工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)問題研究

1、工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)問題研究摘要：工業(yè)機(jī)器人因其高效靈活與精準(zhǔn)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。機(jī)器視覺技術(shù)的進(jìn)步，使得機(jī)器人控制引導(dǎo)技術(shù)的功能也更加強(qiáng)大。本文介紹了工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的組成，從視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定、目標(biāo)物體的識別與定位跟蹤方面做了研究，為解決工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：視覺引導(dǎo)；標(biāo)定方法；靶標(biāo)緒論高智能水平的工業(yè)機(jī)器人是我國裝備制造業(yè)水平提升的重要標(biāo)志，隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，其視覺引導(dǎo)技術(shù)在機(jī)器人實(shí)用性技術(shù)中的重要性也突顯了由來。機(jī)器人視覺涉及到人工智能、圖像處理、模式識別等多領(lǐng)域的交叉，通過對目標(biāo)進(jìn)行非接觸測量，為機(jī)器人提供目標(biāo)

2、物體實(shí)時的狀態(tài)信息1。一、工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的組成機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)通過非接觸傳感的方式，可以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)機(jī)器人按照工作要求對目標(biāo)物體進(jìn)行操作，包括零件的定位放取、工件的實(shí)時跟蹤等。工程中常用的系統(tǒng)包括2D、2.5D和3D工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)2。(1) 2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)通過攝像機(jī)等數(shù)據(jù)采集工具，采集工件幾何模型信息，獲取其特征位置的坐標(biāo)信息，對工件平面位置進(jìn)行辨識和定位，選取不同的特征點(diǎn)會對2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響(2) 2.5D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)相較2D系統(tǒng)而言，增加了目標(biāo)物體的高度識別，包括物體的X、Y、Z方向的移動和圍繞Z軸的轉(zhuǎn)動，其原理與2D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)相似。(3) 3D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

3、通過攝像機(jī)等數(shù)據(jù)采集工具，采集空間物體的六個自由度的信息，其復(fù)雜程度相對較高。傳統(tǒng)的3D視覺引導(dǎo)系統(tǒng)需要兩個攝像機(jī)從不同的角度對空間物體進(jìn)行定位，而目前先進(jìn)的視覺引導(dǎo)系統(tǒng)僅需一臺攝像機(jī)，就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的空間定位3o二、工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定研究(一)攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定是通過選取尺寸精度較高的已知空間物體作為參考，建立其與成像之間的關(guān)系，所選用的標(biāo)定參考物稱為靶標(biāo)。在攝像機(jī)的實(shí)際標(biāo)定中，在靶標(biāo)上制作一些圓形或棋格陣列等作為特征信息4。(二)手眼標(biāo)定方法手眼系統(tǒng)(Eye-in-Hand)是指將攝像機(jī)裝備安裝于機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，并且隨著機(jī)器人工作而改變位置。由于攝像機(jī)是隨著機(jī)器人一起運(yùn)動

4、的，具與機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的相對關(guān)系始終在變化，而攝像機(jī)與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相對保持不變。手眼標(biāo)定方法通過標(biāo)定獲得攝像機(jī)在機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果和執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置姿態(tài)信息，求由不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。(三)基于空間向量的機(jī)器人與靶標(biāo)位姿標(biāo)定由于機(jī)器人世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系不能直接獲得，通過靶標(biāo)坐標(biāo)系與機(jī)器人世界坐標(biāo)系的關(guān)系和靶標(biāo)坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系來間接的建立機(jī)器人世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系5o利用靶標(biāo)上3個特征點(diǎn)的信息建立靶標(biāo)坐標(biāo)系，并利用靶標(biāo)上的已知點(diǎn)的信息，采用空間幾何知識，建立兩個坐標(biāo)系的空間變換矩陣，計(jì)算由靶標(biāo)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的變換方程。(1

