《機器人入門與實踐》教學改革與實踐

摘要：本文分析了《機器人入門與實踐》教學中常見的不足。根據(jù)課程特點，將課程內(nèi)容實現(xiàn)進行了項目化處理，專門設計出機器視覺教學項目，以機器視覺代替人眼完成目標對象的識別、判斷和測量等基本任務。該方案充分利用三菱RV-2F工業(yè)機器人象棋教學儀器的視覺功能模塊，深入引導學生對機器視覺系統(tǒng)的照明進行優(yōu)化，提高圖像模式識別準確度。通過該教學改革和實踐可有效地激發(fā)學生的學習熱情，在有限課時內(nèi)提高學生的自主開發(fā)能力。

關鍵詞：工業(yè)機器人；機器視覺；教學改革

1前言

隨著機器人技術的蓬勃發(fā)展，目前全國的許多高校都開設了機器人教學的相關課程，而且學生的人數(shù)也在逐年上升。機器視覺作為工業(yè)機器人一項核心技術，主要研究計算機模擬人的視覺功能進行目標對象的識別、判斷和測量，是《機器人入門與實踐》課程中一個重要的教學項目。機器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，所有信息均來源于目標圖像，目標圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)極為關鍵。光源是影響機器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，光源質(zhì)量直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過對光源照明的適當優(yōu)化，實現(xiàn)圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高[1]。

目前教學中，由于機器視覺系統(tǒng)設備配置較為固定，學生主要以操作為主，很難對視覺照明系統(tǒng)有深入的理解。而實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)光源照明的優(yōu)化，有效地提高圖像識別的質(zhì)量和效果，進而提高工業(yè)機器人的工作效率對課程學習具有重要意義。

本文工以工業(yè)機器人象棋教學儀器為主題，針對工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)對棋子的識別精確度不高的情況，提出一種機器人視覺照明系統(tǒng)優(yōu)化方案，通過對系統(tǒng)中照明裝置進行優(yōu)化，提高視覺系統(tǒng)識別準確度。

2機器視覺系統(tǒng)組成

典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。主要部件由機器視覺光源，光學鏡頭，工業(yè)相機，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成。

（1）光源

在目前的機器視覺應用系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別。其中，LED 光源憑借其諸多的優(yōu)點在現(xiàn)代機器視覺系統(tǒng)中得到越來越多的應用。

（2）光學鏡頭

光學鏡頭相當于人眼的晶狀體，在機器視覺系統(tǒng)中非常重要。鏡頭的主要性能指標有焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等。

（3）相機

相機是機器視覺系統(tǒng)獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機和CCD相機。CCD 攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業(yè)領域都得到了廣泛地使用。

（4）圖像采集卡

在基于 PC 機的機器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機拍照，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的重要設備。

（5）視覺傳感器

傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控制與通訊接口，組成一個智能圖像采集與處理單元，內(nèi)部程序存儲器可存儲圖像處理算法，并能使用 PC 機利用專用組態(tài)軟件編制各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。

3光源技術

光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機器視覺系統(tǒng)帶來很多麻煩，如攝像機的花點和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機器視覺中光源的分類主要以下幾種：

3.1 前光源

前光源是指光源放置在待測物前方，這種光照方式稱為“前光式照明”，如圖1所示。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，區(qū)別在于光源與被測物待測表面的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表面待測部分的機理。

3.2 背光源

背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置于待測物體背面，如圖2所示。通過背光源照射待測物體，相對攝像機形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎。它主要應用于被測對象的輪廓檢測、透明體的污點缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導體引線框外觀和尺寸檢查等。

3.3 環(huán)形光源

環(huán)形光源能為待測物體提供大面積均衡的照明。在實際應用中，環(huán)形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環(huán)形光源的優(yōu)點在于可直接安裝在鏡頭上（如圖3所示），與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實現(xiàn)較大面積照明。但應用距離不合適時會造成環(huán)形反光現(xiàn)象。

