機器人視覺方面傳感器官技術的應用

摘要：在人類的發展過程中，離不開科學技術。在科學技術的帶領下，我們才能夠獲得今天美好的生活。現階段，機器人的研究得到了廣大科研人員的關注，為了使機器人更形象更逼真，科研人員提出將傳感器應用到機器人中，充當人類的器官，這一做法得到了全世界各國科研人員的贊同。本文系統地闡述了傳感器在機器人視覺方面的應用，旨在為機器人研究領域的發展提供一些理論基礎。

關鍵詞：傳感器技術 機器人 視覺研究

中圖分類號：TP242.62 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0079-01

目前機器人已經走進了人們的生活，不再是科幻電影中的人物。不僅工廠車間，人們日常的生活生產領域也開始利用機器人，由此可見，機器人在各領域的應用正在逐步擴大。但我們也應當意識到，機器人的普及還存在一些問題，這些問題阻礙機器人的進一步發展。其中最重要的也是決定性的問題就是大多數機器人都是瞎子，他們沒有辦法對外界事物進行感覺，甚至不能自動進行簡單的工作，經常會被路上的障礙物所絆倒。在這種情況下，我們必須采取有效措施，將傳感器技術應用到機器人中，從而賦予機器人以看的能力，開啟視覺應用的大門。

1 傳感器技術原理

機器人作為一個特殊的機械，從誕生之日起就已經存在了大約半個世紀，作為人類科技的產物，它早已進入并影響著人們的生活。通常情況下，機器人是一種可以代替人類自發執行某些工作的特殊機械設備，平時只要我們把預先設定好的程序輸入到機器人的中樞控制系統中，它就可以絕對的服從人類的命令，圓滿的完成各種工作。[1]另外，人類也可以給機器人制定準確的行為準則，也就是說以智能技術為基礎，促使機器人在人類限定的范圍內進行某些行為。近些年來，隨著人們對機器人研究的不斷完善，機器人的智能化程度也越來越高，人們逐漸讓機器人有了自己的“思想”，同時機器人被人們應用到各種領域中，在航天工業、醫療機構、海洋工程乃至工作環境極其惡劣的特殊領域都起到了巨大的作用，大大提高了社會生產力。不僅如此，與機器人有關的其他領域技術的不斷成熟，為機器人的快速發展提供了極大地便利，那么機器人到底會朝著哪些方向發展呢？

現階段，傳感器技術已經成為科學的最前沿，在應用過程中，我們發現很多類型的傳感器都可以準確的獲得信息，并代替人類的五官，這在一定程度上推動了機器人研究技術的發展。[2]傳感器的工作原理主要是將某種需要被測試的信息感知出來，并對其進行檢驗，在此過程中實現按規律轉換和輸出。具體來說，機器人視覺是一套特殊的感知系統。它可以通過這一高科技系統感知外界的物體，如機器人視覺可以獲取環境的一維、二維和三維圖像，并通過視覺傳感器，對周圍的信息進行感知。在這個過程中，最為主要的因素就是視覺處理器，它可以對感知到的信息進行分析、解釋，并將其轉化為自身能夠識別的語言符號。[3]另外，機器人還能夠精確的定位和分析各種情況下物體的狀態。目前，我們對于機器人的視覺研究主要是為了在日后的專門功能視覺系統中對執行的有關人物、景物進行說明。圖像獲取和視覺處理是機器人最主要的、視覺方面的硬件，它由照明系統和視覺傳感器、模擬數字轉換器和和幀存儲器等組成。根據功能不同，機器人視覺可分為視覺檢驗和視覺引導兩種，廣泛應用于汽車、電子、軍事領域。

目前能夠實現對信息輸出的傳感器技術已經進入了進一步發展的階段。早在上世紀八十年代，相關研究者就已經意識到了傳感器技術的重要性，大多數國家都開始了傳感器技術的研發工作。我國也不例外，自上世紀六十年代開始，我國就逐步將傳感器應用到了制造行業，但值得注意的是，由于受到條件和技術的制約，此時我國的傳感儀器技術水平與發達國家相比還存在較大差距，一些技術水平較高的內容都要從國外引進，這不得不說是一種遺憾。但隨著時間的推移，我國研究人員經過不懈的努力，進一步提高了我國傳感器技術水平，促使我國傳感器技術向世界領先水平的方向邁進。[4]

2 機器人視覺技術

如同人類視覺系統的作用一樣，機器人視覺系統將賦予機器人一種高級感覺機構，使得機器人能以智能和靈活的方式對其身邊的環境作出反應。由于對機器人系統應用領域提出的要求越來越高，機器人視覺將越來越復雜。現階段我們可以將機器人視覺看作從三維環境的圖像中抽取、描述和解釋信息的過程，它可以劃分為六個主要部分，這六部分分別是感覺、預處理、分割；推述、識別以及解釋，再根據實現上述各種過程所涉及的方法和技術的復雜性將它們歸類，可分為三個處理層次：層次一為低層視覺處理；層次二為中層視覺處理；層次三為高層視覺處理。 感覺是機器人獲取圖像的過程；圖像生成的兩種方式以及圖像模型系統、簡要地介紹了圖像從光學變成電信號的原理和方法，視頻圖像的數字化技術以及表示方法與普通圖像預處理相比，方法更多，在機器人視覺系統中使用大量的預處理方法，必須著重考慮計算機的運算速度。具體來說，主要采用兩種預處理方法：一種是基于空域技術的方法；另一種是基于頻域技術的方法。分割是將圖像劃分成若干個有一定含義物體的過程.它是機器人視覺技術中重要的一步，是視覺技術領域中既古老而又年輕的課題，近些年來研究該領域的文章逐步增多起來。

