楊鵬飛

摘要：機(jī)器人是智能化發(fā)展的產(chǎn)物，具有出色的物體識別功能，智能化機(jī)器人在工作過程中，會通過對目標(biāo)物體位置以及基本類型的感知，實現(xiàn)自動化追蹤與抓取等功能，其中最為高層的視覺特征是物體的形狀信息，機(jī)器人視覺主要是通過形狀特征的辨認(rèn)，判斷目標(biāo)圖像，并從龐大的自然圖像庫中以抽象的形式表現(xiàn)出來。本文主要探討了機(jī)器人視覺，在數(shù)控加工中心的應(yīng)用，希望能夠為數(shù)控機(jī)床群的協(xié)同加工奠定有力基礎(chǔ)，實現(xiàn)對目標(biāo)物體的有效識別，并具備定位追蹤功能，實現(xiàn)自動化特征提取，并按照形狀指導(dǎo)解決數(shù)控工件加工過程中的關(guān)鍵問題。

Abstract： Robots are the product of intelligent development and have excellent object recognition functions. In the process of working， intelligent robots will realize automatic tracking and grasping functions through the perception of target object positions and basic types， among which the highest level Visual features are the shape information of objects. Robot vision mainly uses the recognition of the shape features to determine the target image and express it in an abstract form from the huge natural image library. This article mainly discusses the application of robot vision in CNC machining centers， hoping to lay a strong foundation for the collaborative processing of CNC machine tools， realize effective recognition of target objects， and have the function of positioning and tracking， realize automatic feature extraction， and guide according to shape Solve the key problems in the machining of CNC workpieces.

關(guān)鍵詞：機(jī)器人視覺;數(shù)控加工中心;應(yīng)用研究

Key words： robot vision;CNC machining center;application research

中圖分類號：TP391.41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0220-03

0  引言

機(jī)器人視覺屬于計算機(jī)視覺的主要組成部分，目前在我國數(shù)控加工中心得到了廣泛應(yīng)用，為了實現(xiàn)進(jìn)一步創(chuàng)新，需要加強(qiáng)有關(guān)物體形狀的分析，但當(dāng)前機(jī)器人視覺受到噪聲和形狀模型等客觀因素的影響，在應(yīng)用過程中遇到了許多問題。機(jī)器人視覺技術(shù)是自動化測量和工業(yè)檢測的新型技術(shù)，整個使用流程可以通過遠(yuǎn)程自動化控制，不與工人發(fā)生肢體接觸，能夠有效提高加工效率，適合危險作業(yè)環(huán)境的產(chǎn)品檢驗工作，通過機(jī)器人視覺完成對產(chǎn)品三維尺寸的掃描，并判斷產(chǎn)品的基本屬性。目前視覺機(jī)器人在數(shù)控加工中心得到了有效應(yīng)用，機(jī)器人視覺技術(shù)能夠根據(jù)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效調(diào)整，配合大規(guī)模的流水線機(jī)械生產(chǎn)，有效避免了人工操作失誤，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

1 ?機(jī)器人視覺

機(jī)器人視覺主要指的是，機(jī)器人在運(yùn)行過程中，所具有的視覺感知功能系統(tǒng)，是整個機(jī)器人程序的重要組成部分，機(jī)器人視覺的有效應(yīng)用，能夠自動通過傳感器獲取周圍的二維圖像，生成動態(tài)化運(yùn)行環(huán)境，并自動將圖像傳輸?shù)揭曈X處理器中，對周圍的物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行全面分析。將得到的數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計算機(jī)符號，從而達(dá)到機(jī)器人物體識別功能作用，并有效判斷物體所處的位置，機(jī)器人視覺從某種角度來看，可以稱為機(jī)器視覺，其設(shè)計原理與計算機(jī)視覺具有異曲同工之妙，因此，需要先對計算機(jī)視覺進(jìn)行全面研究，了解視覺感知系統(tǒng)的應(yīng)用原理。在進(jìn)行機(jī)器人視覺分析的過程中，可以通過分層信息表示法，對視覺處理的功能模塊進(jìn)行詳細(xì)研究，計算機(jī)器視覺與機(jī)器人視覺相比，更加側(cè)重運(yùn)行過程中的專用視覺系統(tǒng)研究，通常只針對特定的景物進(jìn)行識別。機(jī)器人視覺的主要功能有圖像獲取、自動識別、視覺處理、符號輸出等，機(jī)器人視覺的功能性可以分為視覺檢驗功能和視覺引導(dǎo)功能，在我國制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、醫(yī)學(xué)服務(wù)等多個領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人視覺系統(tǒng)，大多被用在產(chǎn)品檢測過程中，以此來保證產(chǎn)品質(zhì)量，全面提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集，機(jī)器人視覺系統(tǒng)能夠自動檢測生產(chǎn)線上，加工完成的產(chǎn)品質(zhì)量，并將得到的檢測結(jié)果以信號通信的方式輸入到上位機(jī)。利用光源和攝像機(jī)進(jìn)行圖像獲取，借助機(jī)器人自帶的軟件和硬件系統(tǒng)進(jìn)行圖像識別，與數(shù)控中心建立連接，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)輸出，工作人員通過機(jī)器人視覺，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個檢測流程的全面控制，并安裝系統(tǒng)報警裝置，結(jié)合傳輸?shù)接嬎銠C(jī)的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測。一旦發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品，需要進(jìn)行報警示意，將其從生產(chǎn)線移除，機(jī)器人視覺的是CAQ系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量信息的主要來源，能夠與CIMS其它系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同合作關(guān)系。