5、)在機(jī)器人的末端安裝有尖狀工具，將機(jī)器人的末端坐標(biāo)系移至尖狀工具的尖點(diǎn)，建立機(jī)器人TCP工具坐標(biāo)系。(2)靶標(biāo)坐標(biāo)系的建立，需要以靶標(biāo)上更一圓心位置作為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)，將橫排方向作為X方向，縱排方向作為Y方向，垂直于靶標(biāo)板面的方向作為Z方向。(3)通過機(jī)器人TCP工具坐標(biāo)系逐一的觸碰靶標(biāo)上的3個特征點(diǎn)，通過空間幾何變換的知識，計(jì)算由兩個坐標(biāo)系的變換矩陣。(四)基于P3P空間點(diǎn)位姿求解PnP問題是由Fischler于1981年提由的，其定義為給定空間n個特征點(diǎn)的相對位置關(guān)系和其與射影中心的角度，求取射影中心點(diǎn)到空間特征點(diǎn)的距離。PnP可作為求解目標(biāo)物體的位姿估計(jì)的方法。我們在目標(biāo)物體上定義若干個

6、位置關(guān)系已知的點(diǎn)，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)作為特征信息。攝像機(jī)通過采集這些點(diǎn)的特征信息，計(jì)算由特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。P3P方法通過攝像機(jī)采取空間已知的3個點(diǎn)的相對位置信息，求解由這3個空間點(diǎn)在不同坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。利用空間幾何的知識，根據(jù)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，求解兩者的變換關(guān)系。三、目標(biāo)物體的識別與定位跟蹤(一)Hough變換檢測直線Hough變換是借助于直角坐標(biāo)系向極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的變換關(guān)系，將直角坐標(biāo)系中的直線變換為極坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從整體到具備的問題簡化6。Hough變換的基本步驟如下：(1)建立累加器數(shù)組，將圖像空間的每個像素點(diǎn)的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)，將

7、相同的極坐標(biāo)值進(jìn)行累加。(2)將累加器中的峰值點(diǎn)提取由來，這些峰值點(diǎn)對應(yīng)于原始圖像中的共線點(diǎn)；(3)利用幾何關(guān)系，求解由共線點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的直線方程，實(shí)現(xiàn)直線的檢測功能。（二）Hough-鏈碼法Hough-鏈碼法的基本思想是通過Hough-變換測量由目標(biāo)物體的邊緣直線，建立直線方程，依據(jù)所建立的直線方程，計(jì)算由直線間的交點(diǎn)，并判斷不同直線的交點(diǎn)是否為目標(biāo)物體的形狀的角點(diǎn)。通過計(jì)算得到Hough-鏈碼，將該鏈碼與數(shù)據(jù)庫中的模板鏈碼進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)工件的辨識功能7o（三）目標(biāo)物體的定位跟蹤攝像機(jī)采集到目標(biāo)物體圖像信息后，將圖像進(jìn)行平滑、二值化等一系列處理后，利用圖像的幾何不變矩特征求由區(qū)域的質(zhì)心。運(yùn)動目

8、標(biāo)的跟蹤，關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是描述目標(biāo)的圖像特征，同時，由于光照和其他外界環(huán)境等因素的影響，往往需要找由一種或多種特征對目標(biāo)進(jìn)行完整性的描述。常采用的特征有輪廓、邊緣、區(qū)域形狀等外形特征以及顏色直方度、灰度共生矩陣以及各種不變矩等統(tǒng)計(jì)特征。四、結(jié)論本文對工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的位姿變換的標(biāo)定技術(shù)，目標(biāo)物體的識別與定位跟蹤技術(shù)做了研究。目前市場上主流的工業(yè)機(jī)器人大部分來自歐美等發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)對其核心技術(shù)掌握的還較少，研究工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)，對其在我國的實(shí)際應(yīng)用范圍的推廣有很大的推動作用。參考文獻(xiàn)1陳立松.工業(yè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)的研究D.合肥工業(yè)大學(xué)，2013.2呂游.視覺引導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人智能抓取中的應(yīng)用D.合肥工業(yè)大學(xué)，2009.3周衍超.基于視覺引導(dǎo)的機(jī)器人智能抓取技術(shù)研究D.廣東工業(yè)大學(xué)，2015.4郭磊.移動視覺精密測量關(guān)鍵技術(shù)研究D.天津大學(xué),2011.5許海霞.機(jī)器視