機器人視覺技術

付旭程

摘要 進入21世紀以來，機器人就在人類生產生活的各個領域被廣泛地應用，在日常生活中有服務機器人、娛樂機器人、掃地機器人，在工業應用中也有機器人代替人類進行搬運、焊接、切割等重復性枯燥的工作，大大降低了人工成本和危險系數。和人類依靠雙眼獲取外界環境的圖像信息一樣，機器人想獲得周圍環境的情況必須依靠其“雙眼”

機器視覺系統。機器人的機器視覺技術依靠攝像頭、視覺傳感器、紅外傳感器等部件獲取特定的圖像信息后，經過計算機的處理，得到機器人可以識別的信息，從而指揮機器人的后續行動。本文從機器人感知系統講起，深入分析了機器視覺技術的組成、原理和應用，并展望了機器人視覺技術的未來。

【關鍵詞】機器人 機器視覺 圖像處理

1 機器人感知系統

1.1 機器人感知體系簡介

機器人作為集合機械系統、電氣系統、感知系統、控制系統、計算機系統等為一體的高端機電設備，其復雜程度較高，在研究、設計和制造的過程一般分為以上多個子系統分別進行。感知系統在整個機器人系統中占據著重要的位置，相當于人類的“感覺”系統。類似人類依靠眼睛的視覺、耳朵的聽覺、鼻子的嗅覺等，機器人完成各種復雜的工作同樣離不開各種各樣的感知設備。機器人感知系統的功能可以用機器人抓舉物體的相關過程來描述：

（1）機器人首先通過自身的距離傳感器和視覺系統獲取工件的三維位置、姿態、與抓手的距離等物理量，從而制定出抓取的路徑、角度、力度等策略。

（2）機器人利用其手部的接近覺傳感器，接近工件，并跟蹤工件表面，確定抓取位置。

（3）機器人通過手部的觸覺傳感器（壓力）來控制手部的夾力，確保穩定地夾持物體。

（4）利用傳感器信息的處理，合理規劃路徑，將機器人移動到另一工件處，在移動的過程中通常還要調用視覺傳感器的信息來實時修正機器人的運動軌跡，保證精確到達指定位置。

（5）機器人將工件裝入合適的位置，最后壓力傳感器確認是否完成裝配作業。

各種機器人創造的初衷是用來代替人來進行各種復雜枯燥的工作，所以其很多特性都類似我們人類。機器人想要執行各種各樣的任務就必須對自身周圍環境有精確的了解，并且對自己所要處理的對象了如指掌，同時其也要實時接收來自操作者的各種命令，所以賦予其強大的感知功能是必須的，這種能力就是機器人傳感器系統提供的。機器人傳感器系統與其他傳感器系統不同，它不僅要有檢測和測量狀態信息的能力，而且它還要處理采集到的信息，并根據采集到的信息對外部采取行動，因此它應有很強的實時采集和處理信息的能力。如果獲取的信息不夠，傳感器系統應主動地有意采集為達到目標所需的信息。機器人分傳感器可以分為距離、光線、溫度、視覺、聲波、紅外線等傳感器，各種傳感器檢測不同的物理量，例如距離傳感器獲取距離和位置信息，溫度傳感器檢測溫度高低，聲波傳感器捕捉周圍環境的聲音，各個傳感器通力配合、缺一不可，共同構成了機器人的傳感器系統。理論上人類的各種感覺都可以通過傳感器所模仿，這為高度擬人機器人的產生提供了堅實的基礎。一臺智能機器人的傳感器如圖2所示。

l.2 機器人視覺技術簡介

視覺器官是人體最重要的感覺器官，據統計，人從外界所獲得的信息有80%來自眼睛，因此在機器人研究的一開始，人們就希望能夠給機器人裝上“眼睛”，使它具有視覺功能。如果想要賦予機器人較高的智能，離開視覺系統是無法做到的，如常見的抓舉機器人要求識別需要抓舉的工件，移動機器人要識別周圍的道路和障礙物，這種能力都是機器視覺賦予的。機器視覺是指使用機器代替人類視覺來進行物體和環境識別的技術，它主要指利用計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像或圖像序列中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。

2 機器人視覺系統的組成

機器人的視覺傳感系統需要處理三維圖像，不僅需要了解物體的大小和形狀，還要知道物體之間的關系，因而與文字或圖像識別有根本的區別。為了實現這一目標，要克服很多困難，由于視覺圖像傳感器只能獲得二維圖像，從不同角度上看同一物體，會得到不同的圖像;照明條件的不同，得到圖像的明暗程度與分布情況也會不同;實際的物體雖然互相并不重疊，但從某一角度上看，卻得到重疊的圖像。為了解決這些問題，模擬人類視覺的原理，機器人視覺系統一般由以下幾個過程組成：

首先機器人得到識別物體的指令后，先控制光源向物體投射一定量的光線，物體反射的光線通過鏡頭進入攝像機成像，攝像機得到圖像信息后傳遞給圖像采集卡，圖像采集卡將圖像信息轉換為數字或者模擬信號傳遞給計算機，計算機對信號經過處理之后判斷出下一步的執行動作，通過輸入/輸出端口傳遞指令給控制機構，指揮機器人的下一步動作。整個機器人視覺系統的工作過程和人眼的工作過程類似，鏡頭相當于人眼的晶狀體，攝像機相當于人眼的視網膜，圖像采集卡相當于視覺神經，而計算機則相當于人類的大腦。在機器人視覺系統的運行過程中，以下幾種硬件是最為關鍵的：