2 ?視覺傳感器在數(shù)控工業(yè)機(jī)器人視覺的應(yīng)用

2.1 視覺傳感器的工作原理

視覺傳感器是機(jī)器人視覺的核心裝置，因此，數(shù)控中心想要合理應(yīng)用機(jī)器人視覺實現(xiàn)產(chǎn)品檢測，就需要提高對視覺傳感器工作原理的重視，視覺傳感器是被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)裝置上的一種電子圖像技術(shù)，是圖像抓取不可或缺的重要工藝。在工作過程中通過計算機(jī)，將圖像直接傳送到信息處理系統(tǒng)，并結(jié)合圖像的像素分布情況，以及顏色亮度等基本信息，運(yùn)用數(shù)字化處理技術(shù)，完成物體尺寸、形狀等基本要素的判別，并根據(jù)最終的圖像分析結(jié)果，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的全程操控。視覺傳感器主要分為圖像獲取模塊、圖像處理模塊、圖像顯示模塊，具有強(qiáng)大的像素計算能力，能夠進(jìn)行一整幅圖像的光線動態(tài)捕捉，保證圖像的清晰度，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分辨率，并通過像素數(shù)量的方式表現(xiàn)出來，視覺傳感器能夠在一定程度下無視距離，自動化生成清晰的目標(biāo)圖像，實現(xiàn)圖像動態(tài)捕捉后，視覺傳感器會將得到的圖像與儲存的基本圖像進(jìn)行對比，了解物體的主要形態(tài)。

2.2 視覺傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢

視覺傳感器憑借著成本較低、實用性較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為我國工業(yè)機(jī)器人視覺設(shè)計的核心裝置，傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計工藝流程，需要投入大量的技術(shù)人員，采購多樣化的光電傳感器，完成數(shù)據(jù)對比和設(shè)備分析。視覺傳感器在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品的自動檢驗，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動化測量，對分撿流程的合理優(yōu)化，在機(jī)器人視覺程序設(shè)計的過程中，需要采用智能性較高的視覺工具，對視覺系統(tǒng)進(jìn)行更新，通過In-sight Explorer軟件的使用，進(jìn)行不同類型函數(shù)參數(shù)的計算。技術(shù)人員將In-Sight系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)機(jī)械手網(wǎng)絡(luò)與PC設(shè)備的完美結(jié)合，應(yīng)用自動化識別原理，分辨物品形狀的差異性，測量反射光源的面積大小，生成具有不同灰度值的圖像像素，提高物品識別的準(zhǔn)確率。

3 ?機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的組合應(yīng)用

新型科技的不斷發(fā)展，讓機(jī)械制造業(yè)迎來了全新的發(fā)展機(jī)遇，在機(jī)械生產(chǎn)過程中，通常采用一臺機(jī)器人控制一臺數(shù)控機(jī)床的分配方式，但近年來，隨著人工成本的不斷增加，機(jī)器人功能形式也產(chǎn)生了多樣化的發(fā)展變化，機(jī)器人能夠全面提高工作效率，保證生產(chǎn)安全，但要以機(jī)器人良好控制系統(tǒng)的建立為前提。在不同的生產(chǎn)環(huán)境下，要求機(jī)器人形成自主判斷能力，適應(yīng)多變的工作需求，視覺傳感技術(shù)具有充足的信息量，能夠優(yōu)化機(jī)器人的感知能力，視覺技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計過程中的有效應(yīng)用，能夠讓機(jī)器人精準(zhǔn)的識別零件所處的加工位置，實現(xiàn)自動化抓取。避免因為工裝失誤造成碰撞誤差，簡化工作流程提高加工效率，視覺傳感技術(shù)經(jīng)過長時間的發(fā)展與創(chuàng)新，已經(jīng)獲得良好的應(yīng)用成果，但仍然存在著許多問題需要解決，因此，需要通過機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)建立，實現(xiàn)對工件的自動化識別定位，保證抓取的準(zhǔn)確性。

