較多，既有人工智能，又有圖像處理，還涉及模式識別等。這一過程中依托對目標(biāo)的非接觸測量，確保目標(biāo)物體實時狀態(tài)信息已知，使其更好地服務(wù)于工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)研究。

1 工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。將非接觸傳感方式應(yīng)用到該系統(tǒng)中，能為機(jī)器人提供指導(dǎo)，使其依據(jù)具體工作要求，定位零件，并進(jìn)行實時跟蹤等。具體而言，2D、2.5D、3D工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)較為常用。

2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)依托攝像機(jī)等，采集工件幾何模型信息，明確特征位置坐標(biāo)信息，繼而識別和定位工件的平面位置。其中，特征點選取直接關(guān)乎2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是否精確；2.5D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)除擁有2D系統(tǒng)的常規(guī)功能外，還能識別目標(biāo)物體高度及其在各個方位的移動情況，其原理幾乎與2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)相同；3D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)以攝像機(jī)等相關(guān)數(shù)據(jù)采集工具為載體，采集空間物體各自由度信息，實施過程專業(yè)性強(qiáng)，而且復(fù)雜。以往，該系統(tǒng)需要配備雙攝像機(jī)，從多個角度定位空間物體，高性能視覺引導(dǎo)系統(tǒng)僅借助單臺攝像機(jī)便能定位目標(biāo)物體空間位置，準(zhǔn)確度高，而且非常簡便[1]。

2 工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定

2.1 標(biāo)定攝像機(jī)

攝像機(jī)標(biāo)定過程中需要考量的專業(yè)內(nèi)容和要素比較多。該過程中多參考尺寸精準(zhǔn)的已知空間物體，并建構(gòu)其與成像之間的關(guān)系。在具體操作過程中，被選定的標(biāo)定參考物即靶標(biāo)。標(biāo)定攝像機(jī)時，將圓形或棋格陣列設(shè)置在靶標(biāo)上，作特征信息之用[2]。

2.2 手眼標(biāo)定方法

在機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝攝像機(jī)裝備，即手眼系統(tǒng)，其位置會隨著機(jī)器人開展工作而發(fā)生改變。因為攝像機(jī)始終與機(jī)器人一起運動，故其與機(jī)器人之間并無穩(wěn)定的坐標(biāo)關(guān)系。在該背景下，無論是攝像機(jī)還是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，均不會發(fā)生變化。通過對機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中攝像機(jī)所處位置進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定結(jié)果和執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置姿態(tài)信息已知的情況下，對各坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系具備清晰的認(rèn)識和了解[3]。

2.3 依托空間向量標(biāo)定機(jī)器人和靶標(biāo)位置

在實際操作過程中，往往通過間接方式獲取機(jī)器人與攝像機(jī)之間的坐標(biāo)關(guān)系。具體實施方法是：分別依托靶標(biāo)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，對二者之間的關(guān)系進(jìn)行間接建構(gòu)。

靶標(biāo)坐標(biāo)系和兩個坐標(biāo)系的空間變換矩陣分別是依托靶標(biāo)上的已知特征點信息和空間幾何信息建立的。在該環(huán)境下，需要對靶標(biāo)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的變換方程進(jìn)行計算。將尖狀工具安裝在機(jī)器人末端，移動機(jī)器人末端坐標(biāo)系，使其到達(dá)該工具的尖點，建構(gòu)TCP工具坐標(biāo)系；設(shè)置靶標(biāo)坐標(biāo)系時，靶標(biāo)的坐標(biāo)系原點為某圓心位置，橫、縱及與靶標(biāo)板面垂直的方向分別為X、Y、Z方向；以機(jī)器人TCP工具坐標(biāo)系為載體，對靶標(biāo)各特征點進(jìn)行逐一觸碰，采用空間幾何變換原理，計算兩個坐標(biāo)系的變換矩陣。