3 傳感器技術在機器人視覺上的應用

在傳感器技術的研究領域當中，與其他技術發展相比，視覺上的技術發展相對比較成熟，得到了一定的完善。隨著研究的不斷深入，視覺傳感器技術已經與機器人緊密聯系在一起，并成為機器人運行的重要組成部分之一。[5]視覺傳感器技術的應用有其自身獨特的要求，如果在應用過程中沒有達到這一要求，會對機器人的運行帶來一定的負面影響，甚至會導致機器人性能不高。 為了更好地保障傳感器的質量，提高機器人的能力，研究人員創新了視覺傳感器系統的組成，將激光器同濾光片的內容應用到了視覺傳感系統，這樣重新打造出來的視覺傳感系統體積相對較小，結構比較緊湊，具有較高水平的性價比。不僅如此，科研人員還將并行處理的架構方法應用到了機器人視覺處理系統當中，這一做法有效解決了機器人難以存儲較大圖像的問題，進一步提高了機器人的視覺功能，實現了圖像處理速度的提高。除此之外，為了進一步加快機器人的圖像和信息處理速度，相關科研人員還將光學小波算法應用到了機器人視覺系統當中，極大的促進了機器人研發領域的發展。[6]之所以將視覺傳感器應用到機器人研發領域當中，主要目的是為了確保機器人在使用過程中，能夠做到有效的躲避障礙，準確的到達目標位置。不僅如此，筆者認為視覺傳感器還可以應用到水下機器人當中，這樣做可以實現水下機器人與目標之間位置的科學測定，通過這一技術，機器人可以完成對位置的控制以及路程的測量工作。相關研究者認為，可以進一步提高傳感器對光頻的適應能力，并將雙視覺傳感器應用到機器人研發過程當中，進一步提高機器人目標和其跟蹤的準確性。除此之外，利用結構改進，還可以實現機器人多視角的數據采集，與雙視覺傳感器相比，三維視覺效果在具體的工作中，能夠更加明確目標，不僅如此，其計算方法也相對簡單。

從本質上來說，將傳感器技術應用到機器人研發領域當中，是為了促使機器人更好地在實際的生產生活領域中為人類服務。一旦傳感器技術同機器人研發工作實現了有機結合，我們就可以將機器人應用到工業和農業等其他領域當中，被人們所利用。相關科研人員可以采用疊加式的結構，在機器人中安裝視覺傳感器，這樣機器人就可以完成很多工作。在服務行業，科研人員可以將全局視覺系統應用到機器人中，進一步提高服務行業機器人信息的準確定位，為患者提供多種復雜的輔助操作。以湖南大學為例，即利用多種傳感器，并將機器人與傳感器有機結合在一起，設計出了可以為人們提供娛樂和家務服務的機器人，一方面解決了人類無法解決的問題，另一方面也取得了一定的效果，為機器人操作水平的進一步提高奠定了技術基礎。

4 結語

目前傳感器技術已經逐步應用到機器人視覺領域上，然而我們也應當意識到，傳感器技術與機器人視覺領域的有機結合并不是簡單的，它需要根據不同領域以及不同環境的要求來實現。這就需要相關工作人員意識到傳感器的作用，并將多種傳感器技術與智能技術有機結合在一起，實現機器人的改進。由于現階段受技術及經濟水平的限制，在傳感器以及機器人研發領域上，我們還有很多問題沒有得到解決，機器人還沒有實現全方位的智能化，也就是說，我們在今后的工作中，要將更多的精力投入進去，這是所有科研人員共同努力的方向。

參考文獻

[1]蘆關山，齊晶薇，于淼.傳感器技術在機器人視覺方面的應用[J]. 電子制作，2015，05：8.

[2]鄭偉.基于視覺的微小型四旋翼飛行機器人位姿估計與導航研究[D].中國科學技術大學，2014.

[3]劉艷.機器人結構光視覺系統標定研究[D].北京理工大學，2015.

[4]昝杰.多自主移動機器人協作的關鍵技術研究[D].長安大學，2014.

[5]林義閩.未知環境中智能機器人的視覺導航技術研究[D].北京郵電大學，2014.

[6]王國虎.智能碼垛機器人關鍵技術的研究及開發[D].河南科技大學，2015.

收稿日期：2016-09-12

作者簡介：郭福洲（1972—），男，湖北黃岡人，本科，副教授，從事計算機嵌入式技術、物聯網技術教學與研究。