3.1 現(xiàn)場布局

程序設(shè)計的過程中，需要將機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床裝置進(jìn)行組合應(yīng)用，與傳統(tǒng)的設(shè)計要求不同，具有視覺的機(jī)器人能夠控制六臺機(jī)床，改變傳統(tǒng)一臺機(jī)床一機(jī)器人的工作要求，機(jī)器人能夠自動化完成上下料的作業(yè)流程，將機(jī)器人安裝在程序設(shè)計軌道上，做出上下料的運(yùn)行動作。在機(jī)器人的末端設(shè)計夾具，能夠通過靈活調(diào)整，完成不同規(guī)格零件地抓取工藝，保證抓取工作的穩(wěn)定性，并能夠進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)，更好地完成設(shè)備更換、維修，攝像頭需要選擇工業(yè)攝像機(jī)，控制好攝像機(jī)的曝光時間，提高分辨率到清晰標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 視覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計原理

機(jī)器人視覺就是通過系統(tǒng)設(shè)計，讓機(jī)器人擁有類似人類的視覺分辨能力，能夠自動化完成物體功能的識別，主要是通過相機(jī)拍照，進(jìn)行物體圖像的收集，通過機(jī)器人自身的數(shù)據(jù)化分析軟件，進(jìn)行物體識別，從而使其具有物體分辨的能力。在自動化系統(tǒng)設(shè)計的過程中，視覺傳感系統(tǒng)是完成自動化發(fā)展要求的基礎(chǔ)和前提，具備視覺能力的機(jī)器人，能夠擴(kuò)大機(jī)器的控制數(shù)量，在數(shù)控加工過程中的有效應(yīng)用，代替工作人員進(jìn)行自動化線上生產(chǎn)。

3.3 目標(biāo)定位功能的實現(xiàn)

目標(biāo)定位功能的實現(xiàn)，首先需要找出圖像坐標(biāo)系，判斷其與機(jī)器人之間旋轉(zhuǎn)矩陣的位置關(guān)系，通過攝像頭進(jìn)行目標(biāo)圖像信息的采集，將圖像信息傳送到視覺傳感器，進(jìn)行目標(biāo)物體的位置計算，在實際工作開展的過程中，機(jī)器人需要抓取不同型號的工件進(jìn)行生產(chǎn)。在自動化控制的過程中，需要結(jié)合設(shè)定的工件標(biāo)準(zhǔn)，找出目標(biāo)對象所處的位置，沿著不同的方向運(yùn)動，控制好偏移距離，選擇適合的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的關(guān)系確定。如圖1所示：將OXY定義為視件的基本坐標(biāo)，O1UV作為圖像的精準(zhǔn)坐標(biāo)。觀察圖例可以得出，圖像坐標(biāo)與視覺工件的基本坐標(biāo)處于同一方向，因此，需要建立目標(biāo)工件相對位置計算公式，對圖像坐標(biāo)系中所處的精準(zhǔn)位置進(jìn)行計算，全面提高定位功能的有效性，在實際應(yīng)用過程中，機(jī)器人末端的夾具移動到特定位置后，會直接觸發(fā)攝像頭的相機(jī)拍照功能，并通過攝像機(jī)進(jìn)行圖像信號傳遞，運(yùn)用視覺處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像軟件分析，從而實現(xiàn)目標(biāo)定位功能。

4 ?面向數(shù)控機(jī)床群上下料機(jī)器人視覺系統(tǒng)

國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的創(chuàng)新與完善，需要改變傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床部件功能單一性的發(fā)展情況，要求自動化加工過程中，進(jìn)行換刀裝置的自動化實現(xiàn)，通過機(jī)械手完成上料工作，傳統(tǒng)的機(jī)器人只能服務(wù)一臺數(shù)控機(jī)床，一旦在加工過程中出現(xiàn)零件和工藝變化時，會自動轉(zhuǎn)化為離線編程的工作形式。無法根據(jù)工作環(huán)境的變化進(jìn)行自動調(diào)整，需要工作人員的實際操作，進(jìn)行系統(tǒng)修正，維修的過程十分繁瑣，這表明了，當(dāng)前我國數(shù)控設(shè)備的自動化水平不足，想要完全使數(shù)控機(jī)床脫離人工控制，就需要對機(jī)器人的工作模式和運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新，解決我國制造業(yè)小批量、多品種生產(chǎn)時，普遍存在的加工問題，面向數(shù)控機(jī)床群的智能化操作，需要賦予機(jī)器人視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)器人的自主移動，完成不同工件的加工要求。