2.4 以P3P空間點位置為基礎(chǔ)求解

PnP這一概念大約是在20世紀(jì)80年代初期被提出來的，具體指的是空間n個特征點相對空間位置關(guān)系及其與射影中心角度已知的情況下，通過專業(yè)計算，對射影中心點與空間特征點之間的距離進(jìn)行求解。這一概念經(jīng)常被應(yīng)用到目標(biāo)物體位置求解過程中。將多個位置關(guān)系已知的點，在目標(biāo)物體上進(jìn)行定義，并選定這些點的坐標(biāo)，使其為特征信息。在該過程中，攝像機(jī)的作用是采集上述點的特征信息，從而計算特征點位置坐標(biāo)。

同理，P3P方法則是依托攝像機(jī)，采集空間中3個已知點的相對位置信息，然后采用專業(yè)方法，對不同坐標(biāo)系中這3個空間點位置坐標(biāo)進(jìn)行計算。二者之間的變換關(guān)系主要是在攝像機(jī)和工件坐標(biāo)系中特征點位置坐標(biāo)已知的情況下，依托空間幾何知識求解得出的。

3 識別和定位跟蹤目標(biāo)物體

3.1 Hough變換檢測直線

Hough變換的原理是依托直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，改變直角坐標(biāo)系中的直線狀態(tài)，使其在極坐標(biāo)系中以一個點的形式存在。通過該種方式，簡化專業(yè)問題，以免操作過程過于復(fù)雜。具體變換流程如下：借助專業(yè)方法，設(shè)置累加器數(shù)組，更改圖像空間各像素點坐標(biāo)值，使其以極坐標(biāo)的狀態(tài)存在，累加相同的極坐標(biāo)值；科學(xué)提取累加器內(nèi)的峰值點，提取出的峰值點與原始圖像內(nèi)的共線點對應(yīng)；借助幾何關(guān)系，對與共線點坐標(biāo)相對應(yīng)的直線方程進(jìn)行求解，從而將直線的檢測功能及特性發(fā)揮到最大。

3.2 Hough鏈碼法

該方法的基本原理是依托Hough對目標(biāo)物體的邊緣直線進(jìn)行變換測量，實施直線方程構(gòu)建，并以該直線方程為依據(jù)和背景，對各直線之間的交點進(jìn)行準(zhǔn)確計算，繼而判斷不同直線之間的交點，了解其與目標(biāo)物體之間的形狀關(guān)系。依托專業(yè)計算方法，得出Hough鏈碼，通過匹配，在這一鏈碼和數(shù)據(jù)庫中的模板鏈碼之間進(jìn)行關(guān)系建構(gòu)，充分發(fā)揮工件的辨識特性。

3.3 定位跟蹤目標(biāo)物體

采用攝像機(jī)完成目標(biāo)物體圖像信息采集工作后，以平滑、二值化等多種方式對圖像進(jìn)行處理，依托圖像的幾何不變矩特征，對區(qū)域質(zhì)心進(jìn)行求解。在該背景下，跟蹤運動目標(biāo)是一項非常重要的工作，其中，關(guān)鍵內(nèi)容及操作是對目標(biāo)的圖像特征進(jìn)行描述。與此同時，具體實踐過程中，考慮到光照及其他外部因素，需要對單類或多類特征進(jìn)行找尋，完整表述相關(guān)目標(biāo)。在該工作狀態(tài)下，無論是輪廓、區(qū)域形狀、邊緣及外形特征，還是灰度共生矩陣、各不變矩等統(tǒng)計特征，應(yīng)用都非常普遍，而且效果非常好。

4 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)技術(shù)內(nèi)容較多，專業(yè)性強(qiáng)，研究過程復(fù)雜。目前，市場上的主流工業(yè)機(jī)器人多由發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)研究而成，我國在該領(lǐng)域仍存在明顯的科研和技術(shù)桎梏。依據(jù)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)要求，對其視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，使其在各領(lǐng)域得到推廣，從而最大程度上發(fā)揮其功能特性，為工業(yè)領(lǐng)域各項生產(chǎn)研究工作的開展奠定良好基礎(chǔ)，推進(jìn)我國工業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅華進(jìn).工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J].科學(xué)與財富，2016（5）：20-21.

[2]汪汝.視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)設(shè)計研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（7）：169.

[3]黨宏社，張超，龐毅.基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人快速分揀系統(tǒng)研究[J].電子器件，2017（2）：45-46.