三菱 RV-2F工業(yè)機器人象棋教學儀器主要由三菱 RV-2F工業(yè)機器人（如圖4）、三菱 FX3U系類PLC、三菱 GOT1000 系類觸摸屏、三菱 MR-J4 系類伺服、康耐視工業(yè)相機、邦納安全光幕等設備組成[2]，可以實現(xiàn)對普通中國象棋進行棋子的抓取、擺放、識別，以及棋盤上對棋子的移動、吃子等動作。該系統(tǒng)中視覺系統(tǒng)照明正是采用了環(huán)狀照明光源，如圖5所示。

4工業(yè)機器人象棋教學儀器環(huán)形光源分析

最初的環(huán)形照明光源內(nèi)部采用純水平排列的LED，可以為整個工件提供較為均勻的照明，其照明原理如圖6所示。

這種環(huán)形結(jié)構(gòu)照明光源將LED顆粒安裝在平面結(jié)構(gòu)上，因設計簡單且組裝簡便，成本較低。但這種照明最大的缺點是視場中心的亮度不夠均勻，由CCD獲取的圖像存在中心亮度低，環(huán)形四周亮度高的缺陷。這種照明和COGNEX 1100工業(yè)視覺傳感器成像鏡頭的光闌大小很難形成好的匹配，獲取圖像的特征部分細節(jié)會被掩蓋，給In-Sight Explorer視覺的取模和圖像判別帶來不少困難。

為了更好的獲取到均勻的照明光源，可以將圖6中LED顆粒的排列陣列進行優(yōu)化設計。采用非球面的結(jié)構(gòu)形式，將LED照明顆粒鑲嵌在非球面表明，最終通過多角度擴散方式給工件提供照明。其照明原理如圖7所示。

采用圖7所示的非球面環(huán)狀光源與現(xiàn)有普通LED環(huán)形光源相比，優(yōu)點在于能產(chǎn)生統(tǒng)一、表面均勻的照明效果。兩種比較如圖8和圖9所示。通過比較圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)后者所能提供的照明更均勻柔和。

5工業(yè)機器人象棋教學儀器環(huán)形光源分析

In-Sight Explorer電子表格視圖用于康耐視In-Sight Micro系工業(yè)視覺傳感器的編程界面[3]，如圖10所示。三菱 RV-2F工業(yè)機器人象棋視覺系統(tǒng)使用圖像對比指令FindPatterns，界面如圖11所示。對圖像取模后進行對比，得出相似值后進行相應的運算，發(fā)送二進制數(shù)到網(wǎng)絡。

如圖11所示，一般相機的曝光時間只需要調(diào)整到2-3秒左右，總分為100分，得分判斷值一般取60-70即可。分值的取得是靠圖像特征的對比，當?shù)梅种荡笥诘梅峙袛嘀禃r，則后面數(shù)值會顯示為1，當沒有通過得分判斷值時，后面顯示數(shù)值為0。1表示圖像識別成功，0表示圖形識別失敗。

將優(yōu)化的光源安裝到工業(yè)機器人象棋教學系統(tǒng)中，選取同類的拍攝棋子圖像在不同的照明光源下進行拍攝取圖形，如下圖12和13所示。

通過圖像的比較可以發(fā)現(xiàn)圖13所拍攝的圖片亮度更高，均勻度更好。兩張圖片經(jīng)過取模操作和系統(tǒng)比較后發(fā)現(xiàn)圖13成功實現(xiàn)了圖像的識別，圖12出現(xiàn)識別錯誤。

6結(jié)束語

本文通過對三菱 RV-2F工業(yè)機器人象棋視覺系統(tǒng)的照明進行改造，將常見的純水平排列LED環(huán)形照明光源優(yōu)化為非球面排列LED環(huán)形照明光源，有效地提高了目標物體的照明亮度和均勻度，提高了視覺系統(tǒng)的圖像識別成功率。該教學項目讓學生以一種簡便直觀的形式了解并掌握工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)優(yōu)化的方法，有效激發(fā)學生的學習熱情和實踐能力。

參考文獻：

[1]韓九強.機器視覺技術及應用.（北京）高等教育出版社，2009.12

[2]三菱電機工業(yè)機器人CR750/CR751控制器操作說明書——功能和操作的詳細說明 [M].三菱電機（上海）有限公司

[3]In-Sight Micro 視覺傳感器安裝手冊[M].康耐視（上海）有限公司