4.1 上下料機(jī)器人的視覺系統(tǒng)

上下料機(jī)器人視覺系統(tǒng)的建立，能夠滿足自動化識別和工件定位的功能要求，是面對數(shù)控機(jī)床群，實現(xiàn)上下料自動操作工序的核心技術(shù)，上下料機(jī)器人在實際工作開展的過程中，通過視覺系統(tǒng)能夠自動化形成，加工工件的數(shù)字圖像。采用機(jī)器人的自動計算功能進(jìn)行圖像識別，并根據(jù)參照物確定工件所處的位置，與自身的信息化圖例進(jìn)行對比，了解工件的主要尺寸，調(diào)整上下料的位置，在進(jìn)行上下料機(jī)器人視覺設(shè)計的過程中，首先需要制定出合理的方案，解決當(dāng)前施工過程中，目標(biāo)與背景相分離的問題，只有做好工件卡盤對象的識別，才能夠保證施工流程的穩(wěn)定性。

4.2 視覺系統(tǒng)的實驗平臺

上下料機(jī)器人視覺系統(tǒng)實驗平臺的建立，首先需要配備優(yōu)秀的攝像頭功能，能夠通過光源的調(diào)整進(jìn)行圖像采集，并將得到的圖像信息傳送到云臺，并帶有機(jī)械手臂負(fù)責(zé)工件抓取，上下料機(jī)器人視覺在數(shù)控機(jī)床群工作中的有效應(yīng)用，在昏暗的工作車間內(nèi)會受到環(huán)境光線的影響。導(dǎo)致圖像采集工作存在缺陷，因此，需要進(jìn)行光源型號的選擇，以及實際應(yīng)用設(shè)置，結(jié)合設(shè)備所處的現(xiàn)場條件，對光源進(jìn)行合理規(guī)劃，調(diào)整物體與攝像頭之間的相對位置，對視覺系統(tǒng)實驗平臺的工作流程進(jìn)行研究，攝像頭通常采用黑白工業(yè)相機(jī)，將工件特征按照灰色和高亮色進(jìn)行劃分，在灰度模式下計算灰度圖像的像素點，圖像采集過程如圖2所示。

4.2.1 光源要求及型號選擇

為了保證視覺系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要對圖像形成過程中，所采用的照明光源提出更高的要求，一些初步進(jìn)行粗加工的工件，會在成像的過程中形成較高的反光度，一旦視覺系統(tǒng)中的光源使用不合理，就在最終形成的圖像上呈現(xiàn)出大面積的光斑，不利于圖像的整體檢測，甚至?xí)a(chǎn)生一定的檢測誤差。在光源設(shè)置的過程中，需要結(jié)合設(shè)備所處的運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)視覺系統(tǒng)的功能作用，進(jìn)行光源參數(shù)的調(diào)整，對光源色溫、亮度以及照明方式進(jìn)行確定，工作人員在光源調(diào)整時，需要完成提前布置的檢測任務(wù)，通過合理的照明設(shè)計，對檢測目標(biāo)的形狀、顏色等特征進(jìn)行區(qū)分。通過圖像的預(yù)處理工藝，提高圖像的對比度，增強(qiáng)圖像清晰度，合理的光源設(shè)置能夠滿足不同環(huán)境下，成像亮度的需求，當(dāng)目標(biāo)物體出現(xiàn)位置變化時，不會影響到整體成像效果，目前市場上存在著許多人造光源，機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要采用高頻熒光燈和LED燈。