2.1 攝像機和圖像傳感器

攝像機是圖像的感應單元，是獲取圖像的關鍵設備。在早期一般通過傳統膠片照相機代替攝像機，但是這種圖像采集模式非常低效，隨著數字圖像處理技術的進步，數碼攝像機逐漸取代了傳統攝像機。近年來開發了CCD（電荷耦合器件）和MOS（金屬氧化物半導體器件）等固體視覺傳感器。攝像機搭配固體視覺傳感器，特別是CCD圖像傳感器，具有體積小、質量小、余輝小等優點，因此應用日趨廣泛。目前已有將雙CCD視覺傳感器集成在靈巧手爪上的機器人系統，視覺傳感器捕捉到的每個像素都含有距離信息的圖像，稱之為三維視覺圖像。

2.2 圖像采集卡

圖像采集卡是將攝像機所捕捉的圖像信息進行處理和存儲的設備，其可對圖像采集單元的圖像數據進行實時的存儲，并在圖像處理軟件的支持下進行圖像處理。圖像處理系統可由FPGA或DSP等高速數字處理器件來完成圖像處理，用戶可在PC機上離線編寫C語言或匯編應用程序，或通過模塊設計的專用軟件設計檢測軟件，并在PC機上調試成功后下載到視覺傳感器中。

2.3 控制裝置和光源控制器

機器人的視覺系統直接把景物轉化成圖像輸入信號，類似于人眼成像原理，光源足夠的情況下才能清楚地看見物體，因此取景部分應當能根據具體的情況自動調節光源的亮度和光圈的焦點，以便得到高質量且清晰圖像，一般通過調整以下幾個過程實現：

（1）焦點能自動對準被觀測的物體，也就是自動對焦;

（2）根據光線強弱自動調節光圈，也就是自動亮度調整;

（3）自動轉動攝像機，使被觀測物體位于視野的中央;

（4）調節光源的方向和強度，使目標物體觀測得更清楚。

2.4 計算機處理系統

由視覺傳感器得到的圖像信息要用計算機存儲、處理和識別，根據各種目的輸出處理后的結果。在早期，由于微型計算機的內存容量太小，價格也較高，因此往往另加一個圖像存儲器來儲存圖像數據。現在除了某些大規模視覺系統之外，一般都使用微型計算機或小型計算機，即使是微型計算機，也能夠用內存來存儲圖像了。為了存儲圖像，可以使用硬盤或其他儲存設備。在圖像的顯示方面，除了顯示器上輸出圖形之外，還可以用打印機或繪圖機來輸出圖形。

硬件只是視覺系統的基礎，想要實現若干視覺功能，圖像處理軟件也是不可或缺的。在機器視覺系統中，硬件捕捉的圖像需要經過軟件的處理才能得到最終的結果，這個圖像處理過程主要依賴于圖像處理軟件，一般包括圖像的增強、平滑、分割、特征提取、識別與理解等功能。同時，視覺軟件系統類似電腦的操作系統，可以不斷更新換代從而適應各種應用環境。

3 機器人視覺技術的應用和未來

機器人的視覺系統憑借其高精度、高可靠性和高集成度被廣泛地應用于各種機器人設備中，就其實現的功能來看，主要有以下幾種：

3.1 視覺定位

機器人在執行任務過程中必須知道自己的位置，對位置較為敏感的有掃地機器人、抓舉機器人等，視覺定位系統首先會捕捉一些關鍵點信息和對應距離信息，然后通過自身的軟件系統計算出自身的位置，以便進行下一步操作。

3.2 零件識別

在一些工業流水線操作中，需要對工件的形狀和尺寸進行辨識，一方面機器人視覺系統可以通過視覺測量技術得出關鍵性的長度、面積、周長等;另一方面，其也可以提取出工件的一些特征，例如孔洞、尖角、凹陷、凸起等。

3.3 移動機器人的導航

移動機器人或自動駕駛汽車中的視覺系統，能夠根據路標確定前進的方向，識別前進道路上的障礙物，并繞行。

隨著圖像處理技術和計算機技術的不斷進步，機器人視覺技術也在不斷地發展和完善之中，但是目前的機器人視覺技術還有很多短板，例如視覺定位的準確性和實時性不足，精度還有待提高，沒有滿足各種工業應用的通用性解決方案，這也限制了機器人視覺技術的大規模應用。機器人的智能程度對視覺技術的依賴程度很高，目前一些足球機器人、服務機器人尤其對視覺定位的精度有很高的要求。但是目前高端視覺系統只能做到毫米級定位，普通的機器人只能達到厘米級定位，在精度上還有很大的發展空間。另外，在視覺系統的配套上還存在缺陷，視覺系統的輸出能否提供更多的用途，這對于豐富機器人的功能有著巨大的意義，在這方面還值得研究者持續探索。

參考文獻

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