高頻熒光燈具有良好的擴(kuò)散性，適合大面積范圍內(nèi)的照射，但響應(yīng)速度較慢，呈現(xiàn)出的亮度不理想，使用壽命較短需要定期的維護(hù)和更新，目前在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中對應(yīng)用十分廣泛。LED光源具有多個發(fā)光管，全面提高亮度，能夠滿足不同形狀的光源照明需求，使用壽命較長響應(yīng)速度較快，并且能夠自動選擇波長，由此可見，LED光源具有明顯的使用優(yōu)勢，不僅能夠隨意進(jìn)行形狀設(shè)計，并且安裝面積較小，控制簡單使用壽命長，能夠自動化完成亮度調(diào)節(jié)。在十秒內(nèi)或者更短的時間，就能夠根據(jù)環(huán)境特點完成亮度調(diào)節(jié)，同時LED光源具有較好的散熱性，使用過程更加穩(wěn)定和便捷，在完成光源材料選擇后，需要調(diào)整好工件、射程和光源所處的相對位置，分析物體的材料屬性，制定出不同的檢測方案。通過平面照明檢測方案，進(jìn)行精密部件的產(chǎn)品檢測，將LED作為平面光源，通過漫射板的應(yīng)用進(jìn)行物體照明，通過環(huán)形照明方案進(jìn)行表面顆?；虍a(chǎn)品破損檢測。

4.2.2 照明方案的選擇

條型照明方案被廣泛應(yīng)用到形狀相同的平面電路板檢測過程中;同軸照明方案被廣泛應(yīng)用到玻璃、水晶等透明材質(zhì)的表面檢測過程中，判斷是否存在劃痕;線型照明方案廣泛應(yīng)用到字符、劃痕的檢測過程中，將LED作為平面光源，通過漫射板的應(yīng)用進(jìn)行具有高對比度的工件特征檢測;角型低角度照明方案被廣泛應(yīng)用到表面具有光澤、曲面物體的檢測過程中，充分發(fā)揮出同軸照明低角度照射的檢測作用，滿足復(fù)合型照明需求，對照射物體進(jìn)行全方位檢測，并且測試過程不會產(chǎn)生光影，保證測試的精準(zhǔn)度;直射型照明方案被廣泛應(yīng)用到帶顏色產(chǎn)品的檢測，將光纖鹵素?zé)糇鳛橹饕庠催M(jìn)行均勻照射，保證檢測的透明度。通過實驗探究，對比分析以上照明方案，結(jié)合數(shù)控中心的加工需求，LED光源選擇更具優(yōu)勢，調(diào)整產(chǎn)品的擺放位置，運(yùn)用LED環(huán)形光源實現(xiàn)場景照明。

4.2.3 視覺成像系統(tǒng)選型

機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要采用工業(yè)相機(jī)作為攝像頭，是獲取工件圖像的核心設(shè)備，工業(yè)相機(jī)所具有的圖像傳感器類型主要分為，基于CCD電荷耦合器的傳感器與基于CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器。CCD以平面成像的方式，將多種設(shè)備組合到一起，具有較高的靈活性，延時時間較短，能夠保證圖像的精準(zhǔn)性等。CMOS傳感器的產(chǎn)生較晚，具有較高的集成性，不同光電傳感元件與電路的距離較近，在使用過程中會出現(xiàn)頻繁的光、電、磁干擾，產(chǎn)生的噪聲會嚴(yán)重影響到圖像的質(zhì)量。近年來，通過CMOS傳感器消噪技術(shù)工藝的有效應(yīng)用，具備高密度的CMOS傳感器受到了廣泛關(guān)注，能夠拓展動態(tài)運(yùn)行范圍，具有明顯的使用優(yōu)勢，為電流、電壓的信號讀取提供便利。

相同像素下CCD傳感器與CMOS傳感器的對比分析，CCD的成像更加通透，具有良好的明銳度，能夠最大限度的進(jìn)行色彩還原，保證曝光的精準(zhǔn)性。CMOS傳感器則通透性一般，色彩還原能力較弱，曝光控制不穩(wěn)定，CCD傳感器的檢測質(zhì)量要遠(yuǎn)高于CMOS傳感器，在動態(tài)物體圖像獲取時更為精準(zhǔn)。因此，CCD傳感器的攝像機(jī)能夠更好地適應(yīng)，環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車間。

5 ?總結(jié)

機(jī)器人視覺技術(shù)的發(fā)展，為集成制造與協(xié)同作業(yè)奠定了有利基礎(chǔ)，機(jī)器人視覺技術(shù)的創(chuàng)新研究，能夠助力機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的層次化發(fā)展，與我國的工業(yè)制造需求相符。機(jī)器人視覺在數(shù)控加工中心的應(yīng)用，需要充分了解視覺傳感器的工作原理，發(fā)揮出視覺傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢，將視覺傳感系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行組合應(yīng)用，實現(xiàn)目標(biāo)定位功能，在數(shù)控機(jī)床群上下料工作開展的過程中，運(yùn)用機(jī)器人視覺系統(tǒng)，創(chuàng)建視覺系統(tǒng)實驗平臺，做好光源型號、照明方案、視覺成像系統(tǒng)的選擇。

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